1.广州市华侨房产开发有限公司 广州 510620；2.深圳机械院建筑设计有限公司 深圳 518027；
3.广州市住宅建设发展有限公司 广州 510075
摘要：基于性能的抗震设计是未来抗震设计发展的主要方向。本文在前人研究的基础上，以基于性能抗震设计的主要内容为主线，结合《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010），研究了基于性能的抗震设计与我国现行抗震设计的区别和联系，同时介绍了国内外基于性能抗震设计的研究现状。最后，本文对基于性能抗震设计研究问题及发展方向提出作者的几点看法。
关键词：基于性能的抗震设计；性能水平；性能目标；抗震设计方法
STUDIES ON PERFORMANCE-BASED SEISMIC DESIGN
Yin Weiwen, Cao Fuliang, Liu Sanling
(1. Guangzhou Overseas Chinese Real Estate Development CO., LTD, Guangzhou 510620 ,China;
2. Shenzhen Machinery Institure Architectural Design, Shenzhen 518027, china;
3. Guangzhou Residential Construction Development CO.,LTD, Guangzhou 510075 ,China)
Abstract: Performance-based seismic design (PBSD) is the main development direction of future seismic design. Based on research work on PBSD, focusing on the main content of PBSD and combining with the current code for seismic design of buildings, this paper studies the similarities and differences between PBSD and the current seismic design and introduces the research status of PBSD home and abroad. At last, the authors’ opinions are put forward on the research problems and development direction of PBSD.
Keywords: performance-based seismic design; performance level; performance objectives; seismic design method
1 基于性能抗震的提出
20世纪90年代，在美国（Northridge,1994）、日本（阪神,1995）发生破坏性地震，合计死亡6000多人，经济损失高达1000亿美元，震后的重建工作又花费数年时间，耗资巨大。生命可贵，经济损失亦让人无法承受。在抗震设计时，为了做到既经济又安全，不仅要防止建筑物发生倒塌破坏，而且要有效地控制建筑物的其他破坏状态。在此背景下，美国学者首次提出基于性能的抗震设计和方法，受到了学术界广泛的重视和研究。SEAOC[1]对基于性能抗震设计的描述是“性能设计应该是选择一定的设计标准，恰当的结构形式，合理的规划和结构比例，保证建筑物的结构与非结构的细部构造设计，控制建造质量和长期维护水平，使得建筑物在遭受一定水平地震作用下，结构的破坏不超过一个特定的极限状态”。基于性能的抗震设计被认为是21世纪最有发展前景的抗震思想。经过二十多年的研究，国内外学者也取得了一些初步的成果。
目前，考虑到现阶段的科学水平和经济条件，我国常规的抗震设计思想是以“小震不坏，中震可修，大震不倒”作为抗震设防三个水准目标，同时采用二阶段设计来满足结构安全性的要求。本文在前人研究的基础上，以基于性能抗震设计的主要内容为主线，结合《建筑抗震设计规范》[2]（GB 50011-2010）（以下简称《规范》），研究了基于性能的抗震设计与我国现行抗震设计的区别和联系，同时介绍了国内外基于性能抗震设计的研究现状。最后，本文对基于性能抗震设计研究问题及发展方向提出作者的几点看法。
2 基于性能的抗震设计主要内容
基于性能的抗震设计主要包含四个部分内容[3]：地震危险性分析、结构抗震性能水平划分及性能目标确定、结构反应性能参数确定、基于性能的抗震设计方法。
2.1地震危险性分析
地震危险性分析是对未来某个地区中将要遭遇地震动的大小、不同地震动水平的概率、或超过给定地震动水平的概率进行预测估计的工作。结构的抗震设计必须做地震危险性分析，才能准确的知道和正确的模拟地震作用力的大小。
《规范》采用三个地震作用水平来进行抗震设防，即小震、中震和大震，其50年的超越概率分别为63.2%、10%和2%~3%，重现期分别为50年、475年和1641~2475年。同时，《规范》采用两个参数来考虑地震危险性，即设计地震加速度和设计特征周期。设计基本地震加速度的取值与《中国地震动参数区划图A1》所规定的“地震动峰值加速度”相当，设计特征周期的取值则根据设计近、远震和场地类别来确定。当对结构进行抗震设计时，首先确定结构所在地区的设计基本地震加速度和设计特征周期，再根据地震影响系数曲线得出地震影响系数，最后计算出地震作用力的大小。
地震动强度是地震危险性分析的一个重要参数，地震动强度指标选取亦是基于性能抗震设计的重要组成部分。合理的地震动强度指标可以使结构地震响应预测结果更加准确。各国学者经过多年的研究，提出了多种地震动强度指标。文献[4]总结归纳了33个地震动强度指标，基于弹塑性SDOF和MDOF系统的代表性地震响应指标，分析了不同地震动强度指标与不同结构地震响应指标之间的相关性，指出以PGA、PGV、PGD为代表的三类指标分别对短、中、长周期结构的相关性较高，PGV是基于性能设计和评价较为合适的单一地震动强度指标。从本质上来讲，我国现行抗震规范的地震动参数是采用PGA指标来衡量的。文献[5]针对不可忽略高阶振型影响的高层结构增量动力分析，提出了幂函数乘积形式的地震动强度参数（S12和S123）。文献[6]对超高层建筑进行分析，对比现有的5个地震动强度指标发现，基于弹性谱加速度几何平均值的组式作为地震动强度指标来表征结构临界倒塌状态时，变异系数最小，对超高层建筑结构具有较好的适用性，能作为抗震分析用的地震动强度指标。
2.2结构抗震性能水平划分及性能目标确定
性能水平是指建筑物能承受的最大破坏程度，包括结构构件和非结构构件的破坏。性能目标是指在一定超越概率的地震发生时，结构的最大破坏程度。
《规范》的“三水准”设计原则规定：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时，主体结构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罕遇地震时，可能发生损坏，但经一般性修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震时，不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。在此设计原则中，《规范》给出了三个“性能水平”（不坏、可修、不倒）和一个“性能目标”（小震不坏、中震可修、大震不倒）。在工程设计中，尽管能够保证生命安全，但同时也会造成严重的经济损失，远远不能满足社会发展的需求。
随着抗震理论的发展，基于性能的抗震设计被编入抗震规范。我国《规范》条文说明中定性给了五个建筑地震破坏分级（性能水平），四个建筑地震预期性能目标，如表1、表2所示。
美国规范规定了“正常使用”、“立即入住”、“生命安全”和“防止倒塌”四种性能水平，也给出了建筑结构性能目标及相应的损伤状态与位移极限值。日本规范规定了“正常使用”、“易修复”和“生命安全”三种性能水平和两类性能目标。文献[7]给出了超限高层建筑结构抗震性能水准和性能目标。文献[8]给出了既有钢筋混凝土结构性能目标、性能指标及量化标准。
现阶段，性能水平及性能目标还没有统一的标准，新结构类型的应用和新材料的使用都加大了其研究难度。结构抗震性能水平划分及性能目标确定还正处于发展阶段。
2.3结构反应性能参数确定
性能水平是根据结构的破坏程度来划分的，而结构的破坏程度可以通过结构反应性能参数来衡量。《规范》采用基于承载力的抗震设计，只要保证中、小地震下，满足力的要求，大震下满足延性位移的要求。结构反应性能参数以承载力为主—计算内力大小，位移为辅—验算弹性及弹塑性变形，共同表征结构的损伤性能。
在基于性能的抗震设计中，结构需要考虑不同水平地震作用下的受力性能，所以选取的性能参数不仅能反应结构在低水平地震作用下弹性状态的性能，而且更重要的是能反应结构在强烈地震下弹塑性状态的损伤情况。结构反应性能参数的选取及其量化标准是基于性能抗震设计的一个重要内容。
对于多高层结构，变形可以有效地反映结构破坏情况，因此基于变形（层间位移角、顶点位移等）来划分结构性能水平在多高层结构中得到了广泛应用。文献[9]给出了多高层结构对应于不同状态的最大层间位移角限值，如表3所示。
钢框架-混凝土核心筒、型钢混凝土框架-混凝土核心筒1/8001/8001/4001/2001/1101/100
而在空间结构中，由于结构本身的多样性，地震破坏机理也十分复杂，仅把变形作为结构反应性能参数不能很好地反应结构的损伤状态。文献[10]对单层柱面网壳结构在强震作用下的反应进行了分析，提出结构损伤因子来评估该结构的损伤程度。
地震对结构的作用可以认为是一种能量的传递、转化和消耗的过程。结构在遭受地震作用时，地震能量不断输入到结构体系中，一部分以动能和可恢复的弹性应变能方式储存起来，另一部分则被结构自身的阻尼和产生的非弹性变形消耗掉。结构的损伤程度可以用自身耗能能力的大小来衡量[11]。基于能量的抗震方法还处于发展阶段。
2.4基于性能的抗震设计方法
目前，《规范》主要采取基于承载力和构造措施保证延性的抗震设计方法，即以多遇地震下按弹性方法计算地震力进行结构的抗震承载力设计，以构造措施保证结构的延性；对单一防线的结构和具有明显薄弱层的结构，要求补充弹塑性变形验算，确保变形不超过限值，防止结构在大震下倒塌。
基于性能的抗震设计方法主要是基于位移的设计方法[12]。它是在一定水准的地震作用下，以结构的位移响应为目标设计结构和构件，使结构达到该水准地震作用下的性能要求。基于位移的抗震设计方法大致可归纳为三种[12]：按延性系数设计的方法、能力谱方法和直接基于位移的方法。
与基于承载力的抗震设计方法相比，基于位移的抗震设计方法是一种全新概念的抗震设计法。以单自由度线弹性结构为例，如图1所示，地震作用下所受的基底剪力F与结构顶点位移Δ的关系可表示为：
基于承载力的抗震设计方法是已知结构设计的地震力F，根据式（1）验算结构弹性位移Δ，它的设计顺序是承载力-位移，设计的变量是构件的刚度；而基于位移的抗震设计方法是已知结构的设计位移Δ，根据式（2）计算结构承载力F，设计顺序是位移-承载力。基于位移的抗震设计法能从总体上控制结构的位移和层间位移角等反应量，所以它是实现基于性态抗震设计的一种重要方法。
基于能量的设计方法[11,13]也是基于性能抗震设计方法之一，它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。能量法的优点是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的控制了损失。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，精度很难保证。
此外，基于性能的抗震设计方法也包括基于可靠度的分析法[14]、基于损伤性能的设计方法[15]等。
3 基于性能的抗震设计存在的问题及发展方向
基于上述分析，本文对基于性能的抗震设计存在的问题及发展方向提出作者的几点看法：
1） 国内外学者对地震危险性做了大量的研究，提出了多种地震动强度指标。但是，不同的参数对结构地震响应的影响十分复杂。如何有效地选取能综合反应结构地震响应的地震动强度指标仍是基于性能的抗震设计方法研究的一个基本问题。
2）性能水平划分以及性能目标确定还只停留在定性的分析阶段，始终没有一个公认的量化标准。再者，不同的结构类型，量化标准也不尽相同，这也给研究工作带来了一定的难度。
3）利用IDA方法从概率角度研究结构的地震反应将是今后的发展趋势，但如何准确有效的选取合适的地震动参数和性能水平划分指标还需进一步研究。
4）在基于性能的抗震设计方法中，基于位移的抗震设计方法已逐渐发展成熟，但其它方法如能量法、可靠度设计法等目前均处于研究阶段。
5）未来的抗震设计必将是基于性能的抗震设计，但目前基于性能的抗震设计方法的计算十分繁琐，不能广泛应用于工程设计。所以，提出一种简单可行的性能化设计方法并纳入规范是未来抗震发展方向之一。
4 结语
《规范》规定的“三水准的设防目标”为我国抗震设计的基本设防目标，本质就是一种最基本的“性能设计”。性能设计思想贯穿于抗震设计的整个发展史，直到20世纪90年代“基于性能的抗震设计”的概念提出，人们才深刻地认识到性能设计的重要性并投入了大量的研究。21世纪的地震工程将是基于性能的地震工程，但在基于性能的抗震设计被广泛接受并应用，还有很长的路要走。
参考文献
[1]SEAOC Vision 2000. Performance-based Seismic Engineering [C]. Sacramento. CA. 1995
[2]中华人民共和国国家标准. 建筑抗震设计规范, GB50011-2010[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010
[3]谢礼立, 马玉宏, 翟长海. 基于性态的抗震设防与设计地震动[M]. 北京: 科学出版社, 2009
[4]叶列平,马千里,缪志伟. 结构抗震分析用地震动强度指标的研究[J]. 地震工程与工程振动,2009,04:9-22.
[5]卢啸,陆新征,叶列平,李梦珂. 适用于超高层建筑的改进地震动强度指标[J]. 建筑结构学报,2014,02:15-21.
[6]周颖,苏宁粉,吕西林. 高层建筑结构增量动力分析的地震动强度参数研究[J]. 建筑结构学报,2013,02:53-60.
[7]徐培福,戴国莹. 超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究[J]. 土木工程学报,2005,01:1-10.
[8]张宇,李宏男,李钢. 既有钢筋混凝土结构抗震设防目标与性能评估[J]. 建筑结构学报,2013,07:29-39.
[9]朱炳寅. 建筑抗震设计规范应用与分析[M]. 北京. 中国建筑工业出版社, 2011
[10]支旭东,范峰,沈世钊. 强震下单层柱面网壳损伤及失效机理研究[J]. 土木工程学报,2007,08:29-34.
[11]徐培蓁,叶列平. 日本《基于能量抗震设计规程》介绍[J]. 工程抗震与加固改造,2010,03:59-67.
[12]钱稼茹,罗文斌. 建筑结构基于位移的抗震设计[J]. 建筑结构, 2001,04:3-6.
[13]G W Housner. Limit Design of Structures to Resist Earthquake [J]. Proc. Of IWCEE Berkeley. CA. 1956, 5: 1-11
[14]程耿东,李刚. 基于功能的结构抗震设计中一些问题的探讨[J]. 建筑结构学报,2000,01:5-11.
[15]欧进萍,何政,吴斌,邱法维. 钢筋混凝土结构基于地震损伤性能的设计[J]. 地震工程与工程振动,1999,01:21-30.
论文作者:尹伟文,曹福亮,刘三玲
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年2月上
论文发表时间:2017/6/8
标签：性能论文; 结构论文; 位移论文; 方法论文; 水平论文; 强度论文; 指标论文; 《建筑学研究前沿》2017年2月上论文;