探讨新形势下性能抗震设计理论与实践

【摘 要】历经频频地震灾害，一些发达国家和地区在房屋建筑方面提出性能抗震设计理论，该理论强调抗震设计的基础和关键工作是性能目标的确定，为使设计出来的工程在未来发生地震时，能够达到各种选定的性能目标。

【关键词】性能；抗震；设计

在上个世纪90年代的一些国家地区发生了地震灾害，虽然没有因房屋倒塌而使大量人员伤亡，但一些设备和高层建筑物，却因结构损伤和过大的变形造成了巨大的经济损失。这使人们意识到，现代化充分发展的当前形势下，只注重建筑物在地震中不受严重破坏和不倒塌，是不够完善的抗震思想，已适应不了现代工程抗震的需求。这种情况下，各国学者纷纷对抗震性能的设计理念进行研究。

1 性能抗震设计及发展

抗震性能设计是以结构抗震性能研究作为基础，通过建筑物的重要性和用途及业主要求等方面进行性能目标的确定，据此提出各种抗震设防水准，使得经过设计的建筑物在未来能起到更好的抗震作用，达到预期的抗震目标。确定性能目标需要设计人员和业主的共同配合，为使结构在将来地震时所造成的损失是业主和社会的承受范围内。

自从提出性能抗震设计理论后，各国都投入了大量人力物力从这方面进行研究，也取得了很好的成绩。1995年，美国加洲工程师协会报告中有明确提出性能抗震设计的理论框架；美国联邦紧急救援署（FEMA）和国家自然基金会（NSF）资助进行了一项为期六年的计划，主要针对未来的抗震设计等方面的基础性能研究；1996年，日本政府宣布建筑法标准将根据基于性能进行修订，已达到国际一体化要求；2000年，日本建筑法规正式采用了基于性能的设计概念的能力谱法。在我国也开展了基于性能的抗震设计研究，现仍处于起步阶段。

2 性能抗震设计理论的特点

在现行抗震设计理论的反思基础上产生了性能抗震设计理论，两者之间有着一定的区别和联系，从对比中可得出性能抗震设计的特点。

（1）多级设防目标的采用。目前现行的抗震设防水准是：“小震不坏，中震可修，大震不倒”，一级设防目标是保障人们生命安全，避免不了大震造成的经济损失。在性能抗震设计理论中有提出多方面设计理念，既要保证生命安全，又要将经济损失控制在可承受范围，更注重保护非结构构件和内部设施，它们在经济损失中占有一定的比例。

（2）投资效益准则的引进。性能抗震设计理论的重点，逐渐向全面注重结构的功能、安全及经济等多方面的转变。按投资效益准则为依据，对费效进行分析，在可靠和经济之间作出合理的平衡，从而确定最佳抗震设计方案，更好地达到优化设计。

（3）具有的自由度更大。基于性能的抗震设计在满足“共性”同时，更重视“个性”的设计，使业主与设计人员能很好的交流，将结构的用途与业主的特殊要求相结合，进而确定结构性能目标。设计人员可以根据实现该性能目标选择合适的设计方法及采取相应措施，这样既有利于调动设计人员的积极性，又有利于新材料的使用和开发新技术。

3 性能抗震设计工程应用

基于性能或位移抗震理念的提出，使研究和设计人员更加注重对结构中震和大震作用下地震反应分析和计算的研究。采用性能化的设计方法是下一代抗震设计方法的主要内容，已在许多重要的工程中得到了初步应用。

3.1 设定地震水准

人们对“小、中、大”3种水准抗震设防已有了一定的认识，抗震规范有了现成定义标准，经过多年的使用，在人们的心目中的概念已经很明确，可以直接套用。

第一水准，小震： 50年内超越概率为63.2%的地震烈度，其重现期为50年，比中震低1.55度。

第二水准，中震： 即地震基本烈度，地震影响系数的最大值约为小震的2.8倍，50年内超越概率为10%的地震烈度，其重现期为475年。

第三水准，大震： 即罕遇地震，50年内超越概率为2% ～3%的地震烈度，地震影响系数的最大值大约为小震的4.5～6倍，当基本烈度为6、7度时分别为7度强和8度强，当基本烈度为8、9度时分别为9度弱和9度强，其重现期为2000年。

3.2 性能水准的概念

从设计实用的观点出发，性能水准应采用设计人员能够掌控其物理量的结构工作状态来定义。表3给出了笔者建议的性能水准概念。

每个水准的构造措施是由结构耗能高低的原则来选取。根据能量观点可知，一次地震输入到结构的能量是一定的，结构是否在地震中不发生倒塌，主要取决于结构能否以各种形式耗散地震产生的能量；结构的耗能能力主要与结构的承载能力和塑性变形能力有关，承载能力高时，塑性变形就会变小，其延性要求就会降低，承载力低时，塑性变形就会大，对其延性的要求就会较高。

3.3 性能目标的选择

在地震水准和定义好性能水准的设定后，我们需要组合多个性能目标，表4是笔者提出的一组适用于普通建筑的结构抗震性能目标。性能目标选择时需要确定重要部位和薄弱部位，设计人员可通过工程的实际情况确定性能目标的选择。

某在建办公楼，结构体系为框架-核心筒结构体系，7度设防，结构高度 237.7m，平面规则，沿立面高美工无突变，如图1所示。由于结构仅高度超限的特点，可对其性能目标进行确定：①小震下，基本结构无损，无需修复。证明结构满足弹性设计要求，包括层间位移和全部构件的抗震承载力满足现行规范要求。 ②中震下，结构受到中等破坏，进行简单修复即可。证明结构墙体和框架柱满足弹性设计，使连梁和框架梁等延性构件在屈服阶段。③大震下，结构明显破坏，但没造成倒塌，证明结构的非线性分析可满足大震下的位移，同时竖向构件应不出现剪切等脆性破坏。

根据上述计算步骤经过不同水准下的计算分析得出：结构框架梁和连梁按小震要求设计，框架柱及核心筒按中震弹性要求设计，并运用静力弹塑性分析和进行结构评估；结构大震作用位移为1/146，满足规范要求，结构大震不屈服作用下，核心筒主要剪力墙剪压比均小于 0.15，不发生脆性破坏，结构性能优于规范要求的大震不倒的目标。

4 结语

性能抗震设计是抗震设计发展的一种趋势，它给了业主和设计人员一定“自主选择”抗震设防标准的空间，我国在高层建筑设计中也有应用，并取得很好的进展。由于当前基于性能的抗震设计还处于研究阶段，性能目标的确定、设计方法的合理选择以及复杂的弹塑性分析等因素仍制约着基于性能的抗震设计的发展。抗震规范中体现出性能设计，说明它是未来抗震设计发展的方向，符合社会发展的需要。

参考文献：

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