建筑抗震设计理论与方法

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1建筑结构抗震设计的发展过程

抗震设计思想大体经历了静力理论分析阶段、反应谱理论阶段以及动力理论阶段，三个阶段的发展并没有严格的分界点，而是相互联系、相互渗透的。静力理论阶段中应用的是基于承载力的抗震设计方法，它假定在地震作用下的结构是刚性的，建筑物上任一点的加速度都等于地震加速度。这种理论没有考虑到结构的动力特性，设计方法比较粗略。

到了1943年，美国的Biot教授提出了弹性反应谱的概念，反应谱是指按地震波作用在单质点体系上时，求得的位移、速度或加速度等反应的最大值与单质点体系自振周期间的关系。反应谱理论考虑了自振周期、振型和阻尼等动力特性以及共振效应，考虑到了结构在地震作用下的变形。至今它仍然是各国规范设计地震作用取值的基础。动力法把地震作为一个时间过程，将建筑物简化为多自由度体系，选择能反映地震和场地环境以及结构特点要求的地震加速度时程作为地震动输人，计算出每一时刻建筑物的地震反应。鉴于其优点，我国抗震规范[lj规定在计算结构罕遇地震作用下的弹塑性变形时可采用此方法。

新的抗震理论是基于对现有地震资料的总结的基础上提出的。1989年美国发生的I碑omaPrieta地震和台湾的集集地震等给人类带来了巨大的经济损失和社会灾难。这促使理论界和工程界对现行理论进行了反思。上世纪90年代初，由美国学者闭率先提出了基于位移的抗震设计理论，这种理论最早应用于桥梁设计中，并取得了一定的成果。此后，美国加州工程师协会等机构以报告的形式提出了PBSI)的设计思想和相关的建议。我国学者对基于功能的设计理论也进行了深人研究。同济大学、清华大学等院校的学者取得了一定的成绩[5，们，为PBSD的推广和发展作出了重要的贡献。

2PBSD的特点

目前，世界各国主要采用两水准或是三水准设防的设计思想，不同的是各国在对结构弹塑性的考虑上根据各国的实际情况对弹性反应谱的折减有所不同。

3甚于结构性能的抗越设计理论的主要内容

基于结构性能的抗震设计理论的主要内容应包括确定地震设防水准、结构性能水准、结构抗震性能目标、结构抗震分析和设计方法等方面。

3.1地震设防水准

地震设防水准是指工程设计中如何根据客观的设防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。我国现行规范采用“三水准”的地震设防水准。它的问题在于虽然考虑了基于性能理论中的多级设防水准，但是由于第一和第二水准的重现期和超越概率相差很大，那么在处于二者中间的重现期和超越概率的房屋设计就变得不经济或者是不安全。美国加州结构工程师协会的放眼二十一世纪委员会建议采用新的地震设防水准[2〕。

3.2结构性能水准

结构性能水准是指结构在特定的某一级地震设防水准下预期损伤的最大程度。2004年，我国研究机构和学者在积累总结以往世界各国的大震经验的基础上，参考了相关外国文献，结合本国的实际情况，编写了《建筑工程抗震设计性态通则(试用)广〕。《通则》对结构性能水准提出了新的建议，这表明我国在考虑结构性能水准上从原来的定性考虑逐渐向定量考虑过渡，其发展的方向将逐渐与国际接轨。但是，该《通则》所建议采用的结构性能水准仍然没有对结构或者构件的具体力学指标以及具体设备的运行情况给出明确的说明，只给出了一般性的建议。按照美国联邦紧急救援署提供的资料建议，基于性能的抗震研究可以采用四个性能水准:水准1基本完好:无永久侧移;结构基本保持原有强度和刚度;结构构件以及非结构构件基本不损坏。所有重要设备仍正常工作。水准2，轻微破坏:无永久侧移;结构基本保持原有强度和刚度;结构构件与非结构构件有轻微破坏。电梯能够重新启动，防火措施得力。水准3，生命安全:所有楼层都有残留强度和刚度;承受重力荷载的构件仍起作用;不发生墙体平面外失效或女儿墙倒塌;有永久侧移。隔墙破坏，建筑修复费用可能很高。水准4，不倒塌:几乎没有残留刚度和强度;但承受荷载的柱子和墙体仍起作用;有大的永久侧移。每个性能水准都对应了具体的控制指标，如:结构的侧移、刚度、强度，结构和非结构构件的损伤情况，设备的运行情况[4J。

3.3结构抗震性能目标

结构性能目标是针对某一级地震设防水准而期望建筑物能够达到的性能水准或等级。性能目标的建立需要综合考虑人员居住情况、场地效应、结构功能与重要性、投资与效益、震后损失与恢复重建、潜在的历史或文化价值、社会效益，社会公众的反应以及业主的承受能力。它是抗震设防水准与结构性能水准的综合反应。加州工程师协会的VisionZo00报告建议将结构性能目标划分为3个等级(基本目标、重要目标、最高目标)[2〕。

3.4基于性能的结构抗震设计方法

基于性能的抗震设计方法自提出以来，在国内外都受到广泛重视和研究。但是怎样把基于性能的抗震设计思想合理并且简单有效地应用到实际设计中，目前尚无统一方法和标准。目前，基于性能的抗震设计方法主要有承载力设计方法、基于位移的抗展设计方法、能量设计法。

当前，基于承载力的设计方法被世界各国规范所采用。以我国为例，它的设计思想是:第一阶段:对于一般结构在中、小地震作用下采用弹性计算方法，可根据结构的具体情况采用底部剪力法或者是振型分解反应谱法计算地展力，并与其他荷载通过分项系数法进行组合，计算截面的承载力和构件的配筋，对于较高的建筑物还要控制其侧向变形。第二阶段:对于有特殊要求的结构采用弹塑性计算方法。可根据结构的具体情况采用简化的计算方法、静力弹塑性分析法或者是弹塑性时程分析方法，验算其基本烈度相对应的罕遇烈度地展作用下结构的弹塑性层间变形是否满足规范要求，防止机构由于薄弱部位产生的弹塑性变形，导致结构构件破坏甚至引起房屋倒塌。

基于位移的设计方法是基于性能设计理论推荐的配套设计方法。它以位移为设计起点，以层间位移或者其他变形作为抗震设计的控制因素，进行结构的截面设计和配筋，这与传统的基于承载力的设计方法在设计顺序和控制因素的选取上有很大的区别，这也说明了该方法的出发点更接近于地震作用下结构的实际运行状态。能量法最初是由Housner于上世纪50年代末提出。它的基本假设是:结构的总体破坏是由于地展输人的总能量造成的，结构及内部设施的破坏程度是由地展输人的能量和结构消耗的能量共同决定的。该方法的优点在于能够直接估计结构的破损状态，但是由于在参数的选取、能量的计算方法等方面没有一个确定的、合理的标准，所以这种方法还有待深人的研究。

4结束语

PBSD的出现是世界抗展史上一个新的里程碑，它真正达到了多级设防目标并考虑了具体量化的设防水准，其设计方法更加贴近于结构在地震作用下的真实表现，可以满足社会、业主等不同需求，为理论界和工程界提供了一种新的研究和设计理念。当前，各国研究机构和学者对PBSD的研究都没有完全脱离现有规范而单纯做PBSD的研究，这是因为:

(1)现有理论本身考虑了基于性能的设计。

(2)现有理论建立在大量的地震观测记录的基础上，贴近于工程实际。

(3)PBSD在计算模型的选取、地震力的输人、计算方法等方面有待完善，还要走很长的一段路。同时这也使研究人员不得不把理论研究的一些模型和参数的选取建立在现有理论上。

因此可以说，当前的理论研究正处于新老理论的融合、过渡时期。不过可以预见，PBSD作为当今抗震设计理论研究的前沿，代表了世界未来抗震设计的主要方向，必会对人类的安居乐业做出更加重要的贡献。