基于性能的抗震设计.doc

基于性能的抗震设计基于性能的抗震设计是近年来提出并备受关注的一种新的抗震设计思想。下面先从回顾传统抗震设计思想入手，进而引出这种新的抗震设计思想的发展轨迹及其主要问题。1 传统抗震设计思想及方法考察目前世界各国抗震设计规范，大多数国家均以“小震不坏、中震可修、大震不倒”作为抗震设计思想，我国2001年的新的建筑抗震设计规范也是如此。为实现上述三水准抗震设防要求，各国采取了不同的设计方法，但均大同小异。我国是采用二阶段抗震设计方法来保障对大量的一般工业和民用建筑实现其三水准的抗震设防要求，同时以此方法为基础通过对建筑物进行抗震重要性分类（甲、乙、丙、丁四类）来区别不同类别的建筑并采取相应的修正方法来满足不同的抗震设防要求。这二阶段设计方法是：第一阶段进行强度验算，即取第一水准烈度（小震）的地震动参数，用弹性反应谱计算结构的弹性地震作用及效应，并与其他荷载效应组合，对构件截面进行抗震承载力验算，以保证必要的强度可靠度要求；再通过合理的结构布置和有关的构造措施，保证结构具有必要的变形能力。第二阶段进行弹塑性验算，即对特别重要的建筑和地震时易倒塌的结构，要按第三水准烈度（大震）的地震动参数进行薄弱层（部位）的弹塑性变形验算，并采用相应的构造措施以满足“大震不倒”的设防要求。归纳起来，传统抗震设计思想及其方法具有如下五个特点：（1） 三水准抗震设计思想是以保障人民生命安全为基本目标的，因此与现代建筑所蕴含的经济、社会、政治等多方面功能无法适应。（2） 三水准抗震设计思想对结构的功能要求规定过于泛化，因而无法满足投资者、业主或环境对其功能上的“个性”要求。（3） 三水准抗震设计思想对三级设防水准小震、中震、大震用不同的50年基准期内的超越概率（分别为63.2%、10和23）来定义，且以各地地震基本烈度为基础反映，在应用上不方便。（4） 二阶段抗震设计方法中对地震作用（包括弹性和弹塑性）的计算是以加速度反应谱作为其基本的表达方式，它无法解决地面运动长周期成分所引起的结构的速度和位移响应问题。（5） 二阶段抗震设计方法所采用的基于概率的极限状态设计思想其可靠度只局限在构件层次，且采用分项系数来保证可靠度。显然，由此得到的结构体系的可靠度会分布在一个很大的范围内。基于现有建筑结构抗震设计规范的缺陷及存在的问题,为了更好地满足社会和公众对结构抗震性能的多种需求,美国联邦紧急救援署()和国家自然科学基金会()资助开展了一项为期6年的行动计划,对未来的抗震设计进行了多方面的基础性研究,提出了基于性能的抗震设计理论,包括设计理论的框架、性能水准的定性与定量描述、结构非线性分析方法。日本、新西兰、欧共体、加拿大、澳大利亚相继开展了基于性能的结构抗震设计理论的研究。2000年11月15日,这些国家的地震工程研究人员汇集日本国土交通省建筑研究所,就基于性能的结构抗震设计理论的概念性框架、荷载与反应、抗震设计等主要内容进行了学术交流。可以肯定地说,基于性能的结构抗震设计理论已成为这些国家地震工程研究的热门课题。我国在该领域的研究是近几年的事,主要集中在如何消化国外研究成果,这在新的建筑结构抗震设计规范中得到了一定程度的体现。我国工程抗震界普遍认为,中国21世纪的抗震设计规范应顺应国际发展,发展适合国情的基于性能的结构抗震设计理论。2 基于性能的抗震设计概念如上所述，传统的抗震设计思想及方法无法满足人们对结构抗震功能的深层次要求。为此，近年来各国学者纷纷关注如何更好的强化结构抗震的安全目标和提高结构抗震的功能要求，并已在理论研究乃至设计实践中实现了以下三个方面的转变：以力分析为主兼顾力和变形全面考虑力、变形、损伤、耗能；线性分析非线性分析；确定性分析可靠性分析。在此基础上，上个世纪90年代初，美国学者提出了基于性能的抗震设计概念，并立即引起了世界范围同行的极大兴趣和广泛研究。它的思想内核是：将抗震设计以保障人民生命安全为基本目标转化为在不同风险水平地震作用下满足不同的性能目标，从而通过多目标、多层次的抗震安全设计来最大限度保障人民生命安全和实现“效益投资”的优化平衡以及满足对结构“个性”的要求。显然，这一思想是在总结传统设计思想的基础上以概念化的形式加以发展的，而并非是对传统设计思想的革命。事实上，传统的三水准抗震设计思想也具有基于性能的抗震设计思想的因素，只不过是处于初级的、低水平的、目标不明确的层面上而已。在基于性能的抗震设计这一概念明确提出以后，已有的研究成果（如前述的三个方面的转变）便可纳入其中，再加上更多系统的、有目的的研究，从而形成一个科学而又开放的体系。这对各国修改和完善抗震规范具有很好的指导作用。目前，世界许多国家都对基于性能的抗震设计进行广泛而细致的研究，以期将其尽快的应用到新的抗震规范中去。我国在新的2001年的抗震设计规范中体现了一些这一思想。3基于性能的抗震设计主要有以下四个方面的工作要做：（1）地震设防水准的确定。设防水准的确定是抗震设计的一个基本问题。如前所述，传统的抗震设计依据的是小震、中震、大震三级设防水准；美国加州结构工程师学会（SEAOC）Vision2000委员会对基于性能的抗震设计提出了常遇、偶遇、罕遇、极罕遇四级设防水准。不管采用几级设防水准，对各级水准的科学定义是关键。例如，对传统的三级设防水准，有学者建议从重现期角度去描述用以代替原来的从超越概率角度去描述小震、中震和大震，并且直接用地震动参数而不是烈度来对应各级地震水准。目前,以我国为例,地震设防分为三个水准,即“小震”、“中震”和“大震”.它们是在全国基本烈度设防区划图的基础上,采用概率的方法确定的.一般认为在50年内烈度概率分布属于极值型,基本设防烈度相当于在50年超越概率为10%的烈度,重现期为475年,相当于设防“中震”的水平.“小震”为50年内超越概率为63.5%的烈度的地震,重现期为50年.而“大震”为50年内超越概率为2%3%的烈度的地震,重现期约为1641年2475年.对于基于性能抗震设计,为了实现多级设防标准,控制不同水平地震作用下结构的破坏状态,就需要在上面划分的基础上,细化地震设防水平,并且直接采用地震动参数(目前还只限于地震加速度)来确定.如文献3 Smith K G. : .,2001,23:72-81.提出的基于性能抗震设计的地震设防水平如表1所示.从表中可以看出,水平一相当于我国目前的“小震”设防水平;水平三相当于我国目前的“中震”设防水平;水平五相当于我国目前的“大震”设防水平.基于目前对地震动研究的局限,抗震设防水平还只是基于烈度(在设计时转化为地震动加速度)来设防.但已了解到地震动的速度、位移、持续时间和频率等对结构的安全性也有很大的影响,故为了很好地实现基于性能的抗震设计,以上参数对结构性能的影响有待进一步研究.（2）确定出结构的性能参数。性能参数包括承载力参数、变形参数、能量耗散参数和累积损伤参数。结构反应性能参数的确定在基于性能抗震设计中,为了求得在不同水平地震作用下结构的反应性能指标(这个指标可以由结构变形来确定,也可以由一些定义的破坏指标来确定),就需要采用合理的结构模型、恰当的分析方法进行结构受力分析.由于基于性能坑震设计要考虑不同水平地震作用下结构的性能状态,故不仅需要在低水平地震作用下结构的弹性分析,而且更重要的是结构在强烈地震作用下的非线性受力分析.对于弹性结构分析,一般可采用弹性静力或弹性动力分析手段,分析方法也比较成熟.而对于非线性分析,一般采用弹塑性时程分析或者弹塑性静力分析方法.对于弹塑性时程分析,由于计算量大,分析复杂,且在合理选择地震动时程时也有很大困难,故不适于广泛的应用.而对于弹塑性静力分析方法(-)18,19,特别是结构性能指标以结构变形(层间位移、顶点位移或某些构件的截面的变形)来表示时,弹塑性静力分析可以很方便地确定这些性能指标.目前,在国际上被广泛推广使用.在基于性能抗震设计中,为了很好地控制结构在不同水平地震作用下结构反应性能,在分析中也有必要采用三维的弹塑性分析,考虑地基与结构的相互作用、结构扭转以及非结构构件对结构的影响等诸多因素.（3）确定出结构的性能水准和性能目标性能水准是对结构的性能进行分级、分层次，比如三水准思想中的“不坏、可修、不倒”；再比如SEAOC Vision2000中的“基本性能目标、重要性能目标、最高性能目标”。基于性能的抗震设计思想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是其核心。下面简单介绍我国R.C.结构三水准抗震设计思想和SEAOC Vision2000建议的基于性能的抗震设计思想关于结构性能目标的描述。（1） 我国R.C.结构三水准抗震设计思想中关于结构性能目标的描述如图2所示，共有两个性能指标，即基本性能指标（斜线）和非常重要性能指标（斜线）。它们对各种不同的地震设计水准有不同的结构性能水准与之对应。比如对基本性能指标，要求结构在多遇烈度地震下不受到破坏；在基本烈度地震下容忍小的破坏，但经维修后仍可正常工作；在罕遇地震下不倒塌。非常重要性能目标则比基本性能目标在结构抗震性能水准上高一级。（2）SEAOC Vision2000中关于结构性能目标的描述如图3所示，用有三个性能目标，即基本性能目标（斜线）、重要性能目标（斜线）和安全临界性能目标（斜线）。以基本性能目标为例，它要求结构在多遇地震（Frequent，重现期为43年；30年的超越概率为50）下具有完全良好的工作性能（Full operational）；在偶遇地震（Occasional，重现期为72年；50年的超越率为50）下具有正常工作的性能（Operational），简单地维修是可以接受的；在罕遇地震（Rare，重现期为475年；50年的超越概率为10）下能保证人的生命安全（Lift Safe），一般的局部破坏是可接受的；在罕遇地震（Very rare，重现期为970年；100年的超越概率为10）下不要立即倒塌，从而最大限度的保障人的生命安全，但接近倒塌（Near Collapse）是，可以接受的。从以上两种性能目标的对比中可以看出，前者性能目标少而粗躁，后者性能目标多而具体，因此后者具有更强的适应性和可操作性。（4）进行结构的性能分析并确定设计方法。对结构的性能参数、性能水准和性能目标综合分析以后，确定出合理的设计方法。4.4基于性能的抗震设计方法基于性能的抗震设计思想从提出以来,尽管已有不少学者对此进行研究,对性能设计的主要思想和目的也基本形成一致的认识.但是怎样把基于性能抗震设计理念合理并且简单实用地应用到实际设计中,目前还没有统一的认识.不过从以往学者提出的思路中可以总结出,把性能设计思想应用到实际设计中主要有两种方法9,12:基于传统的设计方法.即首先进行基于地震作用的强度设计,然后进行变形验算.与目前设计方法主要的不同是,结构性能水平要有多水准明确的量化,在考虑多级水平地震作用下,进行结构性能的验算.结构目标性能水平考虑结构初期投资以及在未来可能遭受的地震损失等综合因素,采用可靠度理论和优化思想来确定.直接基于位移进行抗震设计9,12,2022.即采用结构位移作为结构性能指标.与传统设计方法相比,基于位移的抗震设计方法从根本上改变了设计过程.主要的不同是,这种设计思路是直接以目标位移作为设计变量(目标位移的确定可以根据不同的性能要求确定,如考虑适用性或安全性).通过设计位移谱得出在此位移时的结构有效周期,进一步得出结构的有效刚度(此位移对应的割线刚度),求出此时结构的基底剪力,进行结构分析,并且进行具体配筋设计.采用直接位移的设计方法,可以在设计初始就明确设计的结构性能水平,并且使设计的结构性能正好达到目标性能水平,而不是传统设计时给出一个限值.同时也可避免传统设计方法带来的重复设计而增加设计费用.并且采用结构对应最大位移进行变形设计而不是像传统方法采用初始刚度进行变形计算,这与结构实际情况更为符合.5可靠度理论在基于性能抗震设计中的应用作为处理结构设计中不确定因素的合理思想结构可靠度理论已经成功地应用到结构设计中,并且指导制定结构设计规范.对于抗震设计,由于地震作用在时间、强度和空间的强随机性,以及结构材料强度、设计和施工过程以及人为因素的影响,使得结构的性能在地震作用下会有很大的不确定性.故把可靠度理论应用到结构抗震设计中是可以合理地处理一些不确定因素.目前我国抗震设计规范在进行构件强度设计时就采用了可靠度思想,尽管在设计过程没有直接采用可靠度理论,但是各设计表达式的分项系数是采用可靠度分析和优化思想确定的,这样就可以保证结构构件的可靠度水平保持在一定水平之间.对于基于性能的抗震设计,由于要更明确地确定结构在不同水平地震作用下的性能水准,就应该更合理地处理这些不确定因素,也就应该基于可靠度理论进行结构抗震设计6,8,9.这一点在美国联邦紧急救援署( )的研究报告中明确提出“基于性能的结构抗震设计框架应该是基于可靠度理论的”.我国学者也提出相同的看法6.目前抗震设计在可靠度分析中考虑的不确定因素主要有结构反应的不确定性,结构本身抗力的不确定性以及计算模式的不确定性.但已知道,影响结构抗震性能的不确定因素很多,如人为的不确定性,地震发生时间的不确定性以及环境造成的不确定影响等.这些都会给结构未来的抗震性能带来影响.故把可靠度理论应用到基于性能抗震设计中,除要考虑以往已经考虑的不确定因素外,另外一些不确定因素也应考虑进去.不过一些不确定因素对结构性能的影响需要做长期大量的统计调查和试验研究,所以要很完整地考虑这些不确定因素还需要做长期的工作.基于性能的抗震设计思想主张抗震设计应以结构体系的可靠度理论为基础进行，并由传统结构设计规范中的分项系数表达形式（隐式）过渡到直接采用可靠度的表达形式（显式），即： （1）式中，pr为结构的可靠度；pf为结构的失效概率；Z为性能函数；pr为结构的目标可靠度。这里的难点在于pf的计算，因为Z由多个随机变量控制，且各变量间有可能存在相关关系，因此在求Pf时，不但要知道各个变量的概率分布函数，还要知道相关变量的联合概率分布函数，然后进行多重积分运算。即使Z只考虑相互独立随机变量R（结构抗力）和S（结构上的效应）的简单情况，令Z=R-S,构件的失效概率计算仍然比较复杂。如图1所示，这时的失效概率表达式为： (2) 其中的概率密度函数fR和fR本身并不明确，这样的积分运算也不容易。根据目前的实际情况，应该抓住若干个主要的性能变量，并适当简化其概率分布模型，利用数值方法求解并编制计算程序，这应是一个有效的途径。(5) 目标性能水平的确定在采用基于性能设计原理制定结构抗震设计规范时,首先要面临的一个问题是目标性能水平的确定,也就是结构性能水平究竟取多高.取得太高,尽管可以使结构变得安全,但也会大大增加结构的初期投入;取得太低,尽管可以降低结构初期造价,但会增加未来的使用风险.所以结构抗震目标性能水平的确定,目前认为合理的方法是采用“投资-效益”准则,使设计结构处于考虑安全性和经济性的合理平衡上.对于这个问题,也有不少学者提出了不同的研究方法6,11.在阅读文献的基础上,本文提出了一种确定结构目标性能的方法,具体分为三个步骤:确定结构最小初始造价与结构性能水平的关系.同一结构性能水平,可以有不同的设计方案.而不同的设计方案往往结构造价也不同.这样就很难建立起结构初始造价和性能水平的函数关系.但是,在不同的设计方案中,总可以找到一个设计方案,使结构初始造价达到最小,这样就可以建立结构最小造价和性能水平的函数关系,便于采用直接优化的方法确定结构目标性能水平.确定结构各种目标性能水平的合理关系.在结构造价一定的条件下,采用优化的思想,确定结构各种性能水平的合理比例关系.如“小震不坏”和“大震不倒”可以看作结构性能的两个水平.其中“小震不坏”主要由结构强度控制,而“大震不倒”主要由结构延性控制,是属于结构抗震特性的两个方面.这样在结构设计时,考虑到不同地震发生概率的不同以及带来损失的不同,需要进行合理材料配置,使二者的失效概率处于一个适当的比例,从而使结构在设计基准期内,在可能遭受的地震作用下的损失达到最小.确定结构抗震目标性能水平.在前面分析的基础上,采用优化的思想,确定结构目标性能水平.为基于性能设计原理制定建筑抗震设计规范提供分析基础.使得基于性能抗震设计原理设计的建筑结构达到考虑安全性和经济性的合理平衡.从而使建筑抗震设计更加科学化和合理化,使建筑结构抗震设计与社会总体发展相适应.（6）制定出相应的设计