摘要：对国内外基于性能的抗震设计研究成果进行了较系统的综述与分析，研究表明，基于性能的抗震设计能够对结构在未来可能地震作用下的性能进行有效的控制，使破坏和损失限定在可接受的范围内。在此基础上，本文还初步提出了钢筋混凝土框架结构基于延性的抗震设计建议。
关键词：基于性能；抗震设计；钢筋混凝土；框架结构
目前各国抗震规范中普遍采用的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防水准，被认为是目前处理地震作用不确定性的最科学合理的对策，然而这种设计思想是以保障生命安全为主要设防目标的，尽管它可以做到大震时主体结构不倒以保障生命安全，但它可能导致中、小震下结构的正常使用功能的丧失而引起巨大的经济损失。由此可见，过去以人身安全为目标的抗震设计己经不能满足当今社会的要求，抗震设计如何能既经济又可靠地保证建筑结构的性能在地震作用下不至丧失甚至不受影响。
一、基于性能的抗震设计理论的基本概念
近年来，地震工程学者从不同的角度致力于抗震设计理论的发展与完善，其中最引人注目的是以结构性能评价为基础的抗震设计理论和基于结构性能的地震工程学的发展。
基于性能的抗震设计理论以结构抗震性能分析为基础。它针对每一种设防水准（例如50年超越概率为63.2%、10%和2%的地震动），将结构的抗震性能划分成不同等级（如性能完好、性能连续、保证安全、近于倒塌等），设计者根据业主的要求（或向业主推荐），采用合理的抗震性能目标和合适的结构抗震措施进行设计，使结构在各种水平地震作用下的破坏程度，是业主所选择并能够承受的，也是经过费效分析后达到的最优效果。
二、框架结构基于性能的抗震设计
1.基于承载力的抗震设计
基于承载力的抗震设计方法的主要缺点在于难以准确描述结构在弹塑性阶段的工作情况，对结构在地震荷载作用下破坏程度的控制不够。
2.基于变形的抗震设计
在对结构的抗震性能进行评估的过程中，采用变形指标可以较好地体现结构构件的损伤程度，也可以控制非结构构件的性能水平。从工程角度出发，采用变形指标（包括转角、位移角等）对框架结构在各种抗震性能等级下的极限状态进行量化是比较合适的。我国现行抗震设计规范中也主要通过变形验算来对结构的抗震性能进行控制。
（1）正常使用性能等级的弹性层间变形限值
在进行框架结构弹性层间位移验算时，须同时考虑容许的填充墙开裂程度、框架柱的开裂以及其他非结构构件可能遭受的破坏。我国现行抗震设计规范GB50011-2011（2016年版）所规定的框架结构弹性层间位移角限值为1/550。本文建议取1/700为保证框架结构正常使用性能等级的弹性层间位移角限值。
（2）防止倒塌性能等级的弹塑性变形限值
框架结构中框架柱承受压、弯、剪的复合作用，变形能力较差，因此框架柱的塑性变形能力在很大程度上决定了框架结构抗倒塌的层间位移角限值。可见，抗震设计规范GB50011-2011（2016年版）规定的框架结构层间弹塑性位移角限值（1/50）具有一定的提高余地。本文建议对普通框架结构的弹塑性位移角限值取用规范值（1/50），但对于那些采取了提高变形能力的措施的框架结构，应允许其弹塑性位移角限值有一定幅度的提高。
（3）可修性能等级的变形限值
对于可修性能等级，除了从整体上控制层间位移外，尚须避免个别构件因截面塑性转动过大而造成无法修复的损坏。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆根据抗震设计规范（GB50011-2001），一般情况下可修性能等级的设计地震作用为防止倒塌性能等级的1/2。
3.基于延性的抗震设计
延性是反映结构或构件抗震性能的一个重要指标，延性系数是较为传统的抗震性能量化指数。作者专门进行了基于延性的抗震设计研究，进行了高性能混凝土梁和框架的低周反复荷载试验，试件包括五根非预应力高性能混凝土梁、三根预应力高性能混凝土梁以及双层双跨的预应力和非预应力高性能混凝土框架各一榀。研究表明：C50级非预应力混凝土梁的位移延性系数值在6~8.5之间，C50级预应力混凝土梁的位移延性系数值在3.6~4.8之间；非预应力和预应力框架试件的位移延性系数分别为3.52和2.69；所有梁和框架试件的抗震性能均良好，但预应力试件的抗震性能稍差于非预应力试件。此外，作者还编制了高性能混凝土框架基于恢复力模型的滞回分析程序，对不同参数的框架结构进行了试算，结果表明其延性系数介于3.11~4.25之间。可见，控制结构或构件的位移延性是控制结构抗震性能的一种有效方法。本文建议，在完成结构抗震设计后，对结构在较低性能水准下的延性系数进行验算，其限值对框架结构整体可取为3~4，对构件和截面可取为6~9，对于预应力结构或构件可适当降低要求。
但是，基于延性的抗震设计也存在一些缺陷：（1）仅适用于弯曲起控制作用的同类受力构件损坏程度的比较，不适于剪切变形起控制作用的低矮抗震墙、深梁、节点等构件；（2）只适用于屈服之后的阶段，对较高性能等级的损坏状态无法进行量化；（3）无法考虑加载历史和累积损伤的影响。
4.基于能量的抗震设计
基于能量的抗震设计具有直观而明确的理论意义，通过控制结构整体及单个构件的耗能能力，达到控制结构抗震性能的目的。但是由于结构系统的复杂性，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，对整体结构的计算比较繁琐，且具有一定的误差。根据作者进行的高性能混凝土框架抗震试验结果，两榀框架结构在1Δ（20mm）、2Δ（40mm）和3Δ（60mm）循环位移下的耗能值进行对比，可以看出，框架结构对应于极限位移（3Δ）循环的耗能值为对应于屈服位移（1Δ）循环耗能值的5.07~5.69倍，框架结构表现出了较好的抗震性能。
结论
通过对基于性能的抗震设计理论与方法的研究，可得如下结论：
（1）基于性能的抗震设计理论针对每一种设防水准，将结构的抗震性能划分成不同等级，设计者根据业主的要求（或向业主推荐），采用合理的抗震性能目标和合适的结构抗震措施进行设计，使结构在各种地震水平作用下的破坏程度，是业主所选择并能够承受的。
（2）所限定的结构破坏状态定义为抗震性能等级，针对每一设防地震等级而期望达到的抗震性能等级定义为抗震性能目标。
（3）基于性能的抗震设计方法包括综合设计法、简化强度/应力设计法、广义强度/应力设计法、基于位移的设计法、能量法以及结构控制设计法等。
（4）针对基于承载力的抗震设计方法存在的问题，本文初步提出了框架结构基于延性的抗震设计建议：在完成结构抗震设计后，对结构在较低性能水准下的延性系数进行验算，其限值对框架结构整体可取为3~4，对构件和截面可取为6~9，对于预应力结构或构件可适当降低要求。
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论文作者:路振锋,苏敏
论文发表刊物:《基层建设》2018年第33期
论文发表时间:2018/12/18
标签：性能论文; 结构论文; 延性论文; 位移论文; 框架结构论文; 预应力论文; 构件论文; 《基层建设》2018年第33期论文;