基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論研究綜述

1、基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論研究綜述         09-07-02 16:36:00     作者：馬曉霞薛云飛安平    編輯：studa20摘 要：對(duì)基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論的發(fā)展史作了回顧，總結(jié)了當(dāng)今國內(nèi)外對(duì)這一理論的研究現(xiàn)狀，提出了一些需要解決的問題。 關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計(jì)，基于性能的抗震理論，性能水平，評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于位移的抗震設(shè)計(jì) 1 結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)局限 由于地震和地面運(yùn)動(dòng)有很大的不確定性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在其使用期限內(nèi)可能遭遇預(yù)期強(qiáng)度等級(jí)的

2、地震，也有可能遭遇遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)期強(qiáng)度等級(jí)的地震，這就使結(jié)構(gòu)工程師很難準(zhǔn)確了解結(jié)構(gòu)的抗震需求。當(dāng)前，多數(shù)國家對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則為：對(duì)于一般的工程結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)以本區(qū)域內(nèi)多遇地震作為結(jié)構(gòu)彈性階段承載力和變形驗(yàn)算依據(jù)，以保證結(jié)構(gòu)在小震作用的結(jié)構(gòu)正常使用功能；同時(shí)以大震作為結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下的驗(yàn)算依據(jù)，以滿足在結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下不至于倒塌危及生命安全。雖然這種設(shè)計(jì)方法較為簡單，設(shè)計(jì)結(jié)果較為經(jīng)濟(jì)，但也在某種局限了結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。首先，僅僅以正常使用狀態(tài)和極限狀態(tài)作為設(shè)計(jì)階段，并不能保證結(jié)構(gòu)在除此兩狀態(tài)之外的處于其它狀態(tài)時(shí)的損傷程度和功能完整性，這就要求我們對(duì)結(jié)構(gòu)的其它狀態(tài)的性能水平進(jìn)行更深入的研究。其次，這種設(shè)計(jì)僅

3、僅要求結(jié)構(gòu)滿足基本的抗震設(shè)防目標(biāo)，局限了業(yè)主對(duì)結(jié)構(gòu)抗震方面提出更高的設(shè)防要求，安全度已與目前的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展不符，故我們有必要對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)防目標(biāo)進(jìn)入更進(jìn)一步的研究。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)采用多級(jí)性能水平和多級(jí)抗震設(shè)防目標(biāo)的基于性能的抗震設(shè)計(jì)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 2 結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析了方法 自1899年日本學(xué)者大森房吉首次提出用于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的靜力法以來，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析方法經(jīng)歷了從靜力法到動(dòng)力的反應(yīng)譜法和動(dòng)力時(shí)程分析法這三個(gè)階段的演變過程，在動(dòng)力階段中又可分為彈性與非彈性(非線性)兩個(gè)階段。根據(jù)所考慮的地震動(dòng)特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法可以分為確定性方法和隨機(jī)振動(dòng)方法。確定性方法利用地震記錄或

4、由其他方法確定的地震波進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)計(jì)算，隨機(jī)振動(dòng)方法則把地震視為隨機(jī)過程，把具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的地震動(dòng)作用在結(jié)構(gòu)上來求出結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。到目前為止，國內(nèi)外的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范絕大多數(shù)都采用確定性方法，因此本文也僅考慮確定性方法。 由大森房吉提出的彈性靜力法理論假設(shè)結(jié)構(gòu)各個(gè)部分與地震動(dòng)具有相同的振動(dòng)，因此，地震力等于地面運(yùn)動(dòng)加速度與結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的乘積；在大森房吉之后，佐野利器于1916年提出震度法，認(rèn)為以結(jié)構(gòu)10%的總重量作為水平地震力來考慮地震作用。該法把結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)特性這一重要因素忽略了，具有很大的局限性，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)可近似地視為剛體時(shí)，該方法才適用。 由于缺乏對(duì)地震動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析理論的了解

5、，基于動(dòng)力學(xué)的地震反應(yīng)分析理論一直未能得到發(fā)展；直到1930年之后，人們逐漸認(rèn)識(shí)到地震動(dòng)特性對(duì)確立合理的抗震設(shè)計(jì)方法的重要性，從1931年起，美國開始進(jìn)行地震觀測臺(tái)網(wǎng)的布置，并在1940年Imperial Valley地震中成功地收集到了包括El-Centro地震記錄在內(nèi)的大量地震記錄資料，為抗震動(dòng)力學(xué)方法的發(fā)展提供了寶貴的資料。1943年，M.A.Biot提出了反應(yīng)譜的概念，并給出了世界上第一條彈性反應(yīng)譜曲線。G. W.Housner于1948年提出基于加速度反應(yīng)譜曲線的彈性反應(yīng)譜曲線，1956 年N.M.Newmark率先將該法應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)，并在實(shí)際地震中得到了驗(yàn)證，自1958年第一

6、屆世界地震工程會(huì)議之后，反應(yīng)譜法被許多國家所接受，并逐漸被采納應(yīng)用到結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中。我國1959年的抗震規(guī)范草案就采用了反應(yīng)譜理論并在以后的各次規(guī)范修訂中不斷完善和發(fā)展。在彈性反應(yīng)譜的概念提出不久之后，就提出了非線性反應(yīng)譜的概念，試圖將這一簡單的概念應(yīng)用于非線性地震反應(yīng)分析中，目前，除新西蘭抗震規(guī)范采用非線性反應(yīng)譜以外，非線性反應(yīng)譜基本沒有直接得到應(yīng)用。 動(dòng)力時(shí)程分析方法是將地震動(dòng)記錄或人工地震波作用在結(jié)構(gòu)上，直接對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分，求得結(jié)構(gòu)任意時(shí)刻地震反應(yīng)的分析方法，根據(jù)是否考慮結(jié)構(gòu)的非線性行為，該法義可分為線性動(dòng)力時(shí)程分析和非線性動(dòng)力時(shí)程分析兩種。該方法是借助于強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)收集到的地震

7、記錄和模擬電子計(jì)算機(jī)，于20世紀(jì)50年代末由美國的G. W.Housner提出的：日本于20世紀(jì)60年代初，在武藤清教授的領(lǐng)導(dǎo)下，也開始了這項(xiàng)研究工作。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，該方法在國外于20世紀(jì)60、70年代得到了迅速的發(fā)展。我國于20世紀(jì)70年代末和80年代初在這方面開展了大量的研究工作。隨著計(jì)算手段的不斷發(fā)展和對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)認(rèn)識(shí)的不斷深入，該方法越來越受到重視，特別是對(duì)體系復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)，動(dòng)力時(shí)程分析方法還是理論上唯一可行的分析方法，目前很多國家都將此方法列為規(guī)范采用的分析方法之一。 3 對(duì)性能的抗震設(shè)計(jì)的不同定義 “基于性能”一詞源于英文Performance-based。基于性

8、能的抗震設(shè)計(jì)（PBSD）理論是20世紀(jì)90年代由美國科學(xué)家和工程師首先提出的，最早應(yīng)用于橋梁抗震設(shè)計(jì)中?；谛阅芸拐鹪O(shè)計(jì)的基本思想是使被設(shè)計(jì)的建筑物在使用期間滿足各種預(yù)定功能或性能目標(biāo)要求。這一思想影響了美國、日本和歐洲地震工程界。各國同行表現(xiàn)出了極大的興趣，紛紛展開多方面的研究。 SFAOC Vision 2000對(duì)PBSD的定義是“性能設(shè)計(jì)應(yīng)該是選擇一定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式、合理的規(guī)劃和結(jié)構(gòu)比例。保證建筑物的結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)，控制建造質(zhì)量和長期維護(hù)水平，使得建筑物在遭受一定水準(zhǔn)地震作用下，結(jié)構(gòu)的損傷或破壞不超過某一特定的極限狀態(tài)”。 ATC-40對(duì)PBSD的定義為“基于

9、性能的抗震設(shè)計(jì)是指結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則由一系列可以實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)來表示，主要針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)并且建議采用基于能力譜的設(shè)計(jì)原理”。顯然，ATC-40建議使用能力譜方法對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。 FFMA 273和FFMA 274對(duì)PBSD的定義為基于不同設(shè)防水準(zhǔn)地震作用，達(dá)到不同的性能目標(biāo)。在分析和設(shè)計(jì)中采用彈性靜力和彈塑性時(shí)程分析來實(shí)現(xiàn)一系列的性能水準(zhǔn)，并且建議采用建筑物頂點(diǎn)位移來定義結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水準(zhǔn)，不同的結(jié)構(gòu)形式采用不同的性能水準(zhǔn)。而且FFMA273利用隨機(jī)地震動(dòng)概念提出了許多種性能目標(biāo).，適合于多級(jí)性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)方法從線性靜力延伸到彈塑性時(shí)程分析。 1995年的K

10、obe地震后，日本啟動(dòng)了“建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)代工程開發(fā)”研究項(xiàng)目，對(duì)性能設(shè)計(jì)涉及的內(nèi)容進(jìn)行了概述；1996年，日本建筑標(biāo)準(zhǔn)法按照基于性能的要求進(jìn)行了修訂；1998年，日本的建筑標(biāo)準(zhǔn)法加入了能力譜方法。 我國一些學(xué)者也對(duì)PBSD進(jìn)行了定義：“基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是指根據(jù)建筑物的重要性和用途確定其性能目標(biāo)；根據(jù)不同的性能目標(biāo)提出不同的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)計(jì)的建筑在未來地震中具備預(yù)期的功能?！?PBSD已成為近幾年美國、日本、新西蘭等國家在抗震方面的主要研究課題。美國學(xué)者認(rèn)為，基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法應(yīng)該編成指南或規(guī)定，而不是規(guī)范提供給設(shè)計(jì)人員和業(yè)主，從現(xiàn)行的以保障生命安全為宗旨的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范向基于性能的抗震

11、設(shè)計(jì)規(guī)范的選擇性設(shè)計(jì)規(guī)定的轉(zhuǎn)變應(yīng)該是“演進(jìn)”而不是“革命”，其基本思想還可以通過每三年一次的規(guī)范修訂融入現(xiàn)行規(guī)范中去。美國國際規(guī)范委員會(huì)(ICC) 1997年5月出版國際建筑規(guī)范2000 ( International Building Code. IBC)草案已強(qiáng)調(diào)了與性能要求有關(guān)的內(nèi)容。近年來，基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想及研究成果已經(jīng)納入美國大學(xué)本科生和研究生的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程教學(xué)工作中，主要內(nèi)容即以Vision2000為基礎(chǔ)。日本也在多方資助下于1995年開始了為期3a的“新建筑結(jié)構(gòu)體系開發(fā)”研究項(xiàng)目，成立了由國內(nèi)著名學(xué)者參加的新建筑構(gòu)造體系綜合委員會(huì)。該委員會(huì)下設(shè)性能評(píng)價(jià)、目標(biāo)水準(zhǔn)和社會(huì)機(jī)

12、構(gòu)3個(gè)分委員會(huì)。為推進(jìn)和協(xié)調(diào)這一項(xiàng)目的進(jìn)程，還建立了“新構(gòu)造體系促進(jìn)會(huì)議”，討論、規(guī)劃和協(xié)調(diào)各方而的工作。英國等歐洲國家和智利等拉美國家也對(duì)PBSD開展了研究。1996年在中美抗震規(guī)范學(xué)術(shù)討論會(huì)上也對(duì)PBSD進(jìn)行了交流，提出了把PBSD引入到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的概念。有學(xué)者建議，中國21世紀(jì)的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)順應(yīng)國際發(fā)展的趨勢，發(fā)展適合于中國國情的PBSD。      09-07-02 16:36:00     作者：馬曉霞薛云飛安平    編輯：studa204 目前國內(nèi)外地震工程

13、界學(xué)界對(duì)PBSD開展的研究工作 （）多級(jí)性能水準(zhǔn)的確定與統(tǒng)一。生命安全水準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)損傷水準(zhǔn)和確保使用功能水準(zhǔn)為當(dāng)前規(guī)范普遍接受的3級(jí)性能水準(zhǔn)。生命安全水準(zhǔn)要求建筑在罕遇地震作用下不倒塌；結(jié)構(gòu)損傷水準(zhǔn)要求建筑損傷控制在可修復(fù)的范圍內(nèi)；確保使用功能水準(zhǔn)要求結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響建筑直接使用的變形等。PBSD要求細(xì)化這3級(jí)性能水準(zhǔn)并建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 （）多級(jí)地震設(shè)防水準(zhǔn)的確定與統(tǒng)一：當(dāng)前規(guī)范普遍采用3級(jí)性能水準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的最高設(shè)防水準(zhǔn)。在建筑使用期內(nèi)遭遇一次地震危險(xiǎn)的水準(zhǔn)和可能遭受多次地震危險(xiǎn)的水準(zhǔn)3級(jí)地震設(shè)防水準(zhǔn)。PBSD同樣要求細(xì)化這3級(jí)地震設(shè)防水準(zhǔn)。 （）可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析方法：PT3SD要求建立

14、適合于在多級(jí)水準(zhǔn)地震作用下實(shí)現(xiàn)多級(jí)性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析方法。 （）結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估方法的完善：當(dāng)前由靜力推覆分析方法和能力譜分析方法結(jié)合形成的靜力彈塑性方法被普遍用來評(píng)估罕遇地震作用下建筑的抗震性能。 基于性能的抗震研究是一個(gè)非常龐大和復(fù)雜的問題，就目前的發(fā)展水平，還存在以下問題需要進(jìn)一步研究解決。 在結(jié)構(gòu)性能方面，雖然提出了不同性能水平，但只是對(duì)結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)性能的破壞程度的描述，對(duì)結(jié)構(gòu)“不壞、可修、不倒”定義模糊，未給出明確的量化指標(biāo)，是本文主要研究問題之一，有待進(jìn)一步研究。 在結(jié)構(gòu)多級(jí)性能目標(biāo)方面，如何進(jìn)一步考慮建筑場地特征和近震的影響，以及設(shè)防水平與震后重建時(shí)間、費(fèi)用之間的定量關(guān)系。 對(duì)于高層建筑或沿高度側(cè)向剛度有變化的建筑，采用何種目標(biāo)側(cè)移曲線，側(cè)向力分布模式是否考慮高階振型的影響，都需要作進(jìn)一步深入的研究。 如何針對(duì)復(fù)雜的混合塑性鉸分布破壞機(jī)制建立位移延性和曲率延性的轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而獲得結(jié)構(gòu)曲率延性需求，有待進(jìn)一步研究。 參考文獻(xiàn) 1SEAOC Vision2000 Committee.Performance-Based Seismic Engineering of BuildingR.Report Prepared by Association of California,Sacramento,California,USA1