概述

基于性能的抗震设计思想

基于性能的抗震设计研究内容

基于性能的抗震设计研究概况

概述

“基于性能”一词源于英文Performance-based。基于性能的抗震设计

（PBSD）理论是20世纪90年代由美国科学家和工程师首先提出的，最早应用于桥

梁抗震设计中。基于性能抗震设计的基本思想是使被设计的建筑物在使用期间满

足各种预定功能或性能目标要求。这一思想影响了美国、日本和欧洲地震工程界

。各国同行表现出了极大的兴趣，纷纷展开多方面的研究。

基于性能的抗震设计思想

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”设防水准，被认为是目前处理地震作用高度不确定性的最科学合理的对策，这种设计思想在实践中也已取得巨大的成功。事实上，在发达国家和地区，即使在人口高度密集的城市周边区域，由于绝大多数建筑物按现行的抗震规范设计或加固，重大地震灾害造成的人员伤亡已经明显下降，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结构正常使用功能的丧失而引起巨大的经济损失。特别是随着经济的发展，结构物内的装修、非结构构件、信息技术设备等的费用往往大大超过结构物的费用，这种损失更加严重。

目前的抗震设计中还存在一下局限性：

首先，设计阶段建筑的抗震性能并不明确。目前的抗震设计只是按照规范给出的步骤进行，很少对结构在地震作用下的有惯性能进行评估，因为没有对要求的性能进行明确规定。

其次，业主和使用者很难了解建筑的抗震性能，因为没有人向业主和使用者进行说明。这样有时会引起误解，比如，工程师对建筑性能的期望是大震不倒，而业主对建筑性能的期望则可能是大震下建筑内财产不受损害。而建筑结构作为一种商品，业主和使用者有权知道它的实际性能。

第三，建筑结构的抗震性能没有用来进行经济评估。投资-效益准则作为平衡造价与性能的一个重要原则，在其他工业领域得到了广泛应用，而在建筑结构却很少应用，其主要原因在于建筑结构的性能没有清晰明确，所以业主无法了解在付出一定的投资后能得到怎样的效益。建筑结构有着不同于其他批量生产的工业产

品的特点，大部分建筑结构都是唯一的，业主很难在决定购买之前去使用或检验建筑的实际性能。

基于性能的抗震设计思想是20世纪90年代初由美国学者提出，它是使设计出的结构在未来的地震灾害下能够维持所要求的性能水平。投资-效益准则和建筑结构目标性能的“个性”化是基于性能的抗震设计的重要思想。基于性能的设计克服了目前抗震设计规范的局限性。在机遇性能的设计中，明确规定了建筑的性能要求，而且可以用不同的方法和手段去实现这些性能要求，这样可以使新材料、新结构体系、新的设计方法等更容易得到应用。而目前广泛采用的建筑结构常规设计方法实际上是基于规范准则，而不是基于性能准则，则目前的常规设计师完全按照规范的要求进行的，没有明确建筑结构的实际性能水平。

我国一些学者也对PBSD进行了定义：“基于性能的结构抗震设计是指根据建筑物的重要性和用途确定其性能目标；根据不同的性能目标提出不同的抗震设防标准，使设计的建筑在未来地震中具备预期的功能。”?

基于性能的抗震设计研究内容

基于性能的抗震设计PBSD（performance based seismic design）是基于性能的地震工程（PBEE）的一部分内容（设计过程），它包括了地震风险水平的确定、性能水平和目标性能的选择、适宜场地的确定、概念设计、初步设计、最终设计、设计过程的可行性检查、设计审核以及结构施工中的质量保证和使用过程中的检测维护的细化工作等。

基于性能的抗震设计主要包括三个步骤：

（1）根据结构的用途、业主和使用者的特殊要求，采用投资-效益准则，明确建筑结构的目标性能（可以是高出规范要求的“个性”化目标性能）

（2）根据以上目标性能，采用适当的结构体系、建筑材料和设计方法等（而不仅仅限于规范规定的方法）进行结构设计。

（3）对设计出的建筑结构进行性能评估，如果满足性能要求，则明确给出设计结构的实际性能水平，从而使业主和使用者了解（这是区别于目前常规设计的）；否则返回第一步和业主共同调整目标性能，或直接返回第二部重新设计。

基于性能的抗震设计研究概况

自基于结构性能的抗震设计理论提出以来，建立以结构功能评价为理论基础的结构设计体系是近几年美国、日本和新西兰等国家的研究课题。美国加利福尼亚结构工程师学会于1992年成立放眼21世纪委员会(Vision2000Con注幻nltteeSEAOC)。该委员会的目的是建立新的结构性能设计体系的框架，其研究工作得到美国自然科学基金会和加州政府的有力资助。美国联邦紧急救援署(FEMA)和国家自然科学基金会(NSF)还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能研究。日本也在多方资助下于1995年开始了为期三年的“新建筑结构体系开发”研究项目，成立了有国内著名学者参加的新建筑构造体系综合委员会，下设性能评价、目标水准和社会机构三个分委员会。为推进和协调这一项目进程，还建立了“新构造体系促进会议”，讨论、规划、协调各方面的工作。英国等欧洲国家和智利等拉美国家也进行这项研究门。目前这项理论研究在我国还处在起步阶段。19%年在中美抗震规范学术讨论会上曾就此理论进行过交流，引起我国学者的关注，就框架和剪力墙结构的变形容许值进行了探讨，还把基于结构性能设计理论引人到结构优化设计领域，提出基于性能的抗震优化设计概念。王亚勇建议中国21世纪的抗震设计应顺应国际发展的趋势，发展适合国情的基于性能设计的结构抗震设计理论。

国内外地震工程界和结构工程学界目前就基于结构性能的抗震设计理论这一课题所进行的主要工作有:

(l)三级结构性能水准:指生命安全水准、结构损伤水准，确保使用功能水准。生命安全水准要求在地震作用下不产生楼层倒塌;结构损伤水准要求保证不发生危及结构安全的损伤;确保使用功能水准要求结构不产生影响建筑功能的变形等。

(2)三级抗震设防水准:相应于三级结构性能水准提出的最高设防水准，在建筑寿命期间遭遇一次地震危险的水准和可能遭受多次地震危险的水准。

(3)结构计算分析方法:对应于三级结构性能水准和抗震设防水准提出的结构计算分析方法和极限状态;弹性解析法及使用极限状态;弹塑解析法及破坏极限状态;等效线性化反应谱解析法及保证结构的使用功能的变形限值等。

(4)结构安全性:根据上面确定的特性参数，估计结构的临界变形、屈服点，确定设备正常使用的地震反应限值。可以采用极限变形或能量作为评估安全性的基准。

到目前为止，通过大量的研究工作取得了一些成果。如对建筑结构确定一组合理的功能水准，对梁、柱等构件弯曲、剪切及轴向变形甚至梁柱节点的塑性功能水准给出数值指标。根据建筑物的重要性和用途确定功能目标。基于结构性能的抗震设计程序沿袭了现行的结构体系设计方法，强调结构位移性状和

非线性弹塑性静力分析。这里介绍基于结构性能设计的“能力谱”法和位移影响系数法。

l)“能力谱”方法

能力谱”方法(CapacitySpeetrumMethod)的最初概念是由Freeman等人在1975年为美国海军

工程项目作简化评估时提出来的l坷，后来经过不断改进。它实质上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。这里的反应谱指单自由度弹性体系在给定地震输人下

的加速度反应谱;能力谱曲线是指通过对结构进行Push一over分析，转换得到等效单自由度体系的加速度一位移关系曲线

2)位移影响系数法

此方法用来确定给定结构静力分析的最大期望位移