基于性能的抗震设计研究现状与发展

边 江 王建宁

（1、重庆大学土木工程学院，重庆 400045 2、陕西省建筑设计研究院，陕西 西安 710003）

1 前言

随着现代社会经济的飞速发展，城市的规模不断扩大，现代化进程加快，但是由于地震的不可预测性和抗震设计的局限性，由地震给人类带来的生命和财产损失也越来越严重。如1993年印度得干高原凯拉里镇发生M6.4级地震,使地震区内10个乡村变为废墟，死亡和失踪者近3万人，1996年2月3日在中国云南丽江，中缅交界处发生M7.0级地震，死亡286人，直接经济损失5.2亿美元，1997年5月10日伊朗呼罗珊省发生M7.3级地震，死亡1567人，2300人受伤，经济损失约5亿美元，由此可见，地震给人类带来的危害是十分巨大的，所以控制震害的破坏程度和范围就要引起我们抗震设计足够的重视。

2 结构抗震理论的发展阶段与存在的问题

静力理论阶段：最初，在未考虑结构弹性动力特征的情况下，也无详细的地震作用记录统计资料的条件下，人们认为，结构物所受的地震作用可以等效于在其上施加一个水平作用，其大小与结构的特性无关，根据经验取自重的0.1倍。

反应谱理论阶段：1940年美国的Biot教授提出了弹性反应谱的概念，反应谱是单自由弹性体系在获取的众多地震记录的激励下，结构周期与响应之间的关系，包括加速度反应谱、速度反应谱、位移反应谱。

动力理论阶段：随着对地震动认识和理解的不断加深，认识到反应谱的一些不足，如对地震动持时的影响考虑不周，再加上计算机性能的提高，使得动力法逐渐发展起来了，它的本质直接求解动力方程，但是由于地震时地面运动加速度极不规则，对于微分方程无法求出它的闭合解，因此多采用数值积分法。

3 基于性能的抗震设计理论的提出和研究

上世纪九十年代的几次地震灾害发生后，许多地震工程学者意识到再单纯强调在地震作用下结构不严重破坏和不倒塌，已不是一种完善的抗震思想，不能适应现代工程结构抗震需求，结构的抗震设计应系统考虑地震设防标准、结构的抗震性能和经济性能。因此,20世纪90年代初期美国的一些科学家和工程师首先提出了基于结构性能（PBSD)的抗震设计理论。基于性能的抗震设计是从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡，它根据建筑物的用途，特性的不同和业主的一定要求确定其性能目标，从而提出不同的抗震设防水准，使建筑物在未来的不同抗震等级地震作用下达到预期的抗震目标。在业主和设计人员的共同参与下，通过多目标，多层次的抗震安全设计，使得结构在未来的地震中遭受的损失是社会和业主所能承受的。

4 抗震性能水准的确定

结构性能水准的确定以及地震灾害的定义属于基于性能的抗震设计中的一个基本问题。 抗震性能水准的定义有多种方式，但是基本内容都差不多，即指一种对于每一级设防水准的设计地震所需要的结构性能水准。主要用于对结构易损性、结构功能性和建筑物内人员安全情况进行描述。我国目前使用的三水准：小震不坏，中震可修，大震不倒。

5 抗震性能目标的确定

抗震设防目标指的是针对某一地震设防等级而期望结构达到的结构性能水准。在选择性能目标时，我们要综合考虑许多因素如：场地特征、结构功能与重要性、投资与效益、震后损失与恢复重建、潜在的历史与文化价值、社会效益及业主的承受能力等。从设计到施工的整个过程都必须遵守相应的规范标准。美国学者建议将结构抗震性能目标分为3个等级，即基本设防目标、重要设防目标、特别设防目标。

6 基于性能的抗震设计方法研究

基于性能的抗震设计概念（Performance-Based Seismic Design,PBSD）由美国加州大学伯克利分校J.P.Moehle率先提出。他提出基于位移的抗震设计要求进行结构分析，使结构的塑性变形能力满足在预定的地震作用下的变形要求，即控制结构在大震作用下层间位移角限值。但是怎么把基于性能的抗震设计思想合理并且简单有效的运用到实际的结构设计中，目前还没有找到统一的方法。现在，基于性能的抗震设计方法大致分为三类：直接基于位移的抗震设计方法、能量设计方法。

6.1 直接基于位移的抗震设计方法

直接基于位移的抗震设计根据在一定水准地震作用下预期的位移计算地震作用，进行结构设计，以使构件达到预期的变形，结构达到预期的位移。该方法采用结构位移作为结构性能指标，与传统设计方法相比，基于位移的抗震设计方法从根本上改变了设计过程。主要不同的是，该方法用位移作为整个抗震设计过程的起点，假定位移或层间位移是结构抗震性能控制因素。设计时用位移控制，通过设计位移谱得出在此位移时的结构有效周期，求出此时结构的基底剪力，进行结构分析，并且进行具体配筋设计，设计后用应力验算，不足的时候用增大刚度而不是强度的方法来飞改进，以位移目标为基准来配置结构构件。该法考虑了位移在抗震性能中的重要地位，可以在结构设计初始就明确设计的结构性能水平，并且使设计的结构性能正好达到目标性能水平，是性能设计理论中很有前途的一种方法。但运用多自由度体系、多种结构类型等时，还需要做更多研究。

6.2 能量法

能量设计法的基本思想：假设结构破坏的原因是地震输入的总能量，结构物及其内部设施的破坏是由其输入的能量与结构物所消耗的能量共同决定的。通过控制结构的耗能能力，达到控制整个结构抗震性能的目的。能量设计法的优点在于能够直接估计结构的潜在破坏程度，可以很好的证明结构耗能构件对结构抗震性能所起的作用。另外，耗能构件的设置可以更好的控制损失，缺点在于运用方法不够简化，不确定因素较多。

7 结语

基于性能的抗震设计，是结构抗震设计方法的一种发展趋势，在国际上得到广泛的认可。业主可以自由的选择结构的性能，使设计的结构更直接的满足不同使用者的要求，为设计人员提供了灵活的设计空间。但是由于这方面的研究才刚刚起步，还存在着许多需要解决的问题，如抗震性能水准和性能指标量化的确定、可靠度理论中不确定因素的考虑，计算模型和设置参数的准确性、精确的结构弹塑性分析等都需要更加深入的研究，相信在不久的将来，基于性能的抗震设计将会得到广泛的运用。

[1]小古俊介.日本基于性能结构抗震设计方法的发展[J].建筑结构，Vol.30(6):3-9,2000

[2]谢礼立.抗震性态和基于性态的抗震设防[C].国家自然学基科金"九五"重大项目--大型复杂结构的关键科学问题及设计理论研究论文集.大连理工大学出版社，1999

[3]杨溥.基于位移的结构地震反应分析方法研究[D].重庆建筑大学学位论文(指导教师：赖明，王亚勇),1999

[4]American SocietyofCivilEngineers.ASCE 41,2006,Seismic rehabilitation ofbuildings[S]

[5]吕西林等.建筑结构抗震变形验算[J].建筑科学，2002，18(l).

[6]杨松涛等.地震位移反应谱特性的研究[J].建筑结构，2002，32(5).