基于性能的抗震设计方法研究
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作者: 庞辉
0 引言
地震造成的损失巨大，给社会的经济和人们的心理都带来了很大的负面效应，超出了人们所能接受的能力。“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，虽保障了人的生命安全，但随着人口城市化进程的加快和科学技术发展的今天，已不再是一种完美的设计理念。
基于对上述问题的深刻反思，美国学者Bertero在20世纪90年代初期，首先提出了基于性能的抗震设计理论的新概念。这个理念的提出，得到了各国学者的广泛关注和兴趣。并展开了多方面的研究。目前，美国、新西兰、日本和欧洲等国家都把基于性能的抗震设计理论作为改进抗震设计方法、完善抗震设计规范的重要研究课题。
基于性能的抗震设计理论实际上是一个总体设计思想，主要指结构在受到不同水平地震（不同概率地震）作用下的性能达到一组预期的性能目标。这一理论的提出，是结构抗震设计思想的一次重大变革，它使抗震设防目标由传统的以生命安全为单一设防目标转为综合考虑生命安全与财产损失两方面的具体要求，强调了“个性”设计。目前，普遍的观点认为，基于性能的抗震设计理论主要包括以下内容：确定设防水准，划分结构的性能水平，选择合适的性能目标确定抗震的性能准则，研究抗震性能的分析方法，研究基于抗震性能的设计方法，制定基于性能的抗震设计规范。
1 基于性能的抗震设计方法
基于位移抗震设计方法
为实现性能抗震设计思想，可以借助多种方法，如传统的基于强度的设计方法、基于位移、能量、损伤的设计方法等。但就目前的研究水平而言，把性能设计应用到实际设计中主要有两种方法[1-2]，分别是基于强度的抗震设计方法和基于位移的抗震设计方法。
与传统的设计相比，基于性能的抗震设计方法从根本上改变了设计过程。主要不同是：这种设计思想直接以目标位移作为设计变量。采用基于位移的抗震设计方法，可以在结构设计初始就明确结构的性能设计水平，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。采用结构对应的最大位移进行变形设计，这与结构实际情况更为相符。
基于性能的抗震设计是指：根据结构的重要性和用途，提出不同的抗震设防水准和预期的性能目标，使设计的结构在未来地震中具备预期功能，从而使结构在整个生命期内，在遭遇可能发生的地震作用下，总的费用达到最小。当前，国内外对基于性能的抗震设计开展的研究工作主要集中在以下几个方面：
1）多级抗震设防水准的确定
抗震设防水准是指工程设计中，根据工程所在的地震环境和已定的设防目标，并考虑具体的社会经济条件来确定采用多大的设防参数，或者说应采用多大的强度作为防御的对象[3-4]。基于性能的抗震设计要求能预期结构在未来可能发生的地震作用下的抗震性能，即在抗震设防水准和性能水准之间建立起某种对应关系，因此，抗震设防水准的确定在基于性能的抗震设计中占有重要地位。
2）多级抗震性能水准的确定
性能水准，是指结构在某一特定抗震设防水准下预期破坏的最大程度。基于性能的抗震设计趋势是将结构构件、非结构构件等多种因素考虑进去，结构、非结构构件的破坏及其起的后果都被认为是性能水准。由此划分的抗震性能水准要更具体细致，使人们的选择范围更灵活。
3）可行的结构设计与分析方法
基于性能的抗震设计要求建立适合于在多级抗震设防水准下实现多级性能水准的结构设计与分析方法。
性能水准有两种彼此关联的表示方式：一种是定性的描述，另一种是定量的描述。前者主要针对非专业人员，如关于破坏程度、运营情况等的描述；后者主要针对专业人员，用于设计、维修、评估等，采用的指标通常为位移、延性系数等。
基于性能的抗震设计思想是一种基于投资和效益平衡的多级抗震设防思想，即要求在不同水准的地震作用下，根据结构的重要性、用途或业主的要求确定。同传统的抗震设计思想相比，基于性能的抗震设计思想主要有以下几个特点：
1）性能目标的多级性，即在不同的地震设防水准下，结构应满足不同等级的性能要求；对重要的结构，其性能目标要高于一般结构。
2）性能目标的可选性。在基于性能的抗震设计中，可以在满足规范的前提下，根据结构的用途及业主、使用者等的特殊要求，由工程师同业主、使用者共同研究制订结构的性能目标。这样，不仅可以满足不同业主提出的设计要求，发挥研究者、设计者的创造性，同时也有利于新材料和新技术的应用。
3）结构抗震性能的可控制性。在基于性能抗震设计中，在设计初始就明确结构的性能目标，并且使通过设计，使结构在各级地震作用的反应能够达到预先确定的性能目标，因而结构的抗震性能是可以预测和控制的。
结构抗震性能目标是针对某一地震设防水准而期望达到的抗震性能等级。结构抗震性能目标的建立需要综合考虑结构本身和社会效应的诸多因素。Vision2000 委员会建议将结构抗震性能目标分为三个等级：基本设防目标、重要设防目标和特别设防目标。基本设防目标是一般建筑设防的最低标准；重要设防目标是医院、公安消防、学校、通讯等重要建筑设防的最低标准；特别设防目标是含核材料等特别危险物质的特别重要的建筑的最低设防标准。
2 结论
基于性能的抗震设计理论的研究是一项有重要意义的课题，它的研究与发展有待国内外土木工程界和地震工程学界的共同努力。目前需要研究的问题有：
（1）对结构性态进行准确的评估；
（2）结构性态的明确说明；
（3）新型结构和特殊结构（如隔震或耗能减震结构）的基于性态设计的研究。
【参考文献】
[1]PriestleyM.J.N. Performance based seismic design12th Word Conference on Earthquake Engineering，Auckland，2000，Paper No.2831[Z].
[2]Fajfar，P. krawinkler， Helmut .Seismic design methodologies for the next generation of codes：Proeeedings of the Intemational Workshop on Seismic Design Methodologies for the Next Generation of codes[Z].Bled，Slovenia，June1997.
[3]张新培.基于性能的抗震结构设计理论的若干进展[J].四川建筑科学研究，2001（1）：34-35.
[4]马玉宏，谢礼立.考虑地震环境的设计常遇地震和罕遇地震的确定[J].建筑结构学报，2003，23（1）：43-47，67.
[责任编辑：汤静]
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