建筑结构抗震性能设计方法研讨

建筑结构抗震性能设计方法研讨

曹兴桥

（天津市亚盛建筑装饰工程有限公司）

【摘要】基于性能的抗震设计(PerformanceBasedSeismicDesign)思想是20世纪90年代初由美国学者提出的，它是使设计出的结构在未来的地震灾害下能够维持所要求的性能水平。投资-效益准则和建筑结构目标性能的“个性”化是基于性能的抗震设计的重要思想。基于性能的设计克服了目前抗震设计规范的局限性。在基于性能的设计中，明确规定了建筑的性能要求，而且可以用不同的方法和手段去实现这些性能要求，这样可以使新材料、新结构体系、新的设计方法等更容易得到应用。本文首先阐述了建筑结构抗震性能设计理论的特点，探讨了建筑结构抗震性能的设计方法以及混凝土结构抗震性能的设计，以供参考。

【关键词】建筑结构；抗震性能；设计方法；特点；

经济的发展，结构物内的装修、非结构构件、信息技术装备等的费用往往超过结构物的费用，地震造成的损失会越来越严重，从而使人们逐渐认识到过去的规范仅以保证人的生命安全为单一设防目标的设计理论，在抗震设计理念、适应社会需求等方面都存在一定的问题。建筑结构抗震性能的抗震设计理论是以结构抗震性能分析为基础,考虑多种因素确定建筑物的性能目标,提出不同的抗震设防水准,使设计的建筑物在未来不同的抗震等级地震作用下达到预期的抗震性能目标,克服了基于承载力抗震设计不能预估结构屈服后抗震性能的缺陷。

一、建筑结构抗震性能设计理论的特点

基于性能抗震设计理论是在对现行抗震设计理论反思的基础上产生的,它们之间有一定的联系和区别,通过对比得出基于性能抗震设计的特点。

1.1采用多级设防目标

我国现行的“小震不坏,中震可修,大震不倒”三阶段抗震设防水准,以保障人们生命安全为一级设防目标,无法避免大震中巨大的经济损失。基于性能抗震设计理论提出了多级目标的设计理念,既要保证生命安全,又要避免经济损失超过业主和社会的承受能力,更加注重非结构构件和内部设施的保护,它们在经济损失中占有相当的比例。

1.2引入投资-效益准则

基于性能抗震设计理论着重点,从现行的仅注重结构安全可靠转变到全面注重结构的功能、安全及经济等多方面。根据投资-效益准则,进行费效分析,在可靠和经济之间选择一种合理的平衡,以确定最佳抗震设计方案,达到优化设计的目的。为此引入经济决策机制,目前普遍采用的决策思想是:以结构系统可靠度为决策变量,以结构寿命全过程为时间范围,以相应的寿命期总的费用最小为决策目标。

1.3具有更大的自由度

现行抗震设计需要依照规范按部就班,缺乏灵活性,结构设计人员处于被动状态。基于性能的抗震设计除了满足“共性”外,更加注重“个性”设计,增加了业主与设计人员的交流,根据结构的用途及业主的特殊要求确定结构性能目标后,设计人员可以选择实现该性能目标的设计方法,采用相应的构造措施,既调动了设计人员的积极性,又有利于新材料的使用和新技术的开发。

二、建筑结构抗震性能的设计方法

2.1性能抗震设计阶段

（1）概念设计。根据用途和业主的要求，合理确定设防目标，通过场地、建筑平面等进行初步设计。（2）计算设计。根据预定的设防目标，计算出能影响各类因素的抗震参数，参数与预定目标不符要及时修改，直至满足参数需求。以基于位移的抗震性能设计为例，主要包括步骤有确定不同强度地震作用下性能目标；根据初步设计，确定结构内的位移的极限值；通过等效阻尼比等各类等效数值，确定等效刚度；设计采用必需的构造措施；评价结构强度要求和变形能力。以严谨、科学、合理的态度进行评估，如计算阶段有不符合，则需重复计算设计步骤，以不断完善结构设计。（3）性能评估。通过各类的分析法得出设计结果来确定该建筑结构的性能。

2.2抗震性能设计方法

目前大致主要有：位移影响系数、能力谱、直接位移设计等方法。（1）位移影响系数法。基于结构性能设计方法，通过分析得出的最大期望位移值，利用等效方法、模态进行确定。以达到此系数的修正作用。此方法还存在着由于它是整体抗震评估方法，无法具体体现主要结构、楼层的损坏情况与抗震水准等问题。（2）能力谱法。1975年被提出，随后不断改进。能力谱设计是将能力谱曲线与地震反应谱转化而来的需求谱，进行比较来评估其抗震性能。此方法侧重对结构的实际性能进行验算、评估。另外，能力谱设计法比较适用于平面结构可简化且分布较均匀的结构，否将会产生不小的误差。（3）直接位移设计法。国内外学者对基于位移的抗震设计理论进行了大量的研究，并提出了适用于不同类型结构的基于位移的抗震设计方法。基于位移的计算方法（DCB）需要对结构的期望位移最大值进行计算，然后进行结构设计，使结构和构件的变形能力超过期望位移最大计算值。基于位移限值的迭代计算方法（IDSB）与基于位移的计算方法相似，不同的是结构的位移限值是给定的，在进行结构设计时，需求对结构体系进行反复修改，直到计算分析的位移值小于位移限值，整个设计过程需要迭代计算。直接基于某一限值位移的方法（DDSB）是从某一给定的目标位移出发开始结构设计，并得到结构的需求强度、刚度等，最后得到满足某一设计地震水平的目标位移，该方法的设计过程不需要迭代，也不需要对结构进行预先设计。

三、混凝土结构抗震性能的设计

尽管基于性能的抗震设计研究已取得一定成果,但鉴于基于性能的抗震设计的复杂性以及人们认识的局限性,我们还不能够完全依靠计算设计来确保结构安全可靠.所以,结构概念设计和细部构造设计对于目前抗震设计方法和未来基于性能抗震设计仍将是很重要的组成部分.综上所述,基于性能的混凝土结构的抗震设计,可考虑应用承载能力设计方法的优点,结合基于性能的抗震设计的理念来进行设计。

（1）首先将混凝土结构目标性能水准划分为多个水准,明确和细分其量化指标,结构目标性能水准既要考虑结构初期投资,还要考虑未来可能遭受的地震损失等综合因素,采用可靠度理论和优化思想来确定。

（2）加强概念设计进行结构的宏观设计控制,即在设计全过程中重视结构的规则性,合理选择结构体系,保证结构和结构构件的延性.

（3）考虑多级水准地震作用下强度设计,以此来体现结构建设初期的投资.

（4）采用变形指标对结构的抗震性能进行评估,控制结构构件的损伤程度和非结构构件的性能水平,以此来评估未来可能遭受的地震损失等综合因素,最终使结构在整个生命周期中的费用达到最小.这样使整个设计具有定性、定量、准确有效、简捷方便的特点,有利于缩短设计周期,提高工作效率,在设计中强调结构刚度的控制和协调.

四、结束语

综上所述，基于结构性能的抗震设计理论是以结构抗震性能分析为基础的结构设计,是设计理念上的一次变革,涉及结构抗震设计的各个方面,对工程结构的设计和发展具有重大意义。利用该理论进行结构抗震设计,可充分发挥工程师的主动性,满足人们对结构性能的不同要求。从各国抗震设计规范修订动向来看,可以说基于性能的结构设计是未来抗震设计规范的趋势。

参考文献：

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