基于性能的抗震设计

基于性能的抗震设计

刘强刘晓伟

空军广州工程设计室广东省广州市510000

摘要：本文在分析现行抗震设计方法存在的局限性的基础上，重点阐述了如何在超限建筑的抗震设计中采用基于性能的抗震设计方法，提出结构的抗震性能目标、基于性能抗震设计的主要方法步骤.

关键词：超限建筑；抗震设计；基于性能设计

1前言

汶川地震和海地地震使人们再次看到抗震结构设计的重要性，如何提高提高抗震性能又保证经济效益，是我们面临的一大问题。随着经济水平的提高，我国的超限高层建筑工程越来越多。这些工程在房屋高度、规则性等方面都不同程度地超过现行标准规范的适用范围，如何进行抗震设计缺少明确具体的目标、依据和手段，按照《全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会抗震设防专项审查办法》和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》等的要求，需要根据具体工程实际的情况，进行分析、研究，必要时还要进行试验，从而确实采取比标准规范更加有效的抗震措施，设计者的论证还需要超限审查，以期保证结构的抗震安全性能，这就提出了基于性能的抗震设计。

2传统的抗震设计方法局限性

按我国抗震规范进行抗震设计的建筑，其抗震设防目标是：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用，当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用，当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏，即“小震不坏,中震可修,大震不倒”的多级设计思想,但其实质是以保证人的生命安全为原则的一级设计理论。其设计方法采用：小震不坏采用结构线弹性验算；中震可修及大震不倒采用加强结构构造措施及薄

弱层弹塑性验算。这样设计的建筑物可以避免主体结构倒塌而保证人的生命,但地震所造成的正常使用功能的丧失和巨大的社会经济损失,很可能会大大超出社会和业主可接受的程度。纵观现行抗震理论和设计方法中存在的问题,可总结如下①对损失的控制不力,对业主的要求难以满足②结构性能概念不明确,设计透明度小③结构性能标准缺乏灵活性④结构性能目标实现过程的误区。

3基于性能的抗震设计PBSD(PerformBasedSeismicDesign)

3.1概念

近年来,地震工程学者从不同的角度致力于抗震设计理论与方法的完善,其中最引人注目的进展是以结构性能评价为基础的抗震设计理论(Performance2basedSeismicDesignTheory)和基于结构性能的地震工程学(Performance2basedSeismicEngineering)

美国ATC-40对PBSD的定义为“基于性能的抗震设计是指结构的设计准则由一系列可以实现的结构性能目标来表示,主要针对钢筋混凝土结构并且建议采用基于能力谱的设计原理”。显然,ATC-40建议使用能力谱方法对钢筋混凝土结构进行抗震设计。

美国ASCE-41SEI对PBSD的定义为基于不同设防水准地震作用,达到不同的性能目标。在分析和设计中采用弹性静力和弹塑性时程分析来实现一系列的性能水准,并且建议采用建筑物层间变形及构件变形来定义结构和非结构构件的性能水准,不同的结构形式采用不同的性能水准。而且ASCE-41SEI利用随机地震动概念提出了许多种性能目标.适合于多级性能水准结构的分析与设计方法从线性静力延伸到弹塑性时程分析。

基于性能的抗震设计是建筑结构抗震设计的一个新的重要发展，使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡，业主设计者可选择所需的性能目标，提出满足性能要求的方案论证（结构体系、详细分析、必要的试验、抗震措施）来通过专门评估。

3.2性能目标

建筑物抗震设计的性能目标指某一设定地震地面运动(如在给定年限内超越概率63％、10％和2％～3％的小震、中震和大震)下建筑的预期性能水准。根据图1及图2，可把结构的性能水平分为以下四个阶段：

充分运行阶段（OPerational，简称OP）

基本运行（ImmediateOccupancy，简称IO）

生命安全（LifeSafety，简称LS）

接近倒塌（CollapsePrevention，简称CP）

3.3分析方法

①小震弹性

②中震弹性，通过设定内力调整参数及组合系数，采用弹性分析程序对结构时行设计；

③大震静力弹塑性，又称Push-over方法，建立弹塑性模型，施加竖向荷载后作为初始状态，按一定荷载分布形式施加水平荷载，在水平位移控制下推覆结构，从而得到薄弱层和能力需求曲线交点(能力点）。

④大震动力弹塑性，建立弹塑性模型，在施加竖向荷载后作为初始状态，对结构施加地震波，进行时程分析后可得结构的内力及变形响应。基于性能的设计方法的关键在于结构弹塑性分析方法，而基于纤维模型的弹塑性时程分析方法是目前最可靠且效率高的方法之一，但塑性动力时程分析能比较准确而完整地得出结构在罕遇地震下的反应全过程，但计算分析工作繁琐，且计算结果受到所选用地震波以及构件恢复力和屈服模型的影响较大，在设计重要高层建筑结构采用该法时，要尽量使构件恢复力模型符合构件的实际特性。在这里还要提一下时程分析法中选取地震波的问题：时程曲线从地方地震设计部门提供的人工模拟曲线及实际记录时程曲线中挑选。这些时程曲线分析后得到的小震下（63%超越概率）的基底剪力与规范振型反应谱产生的小震下的基底剪力作了比较，发现满足规JGJ3-2002Section3.3.5的要求，即单个时程分析计算基底剪力结果应大于反应谱法结果的65%，时程分析的基底剪力结果的平均值应大于反应谱法结果的85%。

结语

1.基于性能基于性能的抗震设计是国际上一种发展趋的抗震设计是国际上一种发展趋势，超限高层结构设计采用基于性能的抗震设计理念和方法是可行的，有利于技术进步和创新。基于性能的抗震设计理论可完善简化的规范设计、为规范设计的不同性能水准提供一个有效的选择、改进已有建筑的评估和翻新、改进和完善区域损失估算、提高历史地震勘察的适用性、提高地震工程研究的效率等

2.要不断总结震害经验，针对新结构、新技术进行试验和理论研究，对计算方法要不断改进完善。

参考文献

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[2]超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点2OO3，3建设部.

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[6]林皋.第十届世界地震工程会议的回顾与展望[J].世界地震工程,1993(3):9-18

[7]ATCAOSeismicEvaluationandRetrofitofConcteteBuildings[R]．AppliedTechnologyCouncil，1996.

[8]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2OO2)[S]．中国建筑工业出版