维普资讯 http://www.cqvip.com 四川建筑科学研究 136 Sichuan Building Science 第34卷第3期 2008年6月 基于性能抗震设计理论与实用方法 沈章春,王全凤 (华侨大学,福建泉州362021) 摘要:基于结构性能的抗震设计理论是21世纪国际结构抗震设计发展的主流。本文阐述了基于性能抗震设计理论产生的 背景和基本内容,介绍了能力谱、基于损伤性能和能量法等几种基于性能抗震设计的实用方法,以能力谱法为例,设计一个单 自由度排架结构以介绍基于性能的抗震设计过程。最后,进行了简单的综述。 关键词:抗震设计;结构;性能水准;性能目标;地震设防水准 中图分类号:P315.0 文献标识码:A 文章编号:1008—1933(2008)03—136—05 Theory and practical method of performance-based seismic design SHEN Zhangchun,WANG Quanfeng (Huaqiao University,Quanzhou 362021,China) Abstract:The theory of performance-based seismic design is the mainstream in the wodd in 2 1 st century.The background of its occurrence and the basic idea are summarized in this paper,and introduced seismic design on capacity spectrum,damage and energy performance.In order to intrdouce the process of performance-based seismic desing,a single—degree of freedom bent 8tl'uCtlll ̄Was desinged with the method capaciyt spectrum.Simple overview is showed in the end. Key words:seismic desing;sturcture;eprformance level;perfomrance objective;seismic fortiifcation level 1 基于性能的抗震设计理论的提出 经济损失亦达200亿美元;1995年日本阪神大地 震,震级为M7.1,死亡5500多人,造成的经济损失 在建筑物的使用期内,罕遇地震极少发生。把 高达1000亿美元,震后的恢复重建工作花费两年多 建筑物设计成能抵御这种极端的地震使之不发生破 时间,耗资近1000亿美元。结合实际震害对这一理 坏是完全可以做得到的,但这样做是极不经济而又 论进行反思,现行抗震设计的理论和方法已无法满 不必要的。因此,抗震设计的思想经多年的演变就 足人们对结构抗震功能的深层次要求。为此,近年 形成一种理念:经抗震设计的绝大多数建筑物在遇 来各国学者纷纷关注如何更好地强化结构抗震的安 到破坏性地震时,容许其出现一定的破坏,但房屋不 全目标和提高结构抗震的功能要求,提出了基于性 致倒塌以确保生命安全,这就成为工程结构抗震的 能的抗震设计理论(performance—based seismic de. 一个重要任务,而且已经作为一种传统的设计思想 sign)。基于陛能的抗震设计是以结构抗震性能分 并付诸实践。然而,近些年来,在许多现代化大城市 析为基础,根据建筑物的重要性和用途及业主的要 的地震中,绝大多数建筑物可以不倒塌基本保证了 求(或设计者向业主推荐)确定其性能目标,根据性 人的生命安全,却不能在大震甚至中小地震中有效 能目标提出抗震设防标准,使建筑在各种地震作用 地控制地震破坏所造成的直接和间接经济损失,而 下的损失是业主所选择并能承受的,也是经过费校 这种破坏和损失往往超出了设计者的预料,超过了 分析后的最优效果。目前,普遍认为比较明确提出 社会和业主所能承受的范围。例如,1989年美国加 基于性能抗震设计的是20世纪90年代初的美国学 州Loma Pfiem地震的震级为M7.1,伤亡数百人,而 者 。在经历了1994年美国(Northridge)和1995 造成的经济损失达150亿美元;1994年美国 年13本(阪神)地震后,巨大的财产损失使得社会和 Northridge地震,震级为M6.7,伤亡数百人,造成的 学者们看到了性能设计的重要性并随即展开了广泛 的研究。 收稿日期:2006—10-23 自基于性能的抗震设计理论提出以来,世界各 作者简介:沈章春(1981一),男,湖北广水人,硕士研究生,主要从事 工程结构抗震与防灾研究。 国都投入了大量的人力物力,积极开展这方面的研 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50578066) 究工作。1995年美国加州结构工程师协会 E—mail:seanshen04@hqu.edu.1211 (SEAOC)VISION 2000委员会提出发展能够满足多 维普资讯 http://www.cqvip.com 2008No.3 沈章春,等:基于性能抗震设计理论与实用方法 137 种结构性能目标的、指导结构抗震性能设计的框 架 。1996年,美国联邦紧急救援署(FEMA)提出 了一系列性能目标以及达到这些目标的设计和分析 震水平是按不同强度地震重现期或超越概率来表示 的。放眼21世纪委员会(Vision 2000)建议设防地 震等级见表1。 方法 。此外,对PBSD的研究成果已经纳入美国 大学本科生和研究生的结构抗震设计课程教学工作 中。1996年3月,日本宣布建筑标准法将按照 基于陛能要求修订,以达到国际一体化要求,并于 1998年修订建筑标准法 J。1999年8月,建筑标准 法的强制执行令的技术条款进入最后修订阶段。 2000年6月,日本《建筑标准法》中提出了基于性能 抗震设计的框架。 我国基于性能的抗震理论的研究始于2O世纪 9O年代后期。1997年12月,在广州召开的中美双 方有关抗震规范的工作会议上,与会学者就构建基 于性能抗震设计的框架展开了讨论,不久在国家自 然科学基金“九五”项目中开始立项,成立其中重大 项目“大型复杂结构的关键科学问题及设计理论” 中的子课题——“基于抗震性态的设防标准”,并展 开了基于性能的抗震设防标准的研究。1999年1O 月,在清华大学举行了“International Seminar on New Seismic Design Methodologies for Tall Buidings”研讨 会,与会学者对基于性能的结构抗震设计进行了广 泛的交流和讨论。近几年来,我国学者不断深入研 究,取得了一系列科研成果。 2基于性能的抗震设计理论 基于性能的抗震设计要实现以下内容 J:(1) 研究不同性能水准的定义,建立结构设计完成后评 估其性能的程序和方法;(2)建立基于性能的规范 框架,以适应和推动新型材料、施工方法和设计理论 的应用,增加设计和工程建设中的自由度;(3)形成 一个现代社会体系,使基于性能的抗震设计更好地 发挥作用,这一体系包括结构工程师资格认定、建筑 审批条款和建筑发生意外时设计者的保险体系等。 为了实现以上目标,首先要完成第一项内容,也 就是确定地震设防水准和结构抗震性能水准。 2.1地震设防水平 基于性能抗震设计理论的实质就是要控制结构 在未来可能发生的地震作用下的抗震性能。地震设 防水平是指未来可能施加于结构的地震作用的大 小。由于地震设防水平直接关系到未来结构的抗震 能力,因此,地震设防水准的选择在基于性能抗震设 计的理论中占有重要地位。对于基于性能的抗震设 计,为实现多级抗震设防水平,控制不同地震作用下 结构的破坏状态,就要细化地震设防水平。设防地 表1 Vision 2000设防地震等级的划分 Table 1 Classiifcation of seismic fortiifcation 2.2结构抗震性能水平 结构的抗震性能水准是指建筑物在某一特定设 防地震等级下预期破坏的最大程度。结构抗震性能 水平应包括安全性、适用性和完整性。实际震害表 明,在以生命安全为单一设防水准指导下设计的建 筑,尽管可以避免倒塌保证生命安全,但由于结构损 坏及各相关构件及设施的功能丧失带来的直接或间 接的经济损失却不可估量。基于性能的抗震设计趋 势是将结构构件、非结构构件、内部设施、装修等多 种因素考虑进去,由此划分的抗震性能水准要更具 体细致,使人们的选择范围更灵活。基于性能的抗 震研究,可以划分为4个性能水准(表2)。 表2结构抗震性能水平的划分 Table 2 Classiifcation of seismic perform,nee level 2.3结构抗震性能目标 结构抗震性能目标是针对某一地震设防水准而 期望达到的抗震性能等级。抗震设防目标的建立需 要综合考虑场地特征、结构功能与重要性、投资与效 益、震后损失与恢复重建、潜在的历史或文化价值、 社会效益及业主的承受能力等诸多因素。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 维普资讯 http://www.cqvip.com 138 四川建筑科学研究 第34卷 防目标、重要设防目标、特别设防目标。结构的设 防目标与设防地震等级、抗震性能等级的关系如图 l所示。业主可综合结构功能和重要性、实际需要、 投资能力及自己要求等因素选择不低于图中所示设 地震反应谱转化为加速度位移关系的需求谱,把能 力谱和需求谱放在同一坐标系中相比较,来评价结 构的抗震性能。首先,通过静力弹塑性分析(push— over)得到单调增加水平荷载作用下的结构底部剪 防目标。 常遇 l (43年) \ 一基本设防目●重要设防目标 偶遇 (72年 \ \ ★特殊t 防目标 罕遇 (475年 \ \ \ 极罕遇 (970年 。\ \ \ 水准1 水准2 水准3 .水准4 图1设防目标与抗震设防等级、抗震性能等级的关系 rig.1 The relation among fortification R...|。m..—g—seismic fortifiaction levels and seismic performance levels 在进行性能设计研究时,为了达到这些性能目 标,首先要找出能够有代表性地表述这些性能目标 限值的变量,即是要求得在不同地震作用下结构的 反应性能指标,这就涉及到基于性能抗震设计的具 体方法。 3基于性能的抗震设计的方法 由于主体结构的破坏与人身安全关系最大,现 行设计理念对主体结构破坏所造成的损失是重视 的,但对非主体结构的破坏,内部设施的损坏和功能 失效等所造成的损失可能会超过主体结构本身破坏 所造成的损失,超过社会和业主所能承受的范围。 真正实现基于不同抗震设防水准的多级设计,控制 在不同设防地震下主体结构的安全性和非主体结构 的破坏程度,关键是如何选择结构设计参数。结构 的抗震性能是多因素综合作用的结果,实现某一抗 震性能目标意味着要同时控制各因素,而不同的参 数对结构的承载力、变形等要求又常有不同。因此, 在进行性能设计时,需要反复验算和修改设计,直到 满足预定的设防目标。 基于性能的抗震设计方法,目前主要有基于位 移 J、损伤性能 8]、能量 和可靠度 州等方法。 3.1 基于位移的设计方法 基于位移的抗震设计方法有直接基于位移的设 计方法、延性系数设计方法及能力谱法。前两种方 法有关文献介绍较多,本文仅介绍能力谱法。 能力谱法是将静力弹塑性分析(push.over)得 到的力位移的关系曲线转换为等效单自由度体系加 速度位移关系,即能力谱曲线,并考虑结构非线性将 力 与顶点位移△的关系曲线,在将其用式(1)转 化为等效单自由度体系下结构的加速度S 和位移 S 关系曲线,即能力谱曲线。 S = Sd=△/厂 (1) 式中 ,,分别为结构第一振型的模态质量和振 型参与系数,第一振型向量按顶点向量位移为1正 则化。可采用规范加速度反应谱作为结构的地面运 动输入,用式(2)将其转化为S _S 谱曲线,即需求 谱曲线。 Sa=( )。s (2) 此需求谱曲线为弹性反应谱,需将其转化为弹 塑性需求谱,可用等效阻尼或强度折减(通过建立 强度折减系数与延性系数的关系)来考虑结构的非 线性。将能力谱曲线与弹塑性需求谱画在同一坐标 系里(图2),若两条曲线没有交点,说明结构的抗震 能力不足,需要重新调整设计参数;若两条曲线相 交,交点对应的位移即为等效单自由度体系在该地 震作用下的谱位移。将谱位移按式(1)转换为原结 构的顶点位移,根据该位移在原结构曲线上的位置, 即可确定结构在该地震作用下结构的塑性铰分布、 杆端截面的曲率等,综合检验结构的抗震能力或进 行局部调整。 (a)与等效阻尼有关的能力谱方法 Co)与延性有关的能力谱方法 图2能力谱方法 Fig.2 Capacity spectrum method 3.2基于损伤性能的设计方法 基于损伤性能的设计方法是通过控制结构损伤 指数D使结构在各级地震作用下达到其抗震性能 目标。1985年Park和Ang提出了如下钢筋混凝土 构件最大变形与累积滞变耗能线性组合的地震损伤 模型: 肚 +cu 卢怠 。 v cl (3) 式中D——结构损伤指数; ——。 构件在单调加载下的破坏极限位移; ——构件的屈服剪力; 维普资讯 http://www.cqvip.com 沈章春,等:基于性能抗震设计理论与实用方法 139 ——构件实际的地震最大变形; E ——累积滞变耗能; 构件的耗能因子,按下式计算: =(一0.447+0.073A+0.24no+0.314p )O.7 ∞ (4) 式中A——构件的剪跨比,当A<1.7时,取1.7; ——轴压比,当n0<O.2时,取0.2; p ——纵筋配筋率,当p <0.75%时,取 0.75%; p——体积配箍率,P>2%时,取2%。 口一般在0—0.85之间变化。 对于剪切型钢筋混凝土结构,模型(3)可描述 结构层的地震损伤,而结构整体的地震损伤可按如 下加权平均的公式计算(牛获涛等1991;欧进萍等 1993): n D =∑ i Di (5) l=l (n+1一 )Di ,,、 loi 式中 ——结构第i层的地震损伤值; 凡——结构层数; i——权系数。 上列各式中参数计算方法详见文献[8]。结合 表l,可将表2中4个抗震性能水准用损伤系数来 表示,即水准1对应损伤指数为0—0.2;水准2对 应损伤指数为0.2—0.4;水准3对应损伤指数为 0.4—0.6;水准4对应损伤指数为0.6—0.9;图l中 4个抗震性能水准也可以用相应的损伤指数来表 示,即对基本设防目标在常遇地震、偶遇地震、罕遇 地震、极罕遇地震作用下结构的损伤指数为0— 0.2,0.2—0.4,0.4—0.6,0.6—0.9;重要设防目标 在偶遇地震、罕遇地震、极罕遇地震作用下结构的损 伤指数为0—0.2,0.2—0.4,0.4—0.6;特别设防目 标在罕遇地震、极罕遇地震作用下结构的损伤指数 为0一O.2,0.2—0.4。由文献[8]提出的计算方法 求出地震损伤指数后,就可对结构进行验算(基本 设防目标D<0.9;重要设防目标D<0.6;特别设防 目标D<0.4),如不满足,则需重新调整结构设计参 数,重新进行验算直到满足。 3.3基于能量的设计方法 结构在遇到较大地震作用时,会产生塑性变形, 导致能量耗散。能量法是通过控制结构或构件的耗 能能力,达到控制整个结构抗震性能的目的。其优 点在于能够直接估计结构的潜在破坏程度,对结构 的滞回特性及结构的非线性要求概念清楚,其耗能 部件的设置很好地控制了损失。但是,由于结构体 系的复杂性,结构滞回耗能的计算很大程度上依赖 于构件单元恢复力模型的选取,计算比较繁琐,且具 有一定的误差。 3.4基于可靠度的设计方法 对于抗震设计,由于地震作用在时间、强度和空 间的随机性以及结构材料强度、设计和施工过程的 影响,使结构性能在地震作用下有很大的不确定性, 所以,可靠度理论可用于抗震设计处理一些不确定 因素。基于性能的抗震设计更明确了结构在各级地 震作用下的不同性能水准,更应该应用可靠度理论 进行抗震设计,以便更合理地处理这些不确定因素。 基于可靠度的抗震设计方法是考虑结构体系的可靠 度,直接采用可靠度的表达形式,将结构构件层次的 可靠度应用水平过渡到考虑不同功能要求的结构体 系可靠度水平上;采用基于可靠度的结构优化设计 方法,包括基于“投资一效益”准则的结构目标功能 水平优化决策和结构方案的优化设计。 下面,以一个简单的单自由度排架为例,用能力 谱法介绍其抗震设计过程。 高度为12 m的单层单跨排架结构,质量为 400000 kg,抗震设防烈度为8度、Ⅱ类场地,设计地 震分组为第l组,要求弹塑性位移角小于1/30,设 计过程如图3所示。 图3能力谱法设计过程 蛋'ig.3 The design process 0f capadty speetnlm method (1)目标位移为Sdl=12×1/30=O.4 m。 (2)简化能力谱,假设排架结构屈服后刚度与 弹性刚度之比为0.05,结构屈服位移为S打=O.1 m, 则结构位移延性 =0.4/0.1=4。 (3)由图4中 =4对应的非弹性需求反应谱, 从S扎作竖线与需求谱交点的横坐标为S =0.205 m/s 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 140 四川建筑科学研究 第34卷 B 5 4 3 2 l 0 图4 由规范加速度反应谱得到的需求谱 rig.4 The need spectruln form the acceleration response sl'ect咖of code (4)屈服时加速度 5ay 甬 而-0. m/s2。 (5)屈服底部剪力V= =400000×0.178= 71.2 kN,每根柱子承受的剪力V =11/2=35.6 kN 弹性刚度K=V/Sdv=71.2/0.1=712 kN/m,弹性周 期 =2订√ =2订×√ =4.7 s,屈服时每根 柱子的弯矩M =V H:35.6×12=427.2 kN・m。 (6)根据计算出的内力进行配筋,必要时可进 行适当调整。 4结 语 基于性能的抗震设计理论是一个涵盖面很广的 体系,但明确细致的结构抗震性能目标则是其核心。 综合有关文献,与目前的抗震设计理论相比。它具有 以下优点。 (1)基于性能的抗震设计理论从着眼于单体抗 震设防转向同时考虑单体工程和所相关系统的抗 震。 (2)从两种抗震设计的性能目标的对比中可以 看出,现行抗震设计的性能目标少而粗糙,基于性能 抗震设计的性能目标多而具体,因此,后者具有更强 的适应性和可操作性。另外,基于性能抗震设计的 地震设计水准连贯性也较现行抗震设计的好,实际 应用意义更大。 (3)虽然基于陛能设计理论仍对一些重要参数 设定最低容许值,如地震作用、层问位移、损伤指数 等,但给予设计者更大的灵活性,在满足规范的前提 下,设计者可选择能实现业主所要求的抗震性能目 标的设计方法与相应的结构措施,发挥了设计者的 创造性,同时,有利于新材料、新技术的应用。 (4)基于性能的抗震设计理论将抗震设计以保 障人民生命安全为基本目标转变为在不同风险水平 的地震作用下满足不同的性能目标,即将统一的设 防标准改变为满足不同性能要求的更合理的设防目 标和标准。它认为确定结构的抗震性能目标应综合 考虑投资与效益、震后损失与恢复重建、社会效益及 业主的承受能力等诸多因素,这里的抗震性能目标 是针对整个结构体系的。 性能的抗震设计理论已成为未来国际结构抗震 设计发展的主流。它在继承的基础上以概念化的形 式发展了传统的设计思想并形成体系,从而为其自 身的完善指明了方向。在基于性能抗震设计的过程 中,不仅扩大了设计者与使用者之间的沟通与交流, 使设计的结构更直接地满足不同使用者的要求,同 时,也可以扩大国家与国家之间的交流与合作,便于 国际间建立统一的结构设计规范。本文仅对基于性 能的抗震设计理论和方法作了简单介绍,目前该理 论尚不成熟,需要进行更多的理论和试验研究来完 善其理论体系,使其早日编制到规范中以服务于经 济建设。 参考文献: [1]GB50011—2001建筑抗震设计规范[s].北京:中国建筑工业 出版社,2001. 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