结构抗震性能评估方法研究现状与发展方向

摘 要：对结构抗震性能评估方法的研究现状进行了系统的概括和总结，详细阐述了基于性能的抗震设计理论的产生背景、基本概念、主要内容和特点，深入分析了基于性能的抗震分析和设计方法，并指出了这一研究领域的发展方向，供相关研究人员参考借鉴。

关键词：抗震设计；基于性能；抗震性能评估方法

中图分类号：TU352.1+1文献标识码：A

一、引言

地震是具有突发性和毁灭性的自然灾害，是我国的主要自然灾害之一。我国有一半以上的地区都曾经不同程度的遭受过地震灾害。地震引发的房屋倒塌和建筑物使用功能的丧失会导致重大人员伤亡和财产损失。与其它类型荷载相比，地震荷载具有发生频率低、强度大、随机性强的特点，导致在一定的设计基准期内，在有限的社会经济条件下，不可能使结构在强烈地震荷载作用下，完全不发生破坏。针对这一特点，国内外普遍采用“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三级设防准则，目的是使结构在设计基准期内遭受低于本地区设防烈度的多遇地震时不发生破坏或无需修理仍可继续使用；当遭受本地区设防地震作用时，可能损坏，但经过修理仍可继续使用；当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震作用时，结构不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。这一原则同样适用于已建结构的安全评定，已被世界各国的规范所广泛采用。然而，近十年来发生的多次大的地震灾害所导致的严重损失使得越来越多的工程人员和研究学者认识到以往的三级设防准则实际上是以保证人的生命安全为主要目标的抗震设防准则，据此设计的建筑物结构在罕遇地震作用下可以实现避免倒塌而不危及人的生命安全的目标，但地震灾害所造成的经济损失和社会影响可能会远远超过社会和业主所能承受的极限。随着现代社会的急速发展，科技的日新月异，世界城市化进程的加快和城市功能越来越趋向于集成化、智能化和密集化，意味着地震灾害所造成的经济损失将会越来越严重，使得社会和业主对建筑结构抗震性能提出更高的要求：建筑结构在罕遇地震作用下不仅能够抵御倒塌，而且还能够保证震后建筑使用功能的延续并尽可能的减少经济损失。因此，为实现“使结构在未来地震中的抗震性能符合人们预先设定目标”的新型抗震理念既基于性能的抗震设计思想应运而生。

基于性能的抗震设计的目的，是在不同地震设防水准下有效控制结构破坏状态并实现多层次性能水平，尽可能减小建筑物在全寿命期内的总体建造及运行费用。目前基于性能的抗震设计的研究主要包括抗震设防水准的确定、结构性能水平及其量化指标、结构性能目标的选择以及基于性能的抗震设计方法等。

性能设计的首要任务是确定结构的破坏准则，这不仅要求选择合适的参数指标来对结构或构件的抗震性能进行描述，还要对这些参数进行量化。对此，各国专家学者结合试验和工程经验进行了深入研究并给出了各种的准则。建立地震损伤准则后，就需要有与之相对应的抗震性能评估方法。每一种损伤准则在建立时候的出发点是不同的，这也就决定了评估方法上也不可能做到完全一样，每一种方法都有其独特性。

二、研究现状

（一）基于位移的结构抗震性能评估方法

基于位移的抗震设计方法主要是用位移指标来控制建筑物的抗震性能，在设计时进行定量分析，使结构的塑性变形能力能够满足未来地震作用下的变形需求。与传统方法相比较，两者最主要的区别是后者由承载力计算位移，而前者则基于位移的设计方法由位移来计算承载力[1]。

Newmark和Hall[2]最早在1969 年提出：无论结构处于弹性或者是非弹性状态，其顶点位移与地面运动位移相等，即等位移原则。在Newmark 的研究基础上，各国学者开始利用非线性反应谱进行结构设计。将位移作为设计控制指标同时也诞生了各种各样的非线性反应谱。Pal等人[3]较早的在塑性反应谱方面进行研究，并从塑性反应谱中发现结构的设计地震荷载根据结构周期和延性需求的不同可以进行不同程度的折减。童根树等[4]对塑形屈服强度需求系数谱进行研究并得到了屈服强度需求系数与周期及延性系数的关系。Aschheim等人[5]分析了P-delta效应对屈服点谱的影响。

在大量非线性反应谱研究的基础上，研究人员从各自不同角度提出了多种多样的位移设计方法。Tjhin等人[6]提出了RC剪力墙结构基于屈服位移的抗震设计方法。该方法建立在屈服时对屋顶位移估计的基础上，所需的基底剪力由等效单自由度体系的屈服点反应谱来确定。Goel等人[7]采用塑性设计谱来代替弹性设计谱，提出了改进的直接基于位移的性能抗震设计方法，较好的解决了按照后者设计的结构位移和延性需求被低估的问题。Panagiotakos等人[8]研究了多层钢筋混凝土框架结构的塑性变形需求估计方法，通过上千次的非线性动力分析确定了估计多层框架最大塑性层间位移和构件转角的原则。梁兴文等人[9]利用等截面悬臂柱的侧移曲线作为结构的初始侧移模式，并根据性能水平确定结构的目标位移，在此基础上提出了RC框架结构基于位移的抗震设计方法。

上述研究均停留在整体结构的层面，重点考虑的是如何实现这种设计方法。随后，许多研究人员意识到单纯的结构层次研究还不能做到完全保证构件在地震作用下达到预期目标，因此他们从梁、柱等基本构件入手，着力解决构件的变形设计方法。钱稼茹、徐福江等人[10]首先建立了钢筋混凝土柱的屈服位移角和极限位移角计算公式，并依据实验提出了钢筋混凝土柱基于位移的变形能力设计方法；随后又研究了RC梁的屈服位移角与受拉钢筋屈服强度和截面高度的关系及极限位移角与配箍特征值、剪跨比和相对受压区高度的关系，并提出了钢筋混凝土梁基于位移的能力设计方法[11]。张国军等人[12]依据高强混凝土框架柱的试验结果，分析了试验柱的屈服位移角、极限位移角及延性与各种构件性能参数之间的关系，建立了配箍特征值与轴压比以及极限位移角间的关系，提出了配箍特征值的计算公式。

综上所述，将位移作为设计目标符合人们对建筑物结构通过变形来耗散地震能量的一般认识，且参数本身简单明确，容易应用到实际的结构设计中去。但随着工程技术人员和研究学者对结构抗震的深入认识，位移指标能否作为衡量结构抗震性能的依据受到了很多质疑，能量及损伤指数等考虑累积耗能的指标则越来越受到人们的重视。

（二）基于能量的结构抗震性能评估方法

与位移设计方法一样，能量设计方法的研究也是从能量反应谱入手。由于结构的破坏主要体现在滞回耗能，因此需要重点关注的是能量输入谱和滞回耗能谱两方面内容。

江辉等人[13]选取距离断层15km范围内的224 条强震记录进行分析，提出了桥梁结构基于能量的抗震评估设计方法，并用算例证明了这一方法的可行性。Benavent等人[14]根据哥伦比亚地震记录研究了中高烈度区的设计能量输入谱，发现在短周期范围由于结构塑性开展，输入能量随周期逐渐增大。刘哲锋等人[15]在研究中发现输入能量谱对阻尼比的敏感度较小，而地震波峰值速度与峰值加速度的比值以及强震持时对谱形的影响较大，在此基础上提出了线性SDOF体系输入能量谱的简化计算方法。

在研究能量输入谱的同时，滞回耗能谱的研究也在有条不紊的展开。盛明强等人[42]按照场地类别和强震持时，将几百条地震记录进行分组，进行单自由度体系的弹塑性时程分析，研究了考虑场地类别与强震持时滞回耗能谱的特征并建立了简化滞回耗能谱的计算公式。滕军等人[16]根据反应谱计算理论得到了SDOF体系的输入能量谱、滞回耗能谱、动能谱以及阻尼耗能谱的计算公式，在此基础上提出了描述输入能量谱的曲线方程，回归得到了简化计算公式。

之后相关研究结果表明，结构的最大位移反应取决于瞬时输入的能量。科研人员依据这一观点提出了新的抗震设计思路。胡冗冗等人[17]分析了体系瞬时输入能量最大值与结构最大位移反应之间的对应关系，发现这种对应关系受滞回环数量及偏移的影响，认为瞬时输入能量对结构最大位移反应起决定性作用。梁军等人[18]从地震动的选取以及结构的耗能能力估计方面对能量法的研究状况进行总结，分析认为瞬时输入能量对抗震设计具有重要的意义。王常峰等人[19]则在分析双线性系统最大瞬时输入能量对应位移与结构最大位移之间的关系得基础上，深入研究了等价速度谱及其变化规律，并对如何根据瞬时输入能量评价结构最大位移的问题进行了探讨。

能量反应谱的建立为能量设计方法的提出奠定了基础，科研人员在这一领域也开展了大量的研究工作。Ghosh等人[20]将能量设计准则与可靠度设计方法相结合，提出了基于可靠度并考虑地震现象、等效单自由度方法、场地、土层等因素随机性的能量设计方法。Decanini等人[21]在建立给定位移延性系数下的塑性设计输入能量谱的基础上给出了不同场地土类型和目标延性下的滞回耗能与输入能量的比谱，并提出了基于能量的地震需求评估方法。

（三）基于损伤的结构抗震性能评估方法

根据损伤力学，导致结构破坏主要原因有两个：一是结构的变形或内力超出了承受范围；二是当结构的变形或内力较小，未达到极限值时，持续不断的疲劳累积造成破坏。因此，地震作用下结构的破坏不仅与最大变形有关，还与地震作用过程中滞回耗能的累积程度有关。地震时很多结构并未在主震时坍塌，而是在随后的余震作用下被摧毁，其主要原因就是因为累积耗能的作用。基于这种考虑，国内外学者建立了多种涉及变形和能量的双参数指标，而研究的对象也由钢结构逐步向钢筋混凝土结构转移。

Shen等人[22]提出了钢框架地震作用下的累积损伤模型，分析主余震作用下钢框架的弹塑性反应，并通过振动台试验进行了验证。Perera等人[23]在考虑循环变形的最大幅值得同时考虑了循环的圈数，据此建立了钢筋混凝土结构的疲劳损伤模型。

随后，有学者从反应谱的角度对结构损伤进行分析研究。Das等人[24]提出了基于损伤的抗震设计方法并在考虑三种不同的地震模型（指数分布、对数分布以及韦伯分布）的基础上建立了设计力比值谱。Kunnath等人[25]首先提出了估计塑性圈数需求谱的简化方法，然后利用地震输入能和耗散滞回耗能之间的关系建立了塑性圈数需求谱。

再后来，研究人员逐渐提出了考虑结构损伤的若干评估方法。李宏男等人[26]由推覆分析得到的结构力—变形曲线计算结构的损伤指数，并与能力谱方法相结合建立了一种新的损伤评估方法。侯钢领等人[27]首先建立反映不同设防水准损伤目标的地震损伤容许延性系数，而后应用Chopra能力谱法来确定损伤延性系数，在此基础上提出了评价结构抗震性能的方法。王丰等人[28]推导了层间最大变形与滞回耗能之间的关系，将最薄弱楼层的损伤作为控制目标进行设计从而实现了多水准设计思想。

三、结语与展望

基于性能的抗震设计理论自二十世纪九十年代提出以来，引起国内外学者的广泛关注并得到快速发展。本文参考国内外文献，对结构抗震性能评估方法的研究现状进行了系统总结, 并对今后的研究提出展望。今后的研究应主要集中于以下几个方面：

(1) 目前基于性能抗震设计还处于初级研究阶段，在目标性能水平的合理划分与确定、结构自身抗震性能的确定及结构非线性精细分析等多方面还需具体深入的研究。

(2) 结构的性能水平一般依据层间位移转角来划分，目前的层间位移转角方面的研究还仅限于一些基本构建，对结构整体变形能力的研究较少。

(3) 结构概率地震需求分析是结构抗震性能评估的基础，目前在这一方面的研究还不多见。此外，寻求一种简单有效的概率地震需求分析和抗震设计方法以使结构满足某种特定目标性能是当前急需解决的一个主要问题。

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