结构基于性能的抗震设计分析讨论

王东波 刘满红

(太原理工大学建筑与土木工程学院，山西太原 030024)

1 概述

基于性能的抗震设计理论是20世纪90年代初由美国学者提出，旨在使结构在未来的地震灾害下能够维持一定的性能水平。是一种更合理的设计理念，将是未来结构抗震设计的发展方向，目前已引起了各国的广泛重视。

日本在1995年开始进行了“建筑结构的新设计框架开发”项目研究，为期3年，并总结了研究成果。在此基础上实施了新的基于性能的建筑基准法。

中国建筑科学研究院工程抗震研究所联合国内部分高校和研究所开展了“我国2000年工程抗震设计模式规范”的研究，并在《建筑结构学报》中介绍了研究成果。目前正在修订的国家标准《混凝土结构设计规范》《建筑抗震设计规范》拟纳入基于性能的抗震设计方法。

2 基于性能的抗震设计的基本概念及设计方法

2.1 基于性能的抗震设计的基本概念

我国抗震设计规范提出“三水准，两设防”的设计方法。地震设防水准是指在未来一段时间内可能作用于场地的地震作用的大小，或者说，应选择多大强度的地震作为防御的对象。中国地震风险水平见表1。

表1 中国地震风险水平

对应的“小震不坏，中震可修，大震不倒”三水准，相应的地震最大影响系数的比值1∶2.8∶(4.5～6)。这种设计方法虽然在大震情况下不至于倒塌，避免了人们的生命安全的损失，但是结构倒塌造成的各种经济损失以及重新修复等措施，会给社会灾后重建带来更重的负担。而改进这种抗震设计方法使损失降至可控范围，这就需要对结构进行基于性能的抗震设计。

2.2 基于性能的抗震设计方法

1)承载力设计方法。承载力设计方法是在实际工程应用中比较常见的一种设计方法，通过非线性静力分析(Push-over)进行设计验算，可以对结构非线性变形进行控制，并能达到预期的性能目标，但是对于结构进入弹塑性阶段时，该方法需要对结构进行折减，故在一定程度上失真。

2)基于位移进行抗震的设计方法。将位移作为整个结构抗震设计的起点，假定位移或层间位移是抗震性能的控制因素，以位移作为设计变量。根据预期位移计算地震作用，进行结构设计，使构件达到预期的变形，结构达到预期的位移。

结构的侧移形状按满足性能水平的层间侧移角来控制。直接基于位移的抗震设计方法仅考虑了结构第1振型，仅对中低层建筑结构的抗震设计适用，对于高层及复杂结构会产生较大误差。

3)能力谱法。基本思想:在同一图上绘制两条谱曲线，一条是将力—位移曲线转化为能力谱曲线，另一条为将加速度反应谱转化为需求谱曲线，两条曲线的交点为“目标位移点”，亦称“性能点”。建立能力曲线和需求曲线是能力谱法的关键。其交点对应的位移为等效单自由度体系的等效位移，再将其转化为原结构的顶点位移，即“目标位移”。

4)基于位移延性系数的设计方法。也称作截面变形能力设计方法，是根据对截面的屈服曲率确定位移延性比需求，从而计算出需达到的曲率延性比。

3 实际工程中的应用

本文对结构的非线性分析，采用弹塑性静力或弹塑性动力分析方法，而动力分析中合理的选取地震波比较困难，故实际应用中弹塑性静力分析(Push-over)被广泛应用。

弹塑性静力分析方法可以通过对需求谱曲线与能力谱曲线的交点，也就是性能点来参考结构在地震作用下的效应，分析的结果主要根据性能点处所对应的结构变形，如层间位移角是否满足抗震设计规范规定的层间位移角限值、梁柱的塑性铰出现塑性变形是否超出某一水准下地变形要求等。

4 结语

基于性能的抗震设计是以结构抗震性能分析为基础的，使结构在未来不同的抗震等级的地震作用下达到预期的抗震性能目标，克服了基于承载力抗震设计不能预估结构屈服后抗震性能的缺陷。但基于性能的抗震设计仍存在一些问题，有待于今后工作中作进一步研究。

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