基于性能的抗震設計理論

一、結構抗震設計理論當前建筑結構的抗洪設計參考為“小地震不得分”、“中震不修復”和“大地震不傾倒”。也就是說，為了滿足截面荷載的要求，確?！靶〉卣鸩坏梅帧?，采用非線性反應法計算變形條件，實現“大地震不波動”，增強截面和構件的延伸性。達到“中震可以修復”?，F行抗震規范的這種設計思想在建筑結構的設計實踐中遇到了很大的困難,首先是“大震”作用下建筑結構的變形驗算基本上沒有進行,原因是缺乏有說服力的結構非線性地震反應分析方法;其次是“小震”作用下建筑結構線性地震反應分析方法要么過于粗糙、簡單,要么過于復雜、耗時,有的甚至無法進行精確分析;而現行的高層建筑結構的抗震構造措施過于強調提高截面構件的延性,缺乏提高整體結構抗震性能的有效構造措施。近十幾年來,國外中、強地震震害表明,依此種設計思想設計的建筑結構倒塌的極少,可以說能基本保證生命安全,但其財產損失往往超過了社會和業主所能承受的范圍。社會和業主希望能震前預知結構可能的損失,更希望能按照其意圖制定并實現結構的抗震性能目標?；诂F有建筑結構抗震設計規范的缺陷及存在的問題,為了更好地滿足社會和公眾對結構抗震性能的多種需求,美國聯邦緊急救援署(FEMA)和國家自然科學基金會(NSF)資助開展了一項為期6年的行動計劃,對未來的抗震設計進行了多方面的基礎性研究,提出了基于性能的抗震設計理論,包括設計理論的框架、性能水準的定性與定量描述、結構非線性分析方法。日本、新西蘭、歐共體、加拿大、澳大利亞相繼開展了基于性能的結構抗震設計理論的研究。2000年11月15日,這些國家的地震工程研究人員匯集日本國土交通省建筑研究所,就基于性能的結構抗震設計理論的概念性框架、荷載與反應、抗震設計等主要內容進行了學術交流?？梢钥隙ǖ卣f,基于性能的結構抗震設計理論已成為這些國家地震工程研究的熱門課題。我國在該領域的研究是近幾年的事,主要集中在如何消化國外研究成果,這在新的《建筑結構抗震設計規范》中得到了一定程度的體現。我國工程抗震界普遍認為,中國21世紀的抗震設計規范應順應國際發展,發展適合國情的基于性能的結構抗震設計理論。二、性能設計總框圖與傳統的結構抗震設計相比,基于性能的結構抗震設計在內容和形式上有了實質性變化,幾乎每個從事性能設計研究的國家都構造了這種最新抗震設計的理論框架,盡管細節存在差異,但基本內容相同,圖1是本文給出的性能設計總框圖。從設計流程圖來看,基于性能的結構抗震設計涉及工程地震、巖土工程、結構工程、建筑學及社會經濟等諸多科學,每一個過程均涉及了一個廣泛的研究領域,基于性能設計的挑戰在于要明確每一個過程的關鍵技術,并展開研究,在不斷的探索與進步中使基于性能的設計更加接近現實。三、性能目標測試性能目標是社會和業主期望的結構性能,應包括兩方面內容,即地震動性能指標和在確定地震地面運動作用下結構抗震的性能目標。圖2是美國加州結構工程學會放眼21世紀委員會(Vision2000CommitteeSEAOC(1995))給出的性能目標。圖3是本文給出的性能目標詳圖。它表明傳統的地震危險性概率分析方法仍然是地震動性能劃分的有力工具,但已不是單一用途的地震危險性分析方法,多種用途的危險性分析才能適應這種設計方法的要求。而對各種梁、柱、墻構件乃至整體結構實驗結果及震害調查結果的定性定量分類,用強大的數據庫進行綜合非常必要,這種數據庫甚至可提供構件及結構性能標準的圖形形式。四、結構綜合抗震能力基概念設計是對結構總體方案、設計策略和結構構造進行定性的引導,以提高結構綜合抗震能力。而基于性能的結構抗震概念設計強調以性能目標為基礎,對什么樣的性能目標,就應采用什么樣的概念設計,但概念設計的內容大致相同,圖4列出了其詳細的情況。五、結構設計流程結構設計就是確定結構體系、非結構體系的各種幾何參數與詳細構造,保證整體結構在未來的地震作用下可以達到預期的性能目標?；谛阅艿母邔咏ㄖY構抗震設計,以能量或變形為指標進行結構及構件設計。圖5是其流程圖。在結構設計過程中,結構抗震計算方法極為關鍵。由于結構設計存在多性能目標,結構的線性與非線性計算方法在設計中都會得到應用,為了適應基于性能設計的需要,結構設計計算方法應具備如下特點:1)一目了然,以便設計人員能針對設計問題的概念公式勾劃數量上的解答;2)靈活多變,以便設計人員能針對不同設計目標和結構體系得到合理的數值分析結果;3)簡潔實用,使設計人員能在初步設計階段方便地改進或完善最初的概念設計,同時在最終設計中行之有效。結構設計計算的基本內容應以結構和構件的能量、變形反應為主要目標,精確方法與實用方法并重。圖6是結構設計計算相應的框圖。六、高層建筑結構體系地震性能評價結構性能的抗震安全評價是指在確定的地震動性能指標下,結構在剛度、強度、最大及累積變形能力方面所具備的抗震安全程度的估計。從目前的工程應用情況來看,確定性結構性能評價更為可行,性能評價準則應依據結構體系的不同而有所選擇。由于地震發生在時間、地點和強度方面的隨機性,從理論上說,采用概率可靠度性能評價是更為合理的,但對于高層建筑結構體系,概率可靠度性能評價方法難以有效地實施,這不僅是因為性能評價指標的隨機性難以界定,更重要的是高層建筑結構的隨機地震反應分析計算存在巨大的技術困難。圖7是其性能評價的框圖?？梢钥隙ǖ卣f,結構的抗震性能評價應當是一個多層次的綜合評價,其實施過程可以分為兩步,即首先對梁、柱、墻、節點的抗震性能進行評價,然后對結構的整體抗震性能進行綜合評價,因此構件與結構抗震性能之間的關系有必要明確。七、結構抗震劑的結構體系設計要真正實現基于性能的結構抗震設計,探索有效的結構抗震性能控制措施是必要的,從目前情況來看,結構抗震控制主要分設備控震、結構自控兩種,如圖8所示。從工程應用的角度來看,結構自控即結構抗震自適應能力更為重要。本文認為,對于高層建筑而言,一些重要性構件(如高層建筑中的剪力墻)不能作為耗能裝置,因為這些構件的修復及加固較為困難,如設置為耗能裝置,在“小震”作用下就可能出現破損,在“中震”作用下就可能進入難以修理的不利局面。主從抗震控制結構及國外新近出現的鋼梁-混凝土柱組合結構等新型耗能結構值得推薦。八、基于性能的抗震設計理論在結構設計前,社會及業主一般對結構有經濟指標的要求或限定,事實上,任何一種結構設計理論都是以達到最佳社會效益和經濟指標為目的,基于性能的抗震設計理論也不例外。問題的關鍵是針對以地震損失估計、費用-效益分析、社會反應估計為內容的結構抗震性能的社會效益、經濟指標的評價方法的科學性、全面程度如何。九、結構體系設計的精細(1)基于性能的建筑抗震設計的主要特點是由社會、公眾選擇結構性能目標,由設計人員盡可能地實現這些性能目標。與傳統的基于承載力的抗震設計方法相比,它更加精細,更具可預