基于性能的抗震設計理論研究綜述

1、基于性能的抗震設計理論研究綜述         09-07-02 16:36:00     作者：馬曉霞薛云飛安平    編輯：studa20摘 要：對基于性能的抗震設計理論的發(fā)展史作了回顧，總結(jié)了當今國內(nèi)外對這一理論的研究現(xiàn)狀，提出了一些需要解決的問題。 關鍵詞：抗震設計，基于性能的抗震理論，性能水平，評價指標，基于位移的抗震設計 1 結(jié)構(gòu)的抗震設計局限 由于地震和地面運動有很大的不確定性，導致結(jié)構(gòu)在其使用期限內(nèi)可能遭遇預期強度等級的

2、地震，也有可能遭遇遠遠大于預期強度等級的地震，這就使結(jié)構(gòu)工程師很難準確了解結(jié)構(gòu)的抗震需求。當前，多數(shù)國家對結(jié)構(gòu)抗震設計原則為：對于一般的工程結(jié)構(gòu)，設計時以本區(qū)域內(nèi)多遇地震作為結(jié)構(gòu)彈性階段承載力和變形驗算依據(jù)，以保證結(jié)構(gòu)在小震作用的結(jié)構(gòu)正常使用功能；同時以大震作為結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下的驗算依據(jù)，以滿足在結(jié)構(gòu)在強震下不至于倒塌危及生命安全。雖然這種設計方法較為簡單，設計結(jié)果較為經(jīng)濟，但也在某種局限了結(jié)構(gòu)的抗震設計。首先，僅僅以正常使用狀態(tài)和極限狀態(tài)作為設計階段，并不能保證結(jié)構(gòu)在除此兩狀態(tài)之外的處于其它狀態(tài)時的損傷程度和功能完整性，這就要求我們對結(jié)構(gòu)的其它狀態(tài)的性能水平進行更深入的研究。其次，這種設計僅

3、僅要求結(jié)構(gòu)滿足基本的抗震設防目標，局限了業(yè)主對結(jié)構(gòu)抗震方面提出更高的設防要求，安全度已與目前的經(jīng)濟和社會發(fā)展不符，故我們有必要對結(jié)構(gòu)的設防目標進入更進一步的研究。因此，對結(jié)構(gòu)采用多級性能水平和多級抗震設防目標的基于性能的抗震設計具有重要的理論意義和實用價值。 2 結(jié)構(gòu)的地震反應分析了方法 自1899年日本學者大森房吉首次提出用于結(jié)構(gòu)抗震設計的靜力法以來，結(jié)構(gòu)的地震反應分析方法經(jīng)歷了從靜力法到動力的反應譜法和動力時程分析法這三個階段的演變過程，在動力階段中又可分為彈性與非彈性(非線性)兩個階段。根據(jù)所考慮的地震動特點，結(jié)構(gòu)地震反應分析方法可以分為確定性方法和隨機振動方法。確定性方法利用地震記錄或

4、由其他方法確定的地震波進行結(jié)構(gòu)的地震反應計算，隨機振動方法則把地震視為隨機過程，把具有統(tǒng)計性質(zhì)的地震動作用在結(jié)構(gòu)上來求出結(jié)構(gòu)的反應。到目前為止，國內(nèi)外的抗震設計規(guī)范絕大多數(shù)都采用確定性方法，因此本文也僅考慮確定性方法。 由大森房吉提出的彈性靜力法理論假設結(jié)構(gòu)各個部分與地震動具有相同的振動，因此，地震力等于地面運動加速度與結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的乘積；在大森房吉之后，佐野利器于1916年提出震度法，認為以結(jié)構(gòu)10%的總重量作為水平地震力來考慮地震作用。該法把結(jié)構(gòu)的動力反應特性這一重要因素忽略了，具有很大的局限性，只有當結(jié)構(gòu)可近似地視為剛體時，該方法才適用。 由于缺乏對地震動特性的認識和結(jié)構(gòu)振動分析理論的了解

5、，基于動力學的地震反應分析理論一直未能得到發(fā)展；直到1930年之后，人們逐漸認識到地震動特性對確立合理的抗震設計方法的重要性，從1931年起，美國開始進行地震觀測臺網(wǎng)的布置，并在1940年Imperial Valley地震中成功地收集到了包括El-Centro地震記錄在內(nèi)的大量地震記錄資料，為抗震動力學方法的發(fā)展提供了寶貴的資料。1943年，M.A.Biot提出了反應譜的概念，并給出了世界上第一條彈性反應譜曲線。G. W.Housner于1948年提出基于加速度反應譜曲線的彈性反應譜曲線，1956 年N.M.Newmark率先將該法應用于實際工程設計，并在實際地震中得到了驗證，自1958年第一

6、屆世界地震工程會議之后，反應譜法被許多國家所接受，并逐漸被采納應用到結(jié)構(gòu)抗震設計規(guī)范中。我國1959年的抗震規(guī)范草案就采用了反應譜理論并在以后的各次規(guī)范修訂中不斷完善和發(fā)展。在彈性反應譜的概念提出不久之后，就提出了非線性反應譜的概念，試圖將這一簡單的概念應用于非線性地震反應分析中，目前，除新西蘭抗震規(guī)范采用非線性反應譜以外，非線性反應譜基本沒有直接得到應用。 動力時程分析方法是將地震動記錄或人工地震波作用在結(jié)構(gòu)上，直接對結(jié)構(gòu)運動方程進行積分，求得結(jié)構(gòu)任意時刻地震反應的分析方法，根據(jù)是否考慮結(jié)構(gòu)的非線性行為，該法義可分為線性動力時程分析和非線性動力時程分析兩種。該方法是借助于強震臺網(wǎng)收集到的地震

7、記錄和模擬電子計算機，于20世紀50年代末由美國的G. W.Housner提出的：日本于20世紀60年代初，在武藤清教授的領導下，也開始了這項研究工作。隨著計算機的發(fā)展，該方法在國外于20世紀60、70年代得到了迅速的發(fā)展。我國于20世紀70年代末和80年代初在這方面開展了大量的研究工作。隨著計算手段的不斷發(fā)展和對結(jié)構(gòu)地震反應認識的不斷深入，該方法越來越受到重視，特別是對體系復雜結(jié)構(gòu)的非線性地震反應，動力時程分析方法還是理論上唯一可行的分析方法，目前很多國家都將此方法列為規(guī)范采用的分析方法之一。 3 對性能的抗震設計的不同定義 “基于性能”一詞源于英文Performance-based。基于性

8、能的抗震設計（PBSD）理論是20世紀90年代由美國科學家和工程師首先提出的，最早應用于橋梁抗震設計中?；谛阅芸拐鹪O計的基本思想是使被設計的建筑物在使用期間滿足各種預定功能或性能目標要求。這一思想影響了美國、日本和歐洲地震工程界。各國同行表現(xiàn)出了極大的興趣，紛紛展開多方面的研究。 SFAOC Vision 2000對PBSD的定義是“性能設計應該是選擇一定的設計準則，恰當?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式、合理的規(guī)劃和結(jié)構(gòu)比例。保證建筑物的結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的細部構(gòu)造設計，控制建造質(zhì)量和長期維護水平，使得建筑物在遭受一定水準地震作用下，結(jié)構(gòu)的損傷或破壞不超過某一特定的極限狀態(tài)”。 ATC-40對PBSD的定義為“基于

9、性能的抗震設計是指結(jié)構(gòu)的設計準則由一系列可以實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性能目標來表示，主要針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)并且建議采用基于能力譜的設計原理”。顯然，ATC-40建議使用能力譜方法對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行抗震設計。 FFMA 273和FFMA 274對PBSD的定義為基于不同設防水準地震作用，達到不同的性能目標。在分析和設計中采用彈性靜力和彈塑性時程分析來實現(xiàn)一系列的性能水準，并且建議采用建筑物頂點位移來定義結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水準，不同的結(jié)構(gòu)形式采用不同的性能水準。而且FFMA273利用隨機地震動概念提出了許多種性能目標.，適合于多級性能水準結(jié)構(gòu)的分析與設計方法從線性靜力延伸到彈塑性時程分析。 1995年的K

10、obe地震后，日本啟動了“建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)代工程開發(fā)”研究項目，對性能設計涉及的內(nèi)容進行了概述；1996年，日本建筑標準法按照基于性能的要求進行了修訂；1998年，日本的建筑標準法加入了能力譜方法。 我國一些學者也對PBSD進行了定義：“基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設計是指根據(jù)建筑物的重要性和用途確定其性能目標；根據(jù)不同的性能目標提出不同的抗震設防標準，使設計的建筑在未來地震中具備預期的功能?！?PBSD已成為近幾年美國、日本、新西蘭等國家在抗震方面的主要研究課題。美國學者認為，基于性能的抗震設計方法應該編成指南或規(guī)定，而不是規(guī)范提供給設計人員和業(yè)主，從現(xiàn)行的以保障生命安全為宗旨的抗震設計規(guī)范向基于性能的抗震

11、設計規(guī)范的選擇性設計規(guī)定的轉(zhuǎn)變應該是“演進”而不是“革命”，其基本思想還可以通過每三年一次的規(guī)范修訂融入現(xiàn)行規(guī)范中去。美國國際規(guī)范委員會(ICC) 1997年5月出版國際建筑規(guī)范2000 ( International Building Code. IBC)草案已強調(diào)了與性能要求有關的內(nèi)容。近年來，基于性能的抗震設計思想及研究成果已經(jīng)納入美國大學本科生和研究生的結(jié)構(gòu)抗震設計課程教學工作中，主要內(nèi)容即以Vision2000為基礎。日本也在多方資助下于1995年開始了為期3a的“新建筑結(jié)構(gòu)體系開發(fā)”研究項目，成立了由國內(nèi)著名學者參加的新建筑構(gòu)造體系綜合委員會。該委員會下設性能評價、目標水準和社會機

12、構(gòu)3個分委員會。為推進和協(xié)調(diào)這一項目的進程，還建立了“新構(gòu)造體系促進會議”，討論、規(guī)劃和協(xié)調(diào)各方而的工作。英國等歐洲國家和智利等拉美國家也對PBSD開展了研究。1996年在中美抗震規(guī)范學術討論會上也對PBSD進行了交流，提出了把PBSD引入到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計領域的概念。有學者建議，中國21世紀的抗震設計應順應國際發(fā)展的趨勢，發(fā)展適合于中國國情的PBSD。      09-07-02 16:36:00     作者：馬曉霞薛云飛安平    編輯：studa204 目前國內(nèi)外地震工程

13、界學界對PBSD開展的研究工作 （）多級性能水準的確定與統(tǒng)一。生命安全水準、結(jié)構(gòu)損傷水準和確保使用功能水準為當前規(guī)范普遍接受的3級性能水準。生命安全水準要求建筑在罕遇地震作用下不倒塌；結(jié)構(gòu)損傷水準要求建筑損傷控制在可修復的范圍內(nèi)；確保使用功能水準要求結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響建筑直接使用的變形等。PBSD要求細化這3級性能水準并建立相應的結(jié)構(gòu)設計準則。 （）多級地震設防水準的確定與統(tǒng)一：當前規(guī)范普遍采用3級性能水準所對應的最高設防水準。在建筑使用期內(nèi)遭遇一次地震危險的水準和可能遭受多次地震危險的水準3級地震設防水準。PBSD同樣要求細化這3級地震設防水準。 （）可行的結(jié)構(gòu)設計與分析方法：PT3SD要求建立

14、適合于在多級水準地震作用下實現(xiàn)多級性能水準的結(jié)構(gòu)設計與分析方法。 （）結(jié)構(gòu)安全性評估方法的完善：當前由靜力推覆分析方法和能力譜分析方法結(jié)合形成的靜力彈塑性方法被普遍用來評估罕遇地震作用下建筑的抗震性能。 基于性能的抗震研究是一個非常龐大和復雜的問題，就目前的發(fā)展水平，還存在以下問題需要進一步研究解決。 在結(jié)構(gòu)性能方面，雖然提出了不同性能水平，但只是對結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)性能的破壞程度的描述，對結(jié)構(gòu)“不壞、可修、不倒”定義模糊，未給出明確的量化指標，是本文主要研究問題之一，有待進一步研究。 在結(jié)構(gòu)多級性能目標方面，如何進一步考慮建筑場地特征和近震的影響，以及設防水平與震后重建時間、費用之間的定量關系。 對于高層建筑或沿高度側(cè)向剛度有變化的建筑，采用何種目標側(cè)移曲線，側(cè)向力分布模式是否考慮高階振型的影響，都需要作進一步深入的研究。 如何針對復雜的混合塑性鉸分布破壞機制建立位移延性和曲率延性的轉(zhuǎn)化關系，從而獲得結(jié)構(gòu)曲率延性需求，有待進一步研究。 參考文獻 1SEAOC Vision2000 Committee.Performance-Based Seismic Engineering of BuildingR.Report Prepared by Association of California,Sacramento,California,USA1