摘要：本文简要叙述了对国内外基于性能的抗震设计研究成果，并对二者进行了较系统的综述与分析。通过目前的研究表明，基于性能的抗震设计不仅仅能够使得建筑结构在未来可能地震作用下的性能进行有效的控制，还能使建筑物的破坏和损失限定在可接受的范围内。在此基础上，本文还详细论述了基于性能的抗震的几种设计。通过对几种设计方法进行了论述和对比，结合实际工程，对于提高建筑结构的抗震设计水平具有是十分重要的意义。
关键词：抗震设计 框架结构 分析
基于性能的抗震结构设计要求在未来不同强度的地震作用下结构达到预期的性能目标，该设计理念包括工程的设计、施工和评估等方面。事实上，在罕遇地震作用下，建筑结构都会进入弹塑性状态，为满足结构在大震作用下的性能抗震设计要求，有必要研究和计算结构的弹塑性变形，因此，对结构进行弹塑性分析己成为抗震设计时的一个重要组成部分.而结构弹塑性分析可分为弹塑性动力分析和弹塑性静力分析两大类.前者即弹塑性时程分析，输入地震波后，直接计算结构的地震反应，该方法能够计算地震反应全过程中各时刻结构的内力和变形状态，给出结构开裂和屈服的顺序，发现应力和塑性变形集中的部位，从而判明结构的屈服机制、薄弱环节及可能的破坏类型.时程分析是结构弹塑性分析最可靠的方法，但该方法计算复杂、工作量大，结果处理繁琐，又受地震波的不确定性、力与位移的滞回关系、轴力与弯矩的屈服关系等因素的影响，故在实际工程中的应用受到限制；相对而言，静力弹塑性分析(又称push-over)]是一种对结构非线性地震反应分析的简化计算方法，它可以较准确地描述结构抵抗侧向力的性能，包括构件的应力和变形的分布、构件的屈服顺序、承载力的薄弱部位和可能发生的破坏形式等，比较直观、计算量小，能够准确的揭示结构设计中的隐患，容易为广大工程人员所接受，作为一种新的结构抗震性能评估手段。本文研究Push-over方法在钢筋混凝土框架结构中的应用，分析该方法在实际工程的应用及有待改进之处。
一、基于性能的抗震设计理论简介
地震是地球内部急剧运动而发生的传播振动的现象，其所造成的人员伤亡和财产损失是极其严重的。在地震灾害中造成人员伤亡和财产损失的直接主要原因是建筑物的破坏和倒塌。因此，工程结构的抗震问题在国民经济的建设中显得极为重要。随着震害经验的不断积累以及理论和实验研究的不断深入，人们对建筑物在地震作用下的反应有了更深层次的认识.结构抗震理论的发展经历了静力理论、反应谱理论、动力理论和减震控制理论四个阶段。在目前的结构抗震设计中，多采用二级或三级设计思想，即以“小震不坏，中震可修，大震不倒”作为设防水准，设计者用承载力来控制结构的性能，认为只要满足承载力的要求便可保证结构的安全。然而震害、试验和理论分析都表明，变形能力不足和耗能能力不足是结构在大震作用下倒塌的主要原因。如何完善已有抗震设计的理念，使结构在未来地震中的性能达到预计的目标是亟需解决的问题。有鉴于此，在美国学者Moehle和Bertero等人的初步研究基础上，1995年美国加州结构工程师的VISION2000委员会提出了基于性能的抗震设计（Performance-BasedSeismicDesign，PBSD）的概念和理论。该理论的核心是追求“最佳经济效益和成本比”，实质是要控制结构在未来可能发生的地震作用下的抗震性能。PBSD的理论被提出后，引起了日本和欧洲及我国地震工程界学者的极大兴趣，纷纷展开多方面的研究。基于性能的抗震设计的突出特点是用性能指标来度量结构的功能。性能指标是划分结构构件、楼层和整体破坏状态的标准。采用合理的性能指标才能建立牢固的PBSD框架，它使建筑结构的设计方法更加合理和数量化，达到有理有度，简明实用的效果。可以认为，基于性能的抗震工程是未来结构抗震的发展趋势。
二、基于性能的抗震设计理论的研究现状
基于性能的抗震工程的概念是指从项目的提出开始，直到建筑寿命结束的全过程，它包括地震危险性分析、性能水准和性能目标的选择、场地适应性决策、概念设计、初步设计、最终设计、设计可行性检查、设计重复检查、施工质量保证和建筑物寿命期内的维护，每一步都是性能工程的关键，必须达到与选择的性能目标相适应的水平，其中最重要的组成部分是结构设计。结构的性能指标是以结构性能水准为划分依据的。性能水准表示建筑物在某一特定地震设计水准下预期破坏的最大程度。美国21世纪委员会按照不同的地震动水平定义了完全可靠、可靠、生命安全、不倒塌四个水准。我国的设计水准可视为与结构的极限状态和地震重现期相对应，即：正常使用极限状态（小震）、破坏控制极限状态（中震）和承载能力极限状态（大震）。目前基于性能的抗震设计理论研究主要集中在两大方面，一个是基于性能的理论框架的建立，它包括基于性能的地震工程流程，结构性能水准的划分和性能指标的确立。另一个是基于性能的抗震设计方法，它包括基于力、基于位移和基于能量的设计方法。
三、基于性能的抗震设计理论研究
研究目标包括：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；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；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。
1.抗震性能等级
抗震性能等级实际上就是结构限定的破坏状态。每一性能等级都规定了结构与非结构系统的限定破坏程度，诸如结构系统的安全性、非结构系统的易损性、结构各相关构件的使用功能等都应有较明确的性能限界[7]。结构的基本性能水准包括安全性、适用性和完整性等。
2.抗震性能目标
抗震性能目标是指针对每一设防地震等级而期望达到的抗震性能等级。建立结构的抗震性能目标需要综合考虑场地情况、结构的功能和重要性、投资与效益、震后损失与恢复重建、潜在的历史或文化价值、社会效益与业主承受能力等诸多因素，并且需由设计者与业主共同商定。
（1）设防地震等级
设防地震等级是按照不同强度地震重复发生的时间(即重现期)或按超越概率来表达的。设防地震等级直接关系到建筑物的抗震安全性和遭受地震破坏的危险性程度，它在抗震设防中占有非常重要的地位。
（2）地震反应限值
实现针对结构性能目标的设计，就需要对结构性能要求作出详细的规定，并对每一级设防水准进行定量的数值分析，即设定结构性能的反应限值。由于结构型式及业主要求的不同，对各项结构性能的要求是不同的，其中安全性要求是最基本的，可用性和完整性则可根据业主的要求有选择性地验算其各项指标。
（3）抗震性能目标结构
抗震性能目标的选择是非常重要的，它为整个设计和建造过程设定了必须遵循的标准。美国学者建议把具有不同使用要求的建筑物分为三类：基本设防目标、重要/防危设防目标、特别设防目标，并提供了三类结构抗震性能目标作为它们的最低性能界限。
五、基于性能的抗震设计方法研究
1.设计步骤大致可分为：场地选择、概念设计、初步设计与后期设计、验算、施工质量保证与维修等阶段。
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2.设计方法
基于性能的抗震设计方法主要有以下几种：
(1)综合设计法
其基本思想是：所有建筑物应至少达到基本性能目标，理想的抗震设计应使总投资最少(包括初期建设费和震后修复费)。因此，设计应尽力将各级设防地震下的每一性能极限状态的损失减到最小。综合设计法全面考虑了抗震设计中的重要因素，最大程度地体现了基于性能的抗震设计理论思想，因而能提供最优的设计方案，可靠地实现性能目标。缺点是考虑因素多，涉及面广，设计过程较为复杂繁琐。
(2)简化强度/应力设计法
优点是简单实用，为设计人员所熟悉。缺点是设计性能概念不是很清楚，常导致不必要的保守结果。在用于基于性能的抗震设计时，需在结构实际的抗震能力与地震作用要求的抗震能力、概念设计及细部设计、更好的荷载组合、施工质量保证等方面予以改进。
(3)广义强度/应力设计法
即我国现行规范采用的设计方法，对于常遇地震，利用反应谱计算底部剪力，然后按一定规则分配至结构全高并与其它荷载组合，使结构各部分都具有足够的承载能力。广义强度/应力设计法的优点是为设计人员所熟悉，并易于使用，性能概念清楚，细部设计可靠，非线性验算进一步增强了对结构非线性反应的控制，可以更好地达到预期性能目标。缺点是该方法基于弹性反应，对于非弹性反应仅用与结构类型有关的系数加以折减，表面上它控制整个性能目标，实际上却只是保证了一种性能目标。
(4)基于位移的设计法
该方法用位移作为整个抗震设计过程的起点，假定位移或层间位移是结构抗震性能的控制因素。设计时用位移控制，设计后用应力验算，不足的时候用增大刚度而不是强度的方法来改进，以位移目标为基准来配置结构构件。该法考虑了位移在抗震性能中的重要地位，是性能设计理论中很有前途的一种方法。但当应用于多自由度体系、多种结构类型等时还需要做更多的研究。直接基于位移的设计方法首先用“替代结构法”将结构表示位移等效单自由度振子，用最大位移时的割线刚度和适合于非弹性反应时吸收的滞变能量的等效粘滞阻尼来表征结构，然后用预先确定的设计位移反应谱和由预期的延性求得估计的阻尼，由设计位移可求出最大位移时等效周期。于是最大位移时的有效刚度可由单自由度振子的周期方程求得。该方法在整个设计过程中能很好地控制位移，有许多优点，但其假设结构可能形成塑性铰的部位同时屈服，这在实际结构中难以实现。并且其对体型较复杂的建筑的有效性还不能保证。因此，该法还需要更多的研究和改进。位移影响系数法用来确定结构静力分析的最大期望位移，目标位移δt即最大期望位移为：δt=C0C1C2C3SaTeC2G（1）式中，C0为等效单自由度体系位移与结构顶点位移的比值；C1为最大非线性位移期望值与线性位移的比值；C2为滞回环形状对最大位移的影响系数；C3为P－Δ效应对位移的影响系数；Sa为实际自振周期和阻尼下的加速度反应谱值；Te为结构的自振周期。按延性系数设计的方法的实质，是通过建立构件的位移延性系数或截面曲率延性系数与塑性铰区混凝土极限压应变的关系，由约束箍筋来保证核心混凝土能够达到所要求的极限压应变，从而使构件具有要求的延性系数。这里的延性通常包括结构延性、构件延性和截面延性三个层次。结构延性可以用顶点位移延性和层间位移延性来表达；构件位移延性与塑性铰区长度和截面延性等有关；截面延性与其几何形状、混性土强度、轴压比、纵筋含钢率、含箍特征值等因素有关。
（5）能力谱方法
该方法是通过地震反应谱曲线和结构能力谱曲线的叠加来评估结构在给定地震作用下的反应特性。反应谱是指单自由度体系在给定地震输入下的加速度谱；能力谱是指通过对结构进行静力推覆（Push-over）分析，转换得到等效单自由度体系的加速度和位移关系曲线。能力谱方法由Free－man等提出，后经众多学者如Fajfar、Chopra等完善和改进。《日本建筑标准法》和美国ATC-40都采用能力谱法作为基于性能/位移抗震设计方法。Chopra提出了将能力谱方法和结构损伤指数评定相结合的屈服位移能力谱的地震损伤分析方法，增强了能力谱法的实用性。可见能力谱法的实质是目前采用的基于力的设计方法加位移、变形的校核。基于能量的设计方法。人们认识到结构的破坏用能量的概念评定较适合，因为其包含着力和位移的共同作用，也更符合实际。已有的研究表明地震动瞬时能量在大多数情况下对结构最大位移反应具有决定性作用。但要建立基于能量的有效的设计框架还需更深入的研究。
（6）能量法
它是基于这样的假设：结构破坏的原因是地震输入的总能量，地震对结构物及其内部设施的破坏是由其输入的能量与结构物的消耗的能量共同决定的。能量设计法的优点就在于能够直接估计结构的潜在破坏程度，对结构的滞回特性以及结构的非线性要求概念清楚，另外，耗能元件的设置可以更好地控制损失。缺点在于应用方法不够简化，不确定因素较多。
（7）结构控制设计法
该方法是对结构的某个部位附加子系统，或做构造上的处理，或施加控制力以改变结构系统的动力特性，从而减小结构的动力反应。在工程设计中，通过保证地震时耗能装置的耗能能力大于可能输入结构的总能量，使得结构其它部分趋于安全。
（8）静力推覆分析方法及其加载方式的讨论
能力谱法和位移影响系数法都需要对结构进行静力推覆分析。静力推覆分析是在荷载或位移控制下采用逐步加载的方法计算结构的力和变形关系。计算采用逐步加载方法，在计算中每一步的荷载向量按荷载分布产生，通过荷载控制或对指定点的位移控制逐步进行分析。单调递增加载可以得到结构的极限承载力及承载力和顶层变形关系的全过程曲线，即能力曲线。侧向荷载的分布形式对计算结果影响很大。主要有以下几种分布形式：
a.沿结构竖向施加倒三角形分布水平荷载；
b.沿结构竖向施加均匀分布水平荷载；
c.楼层水平加载力按下式计算：Fi=Wihki/ΣWihkiΣΣVh(2)式中，hi和hj为结构第i和j层楼面距地面的高度；Wi和Wj为结构第i和j层楼层重力荷载代表值。k为可选取的指数。研究表明：采用均匀分布荷载作用时，算得的结构屈服承载力最大；采用倒三角形分布时结构屈服承载力最小；采用其它分布形式的结果基本在两者之间。采用不同形式的分布荷载算得的结构塑性铰出现顺序和部位也不尽相同。
五、总结
综上所述，本文提出的设计主要由社会、公众对结构性能目标进行选择，设计人员予以实现。相对于基于承载力的传统抗震设计方法，精细性及预测性更强。提出的设计总流程图将设计的整个过程进行展示，使其研究方向及重点关键技术问题予以明确，对于提高建筑结构的抗震设计水平具有是十分重要的意义。
参考文献：
[1]张晓东.建筑结构抗震设计研究[J]，工业设计，2015.10.
[2]张向冈，陈宗平，薛建阳等.基于性能的钢管再生混凝土柱抗震设计控制参数研究[J]，建筑结构，2014.8.
[3]洪哲.基于性能的抗震设计方法在某超限酒店工程中的应用[J]，福建建筑，2013.15.
[4]赵楠，马凯.基于性能的带边框板柱-剪力墙结构抗震设计[J]，结构工程师，2014.7.
[5]谢辛辛.浅谈基于性能的建筑结构抗震设计[J]，科技创新与应用，2013.15.
论文作者:刘东海
论文发表刊物:《基层建设》2017年3期
论文发表时间:2017/5/5
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