基于性能的抗震设计

魏凤婷郑 骐

（山东省土木工程防灾减灾重点实验室（山东科技大学） 青岛 266590）

基于性能的抗震设计

魏凤婷通讯作者郑 骐

（山东省土木工程防灾减灾重点实验室（山东科技大学） 青岛 266590）

近年来，随着地震灾害的频发所导致的生命财产的损失增大，基于性能的抗震设计逐渐被人们所熟知。本文主要阐述了基于性能的抗震设计的概念、性能水准、性能指标，并探讨了相关的设计方法以及今后的发展趋势。

抗震设计；性能指标；性能水准

引言

国际上普遍采用的结构抗震设计方法，虽然在一定程度上取得了相当大的进步，但在随着经济发展、人口增加、土地资源减少的情况下，高层建筑不断大量地涌现，地震给人们生命财产所带来的损失也越来越严重。由于“三水准”的设防思想概念比较模糊，在实际实施中不清晰，目前还是以保障人们的生命安全为前提。然而基于性能的抗震设计，在发生地震时，能够从多个方面多个层次满足人们的需求，最大限度的保证人们的生命财产安全。因此，基于性能的抗震设计日益备受关注，并成为未来抗震设计的发展方向。

1 基于性能的抗震设计的提出

基于性能的抗震设计理论(Performance -based Seismic Design,PBSD)是在九十年代初期提出的。随着基于结构性能的抗震设计理论的提出，美国和日本等国家相继先后建立了相关研究课题，进行以结构功能评价为理论基础的结构设计体系研究。我国基于性能的抗震理论的研究开始于九十年代末，但是随着我国学者进一步的研究,也取得了一定的科研成果。

性能设计是指在建筑的细部构造设计中，通过选择一定的设计标准、恰当的结构形式、合理规划比较来控制建造质量和长期维护水平，使地震作用下建筑结构的破坏不会超过其极限状态。

基于性能的抗震设计的特点是: 抗震设计从单一目标向多个目标转换，从基本目标向不同地震作用下的基本目标、重要目标、特殊目标转换，满足不同目标下人们的需求，保证人们的生命财产安全，实现更加个体化的过渡。

2 结构抗震性能水准和性能指标

2.1 结构性能水准

近年来，国内外抗震设防目标对建筑物的抗震能力有了更严格的规定，要求随着地震强度的不同，建筑物的抗震能力也相应不同。结构构件、非结构构件、内部设施、装修等多种因素也被基于性能的抗震设计考虑进去。

目前我国实行的是“三水准”（小震不坏，中震可修，大震不倒）的设防目标和“两阶段”的设计方法。两阶段的设计方法，第一阶段：多遇地震作用下的结构和构件承载力验算以及结构弹性变形验算，是针对绝大多数结构而进行的，对各种建筑结构按规范相关规定采取不同的抗震措施，其中，承载内力和内力组合是按照小震的要求，由于中震时承载能力已经不满足要求，所以中震的时候采用构造配筋的方法；第二阶段：针对于部分规范规定的结构，则需要进行罕遇地震下的弹性变形验算。

传统抗震设计性能标准只是说“不坏、可修、不倒”，没有具体明确的指出具体的内容，概念模糊，而基于性能的抗震设计方法的性能水准是综合考虑经济水平、建筑造价、维修等因素来进行划分，更加的完善、细致。

2.2 结构性能指标

抗震性能目标是指在每一个地震等级下，建筑物期望达到的性能水准。对于一般建筑物,要求达到的基本性能目标是：常遇地震下能基本保持完好；偶遇地震下有轻微损坏,但可修复；罕遇地震下保证生命安全；极罕遇地震下建筑物不倒塌。小震主要是承载能力和层间位移之间的关系；中震主要通过构造措施，如增强结构的延性，轴压比不能太大，箍筋率不能太小；对于大震来说，主要是弹塑性位移，由结构的非线性分析来进行变形阶段的验算。

3 基于性能的结构抗震设计方法

当下主要有以下三种基于性能的抗震设计方法：承载力设计方法；位移设计方法和能量设计方法。

3.1 承载力设计方法

基于力的设计，结合多性能变形与水平位移进行评估，是承载力设计的常见方法，

3.2 位移设计方法

结构位移与结构变形能较好地反映其结构性能，目前基于性能设计方法主要有两种，即能力谱法和直接基于位移法，两者均是基于位移的设计。

（1）直接基于位移法

直接基于位移法是指，从目标位移出发，根据位移与强度或变形与刚度的关系（即非线性反应谱），直接对结构的刚度和强度进行求解，从而完成结构的设计。直接基于位移法需要进行反复迭代计算，直至结构性能满足评估要求。

（2）能力谱法

能力谱法的基本思想是建立两条相同基准的谱线，即能力谱曲线和需求曲线。前者是由底部剪力一顶点位移曲线转化而来的谱加速度一谱位移曲线，后者则为地震动输入得到的加速度反应谱转化而来的需求谱曲线。在同一坐标系中将两条曲线分别绘出，两条曲线的交点来作为结构的性能点，目标位移即曲线交点处位移，可以将得到的目标位移进行相应变换，即为多自由度体系实际的顶点位移，根据结构的底部剪力一顶点位移曲线，进一步得到结构的底部剪力，从而完成结构设计。

可以通过采用规范中的弹性反应谱和非线性反应谱来建立地震需求谱曲线。等效阻尼比有关与规范中的弹性反应谱有密切关联，在将加速度弹性反应谱转换成加速度一位移曲线时，需要充分考虑结构的等效粘滞阻尼，得到一系列具有不同阻尼比的等效单自由度体系的需求曲线，简单直接地确定结构弹性地震力需求，但在面对强震作用下的弹塑性位移问题时，则显得无能为力。非线性反应谱能较好地反映结构非线性状态，与结构的延性相关，通过非线性反应计算的回归分析直接建立。

从上可以看出，基于位移的设计方法，最终都归根于如何建立非线性反应谱求解结构弹塑性位移需求的问题。

3.3 能量设计方法

能量设计方法是根据地震输入能量和结构消耗能量决定结构及内部设施的破坏程度。能量设计方法可以预估建筑物的破坏程度，但是由于没有明确的参数选取及能量计算方法标准，能量设计方法还需进一步研究。

4 发展趋势

现行规范存在很多的不足之处。如基于承载力的设计方法设计目标为保证生命安全，难以进行经济性的评估；线性状态的假定不符合实际；三水准的抗震设防思想规定较为迷糊；“不坏、可修、不倒”只针对主体结构。

现代建筑向高层、功能多样性发展，要保证现代建筑在未来地震下不能倒塌，还应控制经济损失的大小，保证建筑物正常使用。

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