基于性能的抗震設(shè)計綜述

基于性能的抗震設(shè)計綜述

1案例5:國外地震災(zāi)害情況隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市數(shù)量不斷擴(kuò)大，現(xiàn)代化程度不斷提高，地震造成的生命和財產(chǎn)損失越來越嚴(yán)重。如1993年印度得干高原凱拉里鎮(zhèn)發(fā)生M6.4級地震,使地震區(qū)內(nèi)10個鄉(xiāng)村變?yōu)閺U墟,死亡和失蹤者近3萬人;1994年美國加州北嶺發(fā)生M6.7級地震,此次地震雖只造成57人的傷亡,但所造成的損失達(dá)170億美元;1995年日本兵庫縣南部M7.2級地震造成直接和間接人員死亡5438人,受傷4萬人以上,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1000億美元,是關(guān)東大地震后日本損失最為嚴(yán)重的地震災(zāi)害;1999年土耳其發(fā)生M7.4級地震,直接死亡人數(shù)達(dá)1.5萬余人、2萬余人受傷,房屋倒塌10萬余間;1999年我國臺灣發(fā)生M7.6級地震,死亡人數(shù)2405人,受傷人數(shù)11306人,經(jīng)濟(jì)損失近100億美元,而且還因地震造成供電系統(tǒng)受損,使新竹高科技園區(qū)芯片生產(chǎn)停頓,引起了世界范圍內(nèi)計算機(jī)市場價格波動。由此可見,控制震害損失范圍已成為工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重要內(nèi)容?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計理論(Performance-basedSeismicDesign,即PBSD)是1992年由美國學(xué)者提出的,比較權(quán)威的描述是美國SEAOC,ATC和FEMA等組織給出的?？筛爬?基于性能的抗震設(shè)計理論以結(jié)構(gòu)抗震性能分析為基礎(chǔ),針對每一種抗震作用水準(zhǔn),將結(jié)構(gòu)的抗震性能劃分成不同等級,設(shè)計者根據(jù)結(jié)構(gòu)的用途,業(yè)主、使用者及鄰居的特殊要求,采用合理的抗震性能目標(biāo)和合適的結(jié)構(gòu)抗震措施進(jìn)行設(shè)計,使結(jié)構(gòu)在各種水準(zhǔn)地震作用下的破壞損失,能為業(yè)主選擇和承受,通過對工程項目進(jìn)行生命周期的費效分析后達(dá)到一種安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)化平衡。2建立性能要求的規(guī)范框架對工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于性能的抗震設(shè)計研究,涉及到以下問題:(1)研究不同性能水準(zhǔn)的定義,建立結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后評估其性能的程序和方法;(2)建立基于性能的規(guī)范框架,以適應(yīng)和推動新型材料、施工方法和設(shè)計理論的應(yīng)用,增加設(shè)計和工程建設(shè)中的自由度;(3)形成一個現(xiàn)代社會體系,使基于性能的抗震設(shè)計更好地發(fā)揮作用,這一體系包括結(jié)構(gòu)工程師資格認(rèn)定、建筑審批條款和建筑發(fā)生意外時設(shè)計者的保險體系等。由上可見,進(jìn)行基于性能的抗震設(shè)計研究,首先要做的工作是明確劃分建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能水準(zhǔn)和抗震性能目標(biāo)。2.1對性能抗震性能的要求實際震害表明,在以生命安全為單一設(shè)防水準(zhǔn)的規(guī)范指導(dǎo)下設(shè)計的建筑,盡管可以有效防止倒塌,但結(jié)構(gòu)破壞帶來的直接與間接財產(chǎn)損失是事先無法預(yù)料的。為了能改變這種情況的發(fā)生,就要求設(shè)計的結(jié)構(gòu)不僅要保證生命的安全,同時也要控制建筑結(jié)構(gòu)的破壞程度,將物質(zhì)財產(chǎn)的損失控制在可以接受的范圍內(nèi)。這就需要在實際設(shè)計中,針對不同地震作用水準(zhǔn),明確工程結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有的性能水準(zhǔn)。以我國為例,地震設(shè)防分為3個水準(zhǔn),即“小震”、“中震”和“大震”。它們是根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2001,采用概率的方法確定的?！靶≌稹笔桥c當(dāng)?shù)匚磥硪欢〞r限內(nèi)地震烈度概率分布的眾值相對應(yīng)的地震,與眾值烈度相對應(yīng)的超越概率為63.2%,重現(xiàn)期50年;“中震”是與未來一定時限內(nèi)地震烈度超越概率等于10%的烈度相對應(yīng)的地震,重現(xiàn)期475年;“大震”是與未來一定時限內(nèi)超越概率等于2%～3%的烈度相對應(yīng)的地震,重現(xiàn)期1641～2475年。與上述“小震”、“中震”、“大震”所對應(yīng)的抗震設(shè)防目標(biāo)是:“小震不壞”、“中震可修”、“大震不倒”。但由于這3個水準(zhǔn)對結(jié)構(gòu)性能和震害損失的定量描述還不很明確,很難在結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到量化保證。目前,我國規(guī)范提供的計算方法和構(gòu)造措施只是性能水準(zhǔn)的最低要求,而不是準(zhǔn)確的量化指標(biāo)。據(jù)美國聯(lián)邦緊急救援署(FEMA)提出的要求,基于性能的抗震研究可定為4個性能水準(zhǔn):(1)地震作用的分類水準(zhǔn)1常遇地震,重現(xiàn)期為43年水準(zhǔn)2偶遇地震,重現(xiàn)期為72年水準(zhǔn)3少遇地震,重現(xiàn)期為475年水準(zhǔn)4罕遇地震,重現(xiàn)期為970年(2)電梯結(jié)構(gòu)性能準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型水準(zhǔn)1正常使用:結(jié)構(gòu)無永久側(cè)移;基本保持原有強(qiáng)度和剛度;結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本不損壞;所有重要設(shè)備可正常工作。水準(zhǔn)2可以暫時使用:結(jié)構(gòu)無永久側(cè)移;基本保持原有強(qiáng)度和剛度;結(jié)構(gòu)構(gòu)件與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件有輕微破壞;電梯能夠重新啟動,防火措施得力。水準(zhǔn)3生命安全:結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定,具有足夠的豎向承載力儲備;不發(fā)生墻體平面外失效或女兒墻倒塌;產(chǎn)生永久側(cè)移;隔墻破壞,建筑修復(fù)費用可能很高。水準(zhǔn)4防止倒塌:建筑結(jié)構(gòu)保持不倒;承受荷載的柱子和墻體仍起作用;有大的永久側(cè)移;內(nèi)隔墻和無支撐的女兒墻已經(jīng)或開始失效,建筑即將倒塌。另外,由于結(jié)構(gòu)的性能與結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)相關(guān)聯(lián),而結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)又可由結(jié)構(gòu)的反應(yīng)參數(shù)或者某些定義的破壞指標(biāo)來確定,所以,結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)可以用這些參數(shù)來劃分。盡管知道結(jié)構(gòu)性能由某個參數(shù)來劃分可能不盡完善,但是鑒于目前研究水平,研究者們提出基于位移(變形)來劃分結(jié)構(gòu)性能水平是方便實用的,因為結(jié)構(gòu)變形也可以有效地反映結(jié)構(gòu)破壞情況。2.2結(jié)構(gòu)體系可靠度的確定在采用基于性能設(shè)計原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時,面臨的首要問題是性能目標(biāo)的確定,也就是結(jié)構(gòu)限定的破壞狀態(tài)應(yīng)保持在何種水平,這種破壞狀態(tài)包含結(jié)構(gòu)體系的安全性、適用性、耐久性和整體性等功能。破壞狀態(tài)的水平定得太高,可以使建筑結(jié)構(gòu)變得安全可靠,但會使建筑結(jié)構(gòu)的建設(shè)投入大大增加;破壞狀態(tài)水平的取得太低,可以降低建筑結(jié)構(gòu)工程造價,但會增加未來的使用風(fēng)險和維護(hù)成本。所以,結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)的確定,目前認(rèn)為比較合理的方法是采用“投資—效益”準(zhǔn)則,即在未來抗震設(shè)計中,在不同強(qiáng)度水平地震作用下,能夠有效地控制建筑物的破壞狀態(tài),使建筑物實現(xiàn)明確的不同性能水平。從而使建筑物在整個生命周期內(nèi),在遭受可能發(fā)生的地震作用下,包括政治、社會、經(jīng)濟(jì)等因素形成的總體費用達(dá)到最小。使結(jié)構(gòu)的設(shè)計處于安全性和經(jīng)濟(jì)性的合理均衡上。這一性能目標(biāo)可用工程項目的經(jīng)濟(jì)效益為最大的形式描述:E=B-C-D=最大(1)E=B?C?D=最大(1)式中E——工程項目的經(jīng)濟(jì)效益;B——投資收益,包括工程項目建設(shè)期和建成后形成的直接與間接收益;C——項目投資,包括興建工程的全部費用及工程建成后的維護(hù)、修復(fù)費用;D——投資損失,包括不同地震作用水準(zhǔn)造成的人身傷亡、物質(zhì)財產(chǎn)的直接損失及連鎖反應(yīng)造成的間接損失以及政治、社會、經(jīng)濟(jì)影響等損失。但由于地震作用造成的生命損失和其它與當(dāng)時政治、社會經(jīng)濟(jì)等相關(guān)的非經(jīng)濟(jì)因素不便用費用來衡量,將上式改用決策方法處理。如不考慮生命損失和其它與當(dāng)時政治、社會經(jīng)濟(jì)等相關(guān)的非經(jīng)濟(jì)因素,只針對結(jié)構(gòu)的某項功能,則上式可近似改寫為C=c+d=最小(2)C=c+d=最小(2)式中C——項目投資,包括興建工程的全部費用及工程建成后的維護(hù)、修復(fù)費用;c——工程造價,包括人工費、材料費、施工管理等費用;d——工程結(jié)構(gòu)的維護(hù)和修復(fù)費用,指建筑遭受地震破壞后恢復(fù)使用的費用,包括結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)破壞造成的損失。就一般規(guī)律而言,工程造價的降低,將造成工程結(jié)構(gòu)破壞的可能性增加,從而加大工程結(jié)構(gòu)的維護(hù)和修復(fù)費用的支出,故存在一個總費用C的最小值。由于地震的發(fā)生以及工程結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的維護(hù)和修復(fù)費用是隨機(jī)事件,故工程結(jié)構(gòu)的維護(hù)和修復(fù)費用也是隨機(jī)變量。因此,項目投資C也是一個隨機(jī)變量,所以基于性能的抗震設(shè)計應(yīng)該以可靠度理論為基礎(chǔ)。將式(2)采用概率方法計算。一般取數(shù)學(xué)期望,即E(C)=c+E(d)(3)E(C)=c+E(d)(3)式中E(C),E(d)分別表示項目投資C和工程結(jié)構(gòu)的總的維護(hù)和修復(fù)費用的數(shù)學(xué)期望。在結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)周期T內(nèi)發(fā)生某一地震y的概率密度為fy,維護(hù)和修復(fù)由地震所造成的建筑損壞所需費用為Ry,該建筑所處場地可能發(fā)生的最大地震為ymax,則E(d)=∫ymax0fyRydy(4)在上述分析中,按不同的地震作用水準(zhǔn)評價Ry是問題的關(guān)鍵,由于地震的隨機(jī)性所造成的結(jié)構(gòu)破壞變異性較大,結(jié)構(gòu)失效模式的復(fù)雜性,結(jié)構(gòu)體系可靠度的概念還不很明確,且地震所造成的非結(jié)構(gòu)損失所占總損失的比例越來越大。因此,Ry的確定需要進(jìn)一步的研究,目前尚難直接應(yīng)用到工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中。FEMA提出的設(shè)防性能目標(biāo)是按地震作用水準(zhǔn)和建筑性能水準(zhǔn)來確定建筑抗震性能目標(biāo),根據(jù)表1可產(chǎn)生3個組合的抗震設(shè)防性能目標(biāo)。第一組基本目標(biāo)為表中1,2,3,4項組合,對于只有一般使用要求的建筑應(yīng)具備的最基本的性能目標(biāo);第二組重要性較高或地震破壞后危險性較大的性能目標(biāo)為表中5,6,7項組合;第三組危險的特殊性能目標(biāo)為表中8,9,10項組合。對于性能目標(biāo)的確定方法,有不少學(xué)者提出了不同的研究方法,見參考文獻(xiàn)。3設(shè)計理念和目標(biāo)基于性能的抗震設(shè)計方法自提出以來,在國內(nèi)外都受到廣泛重視和研究,對基于性能的抗震設(shè)計的主要理念和目標(biāo),學(xué)術(shù)界也基本形成一致的認(rèn)識。但是怎樣把基于性能的抗震設(shè)計思想合理并且簡單有效地應(yīng)用到實際設(shè)計中,目前尚無統(tǒng)一方法和標(biāo)準(zhǔn)。概括起來,基于性能的抗震設(shè)計方法主要有承載能力設(shè)計方法、直接基于位移進(jìn)行抗震設(shè)計方法、能量設(shè)計法。3.1設(shè)計時的作用這是我國規(guī)范現(xiàn)階段采用的設(shè)計方法,對于常遇地震,利用反應(yīng)譜計算底部剪力,然后按一定規(guī)則分配至結(jié)構(gòu)全高并與其它荷載組合,進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計,使結(jié)構(gòu)各部分都具有足夠的承載能力,然后再進(jìn)行變形驗算。承載能力設(shè)計方法的優(yōu)點是為設(shè)計人員所熟悉,并易于使用,性能概念清楚,細(xì)部設(shè)計可靠,通過非線性靜力分析(push-overanalysis)驗算,進(jìn)一步增強(qiáng)了對結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)的控制,可以更好地達(dá)到預(yù)期性能目標(biāo)。缺點是該方法基于彈性反應(yīng),對于非彈性反應(yīng)僅用與結(jié)構(gòu)類型有關(guān)的系數(shù)加以折減,表面上它控制整個性能目標(biāo),實際上卻只是保證了一種性能目標(biāo)。3.2結(jié)構(gòu)體系內(nèi)位移控制該方法采用結(jié)構(gòu)位移作為結(jié)構(gòu)性能指標(biāo),與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比,基于位移的抗震設(shè)計方法從根本上改變了設(shè)計過程。主要的不同是,該方法用位移作為整個抗震設(shè)計過程的起點,假定位移或?qū)娱g位移是結(jié)構(gòu)抗震性能的控制因素。設(shè)計時用位移控制,通過設(shè)計位移譜得出在此位移時的結(jié)構(gòu)有效周期,求出此時結(jié)構(gòu)的基底剪力,進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,并且進(jìn)行具體配筋設(shè)計。設(shè)計后用應(yīng)力驗算,不足的時候用增大剛度而不是強(qiáng)度的方法來改進(jìn),以位移目標(biāo)為基準(zhǔn)來配置結(jié)構(gòu)構(gòu)件。該法考慮了位移在抗震性能中的重要地位,可以在設(shè)計初始就明確設(shè)計的結(jié)構(gòu)性能水平,并且使設(shè)計的結(jié)構(gòu)性能正好達(dá)到目標(biāo)性能水平,是性能設(shè)計理論中很有前途的一種方法。但應(yīng)用于多自由度體系、多種結(jié)構(gòu)類型等時,還需要做更多的研究。3.3結(jié)構(gòu)物所消耗的能量假設(shè)結(jié)構(gòu)破壞的原因是地震輸入的總能量,地震對結(jié)構(gòu)物及其內(nèi)部設(shè)施的破壞是由其輸入的能量與結(jié)構(gòu)物所消耗的能量共同決定的。能量設(shè)計法的優(yōu)點就在于,能夠直接估計結(jié)構(gòu)的潛在破壞程度,對結(jié)構(gòu)的滯回特性以及結(jié)構(gòu)的非線性要求概念清楚。另外,耗能元件的設(shè)置可以更好地控制損失。缺點在于應(yīng)用方法不夠簡化,不確定因素較多。4承載能力設(shè)計方法盡管基于性能的抗震設(shè)計研究已取得一定成果,但鑒于基于性能的抗震設(shè)計的復(fù)雜性以及人們認(rèn)識的局限性,我們還不能夠完全依靠計算設(shè)計來確保結(jié)構(gòu)安全可靠。所以,結(jié)構(gòu)概念設(shè)計和細(xì)部構(gòu)造設(shè)計對于目前抗震設(shè)計方法和未來基于性能抗震設(shè)計仍將是很重要的組成部分。綜上所述,基于性能的混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計,可考慮應(yīng)用承載能力設(shè)計方法的優(yōu)點,結(jié)合基于性能的抗震設(shè)計的理念來進(jìn)行設(shè)計。(1)首先將混凝土結(jié)構(gòu)目標(biāo)性能水準(zhǔn)劃分為多個水準(zhǔn)(4～5個),明確和細(xì)分其量化指標(biāo),結(jié)構(gòu)目標(biāo)性能水準(zhǔn)既要考慮結(jié)構(gòu)初期投資,還要考慮未來可能遭受的地震損失等綜合因素,采用可靠度理論和優(yōu)化思想來確定。(2)加強(qiáng)概念設(shè)計進(jìn)行結(jié)構(gòu)的宏觀設(shè)計控制,即在設(shè)計全過程中重視結(jié)構(gòu)的規(guī)則性,合理選擇結(jié)構(gòu)體系,保證結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性。(3)考慮多級水準(zhǔn)地震作用下強(qiáng)度設(shè)計,以此來體現(xiàn)結(jié)構(gòu)建設(shè)初期的投資。(4)采用變形指標(biāo)對結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行評估,控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水平,以此來評估未來可能遭受的地震損失等綜合因素,最終使結(jié)構(gòu)在整個生命周期中的費用達(dá)到最小。這樣使整個設(shè)計具有定性、定量、準(zhǔn)確