基於性能的結構抗震設計

基於性能的結構抗震設計

“基於性能”一詞源於英文Performance-based。基於性能的抗震設計(PBSD)理論是20世紀90年代由美國科學家和工程師首先提出的,最早套用於橋樑抗震設計中。基於性能抗震設計的基本思想是使被設計的建築物在使用期間滿足各種預定功能或性能目標要求。這一思想影響了美國、日本和歐洲地震工程界。各國同行表現出了極大的興趣,紛紛展開多方面的研究。

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概念

“基於性能”一詞源於英文Performance-based。基於性能的抗震設計
(PBSD)理論是20世紀90年代由美國科學家和工程師首先提出的,最早套用於橋
梁抗震設計中。基於性能抗震設計的基本思想是使被設計的建築物在使用期間滿
足各種預定功能或性能目標要求。這一思想影響了美國、日本和歐洲地震工程界
。各國同行表現出了極大的興趣,紛紛展開多方面的研究。

設計思想

目前各國抗震規範中普遍採用的“小震不壞、中震可修、大震不倒”設防水準,被認為是目前處理地震作用高度不確定性的最科學合理的對策,這種設計思想在實踐中也已取得巨大的成功。事實上,在已開發國家和地區,即使在人口高度密集的城市周邊區域,由於絕大多數建築物按現行的抗震規範設計或加固,重大地震災害造成的人員傷亡已經明顯下降,然而這種設計思想是以保障生命安全為主要設防目標的,儘管它可以做到大震時主體結構不倒以保障生命安全,但它可能導致中小震結構正常使用功能的喪失而引起巨大的經濟損失。特別是隨著經濟的發展,結構物內的裝修、非結構構件、信息技術設備等的費用往往大大超過結構物的費用,這種損失更加嚴重。
目前的抗震設計中還存在以下局限性:
首先,設計階段建築的抗震性能並不明確。目前的抗震設計只是按照規範給出的步驟進行,很少對結構在地震作用下的有關性能進行評估,因為沒有對要求的性能進行明確規定。
其次,業主和使用者很難了解建築的抗震性能,因為沒有人向業主和使用者進行說明。這樣有時會引起誤解,比如,工程師對建築性能的期望是大震不倒,而業主對建築性能的期望則可能是大震下建築內財產不受損害。而建築結構作為一種商品,業主和使用者有權知道它的實際性能。
第三,建築結構的抗震性能沒有用來進行經濟評估。投資-效益準則作為平衡造價與性能的一個重要原則,在其他工業領域得到了廣泛套用,而在建築結構卻很少套用,其主要原因在於建築結構的性能沒有清晰明確,所以業主無法了解在付出一定的投資後能得到怎樣的效益。建築結構有著不同於其他批量生產的工業產品的特點,大部分建築結構都是唯一的,業主很難在決定購買之前去使用或檢驗建築的實際性能。
基於性能的抗震設計思想是20世紀90年代初由美國學者提出,它是使設計出的結構在未來的地震災害下能夠維持所要求的性能水平。投資-效益準則和建築結構目標性能的“個性”化是基於性能的抗震設計的重要思想。基於性能的設計克服了目前抗震設計規範的局限性。在基於性能的設計中,明確規定了建築的性能要求,而且可以用不同的方法和手段去實現這些性能要求,這樣可以使新材料、新結構體系、新的設計方法等更容易得到套用。而目前廣泛採用的建築結構常規設計方法實際上是基於規範準則,而不是基於性能準則,則目前的常規設計師完全按照規範的要求進行的,沒有明確建築結構的實際性能水平。
我國一些學者也對PBSD進行了定義:“基於性能的結構抗震設計是指根據建築物的重要性和用途確定其性能目標;根據不同的性能目標提出不同的抗震設防標準,使設計的建築在未來地震中具備預期的功能。”?

研究內容

基於性能的抗震設計PBSD(performance based seismic design)是基於性能的地震工程(PBEE)的一部分內容(設計過程),它包括了地震風險水平的確定、性能水平和目標性能的選擇、適宜場地的確定、概念設計、初步設計、最終設計、設計過程的可行性檢查、設計審核以及結構施工中的質量保證和使用過程中的檢測維護的細化工作等。
基於性能的抗震設計主要包括三個步驟:
(1)根據結構的用途、業主和使用者的特殊要求,採用投資-效益準則,明確建築結構的目標性能(可以是高出規範要求的“個性”化目標性能)
(2)根據以上目標性能,採用適當的結構體系、建築材料和設計方法等(而不僅僅限於規範規定的方法)進行結構設計。
(3)對設計出的建築結構進行性能評估,如果滿足性能要求,則明確給出設計結構的實際性能水平,從而使業主和使用者了解(這是區別於目前常規設計的);否則返回第一步和業主共同調整目標性能,或直接返回第二步重新設計。

研究概況

自基於結構性能的抗震設計理論提出以來,建立以結構功能評價為理論基礎的結構設計體系是近幾年美國、日本和紐西蘭等國家的研究課題。美國加利福尼亞結構工程師學會於1992年成立放眼21世紀委員會(Vision2000Con注幻nltteeSEAOC)。該委員會的目的是建立新的結構性能設計體系的框架,其研究工作得到美國自然科學基金會和加州政府的有力資助。美國聯邦緊急救援署(FEMA)和國家自然科學基金會(NSF)還資助開展了一項為期6年的行動計畫,對未來的抗震設計進行了多方面的基礎性能研究。日本也在多方資助下於1995年開始了為期三年的“新建築結構體系開發”研究項目,成立了有國內著名學者參加的新建築構造體系綜合委員會,下設性能評價、目標水準和社會機構三個分委員會。為推進和協調這一項目進程,還建立了“新構造體系促進會議”,討論、規劃、協調各方面的工作。英國等歐洲國家和智利等拉美國家也進行這項研究門。目前這項理論研究在我國還處在起步階段。19%年在中美抗震規範學術討論會上曾就此理論進行過交流,引起我國學者的關注,就框架和剪力牆結構的變形容許值進行了探討,還把基於結構性能設計理論引人到結構最佳化設計領域,提出基於性能的抗震最佳化設計概念。王亞勇建議中國21世紀的抗震設計應順應國際發展的趨勢,發展適合國情的基於性能設計的結構抗震設計理論。
國內外地震工程界和結構工程學界目前就基於結構性能的抗震設計理論這一課題所進行的主要工作有:
(l)三級結構性能水準:指生命安全水準、結構損傷水準,確保使用功能水準。生命安全水準要求在地震作用下不產生樓層倒塌;結構損傷水準要求保證不發生危及結構安全的損傷;確保使用功能水準要求結構不產生影響建築功能的變形等。
(2)三級抗震設防水準:相應於三級結構性能水準提出的最高設防水準,在建築壽命期間遭遇一次地震危險的水準和可能遭受多次地震危險的水準。
(3)結構計算分析方法:對應於三級結構性能水準和抗震設防水準提出的結構計算分析方法和極限狀態;彈性解析法及使用極限狀態;彈塑解析法及破壞極限狀態;等效線性化反應譜解析法及保證結構的使用功能的變形限值等。
(4)結構安全性:根據上面確定的特性參數,估計結構的臨界變形、屈服點,確定設備正常使用的地震反應限值。可以採用極限變形或能量作為評估安全性的基準。
到目前為止,通過大量的研究工作取得了一些成果。如對建築結構確定一組合理的功能水準,對梁、柱等構件彎曲、剪下及軸向變形甚至樑柱節點的塑性功能水準給出數值指標。根據建築物的重要性和用途確定功能目標。基於結構性能的抗震設計程式沿襲了現行的結構體系設計方法,強調結構位移性狀和
非線性彈塑性靜力分析。這裡介紹基於結構性能設計的“能力譜”法和位移影響係數法。
l)“能力譜”方法
能力譜”方法(CapacitySpeetrumMethod)的最初概念是由Freeman等人在1975年為美國海軍
工程項目作簡化評估時提出來的l坷,後來經過不斷改進。它實質上是通過地震反應譜曲線和結構能力譜曲
線的疊加來評估結構在給定地震作用下的反應特性。這裡的反應譜指單自由度彈性體系在給定地震輸人下
的加速度反應譜;能力譜曲線是指通過對結構進行Push一over分析,轉換得到等效單自由度體系的加速度一位移關係曲線
2)位移影響係數法
此方法用來確定給定結構靜力分析的最大期望位移

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