基于性能的結構抗震設計概念的句認識與應用

何小銀

(四川省建筑設計院  四川成都610017)

    現行的《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》對結構性能目標提出了要求，這標志著在我國基于性能的抗震設計(pmfnmnceed Seismic Drsign，以下簡稱 PBSD)思想，正在從研究領域逐步擴展到設計領域，是結構工程師應該盡陜熟悉、掌握的一種設計思想和方法。

1.PBSD概念認識

    通過不斷的研究和實踐，人們基本掌握了結構的抗震設計方法，能夠達到原來預定的抗震設防目標。然而，上個世紀90年代發生在一些發達國家和地區的地震災害，雖然避免了因房屋倒塌而導致大量人員傷亡，但是一些設備和裝修投資很高的建筑物，卻因結構損傷和變形過大而造成了巨大的經濟損失。這種現象使得人們意識到，在現代化克分發展的今天，再單純強調結構在地震中不嚴重破壞和不倒塌，已不是一種完善的抗震思想，不能適應現代工程結構抗震的需要。在這樣的背景下，美國和日本學者提出丁PBSD理念。

    PBSD的基本思想，就是要使設計出來的結構在未來的地震發生時，能夠達到各種選定的性能目標，包括結構進入非彈性階段后損傷控制目標。關于結構進入非彈性階段后，結構性態的分析一直是抗震設計的難點和薄弱環節，PBSD理念的提出，促使人們更加注重對結構非彈性地震反應的分析計算。

    PBSD的基礎和蓋鍵工作是性能目標的確定，它包括設定地震水準、定義性能水準和選擇性能目標。

    l.l地震水準

    隨著對結構抗震能力認識的不斷深化，人們意識到有必要而且有可能對不同地震水準采取不同的設防對策，這就是多級設防的理念，地震水準的設定是將這個理念運用于工程設計的前提。

    地震是一個隨機事件，因此地震水準通常以一個基準期內的某個超越概率來表達，常被提到的重現期是超越概率的另一種表達方式。地震重現期與設計基準期L內超越概率P之間的換算關系為：

    T=-T0／ln(1-P)

    (1)世界各國的地震水準設定各不相同，一般設定為3至4個，美國有關部門的研究報告所設定的地震水準。

    我國《建筑抗震設計規范》GB 50011—2001(以下簡稱抗震規范)中設定了三個地震水準“，即“太震、中震、小震”，其50年內的超越慨率分別為2％～3％、l0％和63 2％。

    1.2性能水準

    所謂性能是指滿足預期要求的能力。所以建筑物的性能水準可以用滿足人們居住要求的能力來定義，美國和日本的一些研究報告就是以這種方法來定義的。

    然而，建筑物滿足居住要求的能力，又取決于建筑結構的破壞程度。因此，性能水準也可以理解為一種有限的破壞狀態，可以用結構破壞程度來定義。我國建設部：(90)建抗字第377號文《建筑地震破壞等級劃分標準》將建筑物遭受地震后的破壞程度，分為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和倒塌等五個等級。抗震規范在此基礎上確定了“不壞、可修不倒”的設防水準。文獻也在此基礎上提出了一個6水準方案，并給出了各自的判別準則。

    應該說，無論按滿足要求的能力還是按結構破壞程度定義的性能水準。都是宏觀的和定性的水準，還不能直接用于工程設計。

    1.3性能目標

    所謂性能目標是指建筑結構在遭遇不同的地震水準時，結構所需要達到的預期性能水準它是按照多級設防原則，由地震水準和性能水準組合而成的一個目標系列。選擇合適的性能目標，要綜合考慮建筑物的重要性、破壞產生的直接和問接經濟損失、人員傷亡以及修復的難易程度等多種因素。

2.抗震規范設計法與PBSD的主要異同

    如上所述，抗震規范對按該規范進行抗震設計的建筑，提出了三個水準的抗震設防目標，概括起來講就是：“小震不壞、中震可修、大震不倒”。這個設防目標包含了地震水準和性能水準。實際上就是一個性能目標，只不過目標單一，沒有可選擇性。因此可以說，抗震規范的設計方法已經具有了PBSD的雛形。

    但是，三個水準的實現，抗震規范是通過兩階段設計來完成的。第一階段是小震作用下的承載力驗算，第二階段是大震作用下的撣塑性變形驗算，通過第一階段設計滿足“小震不壞，中震可修”的設計要求，對大多數結構通過抗震構造措施來滿足“大震不倒；的設防要求，只有對少數特殊結構，才要求進行大震下彈塑性變形驗算。由此看出，結構進入非彈性階段后，結構的性能目標主要還是依靠概念和經驗來實現。

    所以，抗震規范的設計方法可以看成是傳統設汁方法向PBSD邁進的過渡方法。

3.PBSD工程應用

    由于對結構性能狀態的具體描述、相應的計算方法、以及設計標準目前尚未明確。因此可以說PBSD目前基本上仍停留在概念階段，在工程中廣泛應用的條件還不成熟。但是，隨著人們對建筑產品要求的提高，各種新結陶、不規則結構和超出規范適用范圍的結構會逐漸增多。在沒有規范可供遵循的條件下，采用PBSD進行這些結構的抗震設計，并通過專家論證，是一個可行，有效的設計途徑。

    以下對PBSD實際應用中性能目標設定的有關問題進行一些探討。

    3.1地震水準的設定

    “大、中、小”三水準抗震設防已被人們廣泛接受，抗震規范已有現成標準定義，通過多年的使用，已在人們的心目中形成了明確的概念，可以直接套用。

    第一水準，小震：50年內超越概率為63.2％的地震烈度，比中震低l.55度，其重現期為50年。

    第二水準，中震：50年內超越概率為10％的地震烈度，即地震基本烈度其重現期為475年，地震影響系數的最大值約為小震的2.8倍。

    第三水準，大震：50年內超越概率為2％～3％的地震烈度，即罕遇地震，當基本烈度為6、7度時分別為7度強和8度強，當基本烈度為8、9度時分別為9度弱和9度強，其重現期為2000年，地震影響系數的最大值大約為小震的4 5—6倍。

    3.2性能水準的定義

    從設計實用的觀點出發，性能水準直采用設計人員能夠掌控其物理量的結構工作狀態來定義。

    各個水準的梅造措施是根據結構耗能高低的原則選取的。從能量觀點來看，一次地震輸入到結構的能量是一定的，結掏能否抵御地震作用而不產生倒塌，主要在于結構能舌以某種形式耗散地震輸入的能量，結構的耗能能力主要與結{構的承載能力和塑性變形能力有關，承載能力較高時，塑性變形就較小，對其延性要求就可有所降低，承戟力較低時，塑性變形就會較大，對其延性的要求就較高。    上面談到的彈性設計法和不屈服設計法，目前均可采用軟件來準確實現，這里對這兩種設計法作個簡要介紹。彈性設計法：采用彈性計算法，計算時地震的最大地震影響系數按相應的地震水準取值，內力調整系數取1或參照規范取值(主動控制)，苘載分項系數和抗震調整系數按規范取，材料采用設計強度。

    不屈服設計法：采用彈性計算法，地震影響系數最大值按相應的地茬水準取值，內力調整系數取1。荷載分項系數和抗震調整系數取1，材料采用標準強度。

    3.3性能目標的選擇

    設定好地震水準和定義好性能水準后，我們可以組合戚一個個性能目標，選擇性能目標時需要確定哪些部位是重要部位或薄弱部位，設計人最可以根據工程的具體情況確定。

    在選擇性能目標時，有兩點需要注意：第一點就是對特別不規則的結構，結構或構件的塑性變形能力受到一定的制約，宜選擇具有較高承載能力的性能目標；第二點就是目前常用的彈塑性方法是彈塑性時程動力分析法和彈塑性靜力推覆法，它們各自均存在一定的不足，有待進一步改進，所以在選擇性能目標時宜適當留有余地。

4.結束語

    PBSD是比較傳統單一抗震設防目標推廣了的新理念，它給了業主和設計人員一定“自主選擇”抗震設防標準的空問。但是，對結構性能狀態的具體描述和計算、以及設計標準目前尚未明確。因此可以說基于性能抗震設計目前仍基本停留在概念階段。本文對性能水準定義和性能目標選擇所提出的建議，僅僅是一個旨在將PBSD概念運用于工程設計的嘗試和探討。

參考文獻

[1]享剛，程耿東，基于性能的結構抗震設計——理論．方法與應用 [ M]北京科學出版社．2004

[2]GBS00011—2001建筑抗震設計規范[S]

[3]徐培福，復雜高層建筑結構設計[M]北京：中國建筑工業出版社2005

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)