基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論與方法研究進(jìn)展

1、基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論與方法研究進(jìn)展徐如貴摘要:在分析現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)方法存在的局限性的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)闡述了基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論,包括設(shè)防地震等級(jí)、地震反應(yīng)限值、抗震性能目標(biāo)等,最后對(duì)基于性能的抗震設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行總結(jié)。關(guān)鍵詞:基于性能,抗震設(shè)計(jì),理論與方法中圖分類號(hào):TU352.11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A地震是對(duì)人類危害最大的自然災(zāi)害之一。在地震災(zāi)害中,非結(jié)構(gòu)部分的破壞必須引起重視。非結(jié)構(gòu)部分的破壞可能帶來(lái)的后果包括:人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、運(yùn)營(yíng)中斷等。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市現(xiàn)代化程度的提高,由地震引起的財(cái)產(chǎn)損失和功能損失問(wèn)題將越來(lái)越突出,甚至中等強(qiáng)度的地震造成的損失就可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出社會(huì)和業(yè)主所能承受

2、的程度。1現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)方法的局限性和解決方法1.1現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)方法的局限性目前各國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范多數(shù)采用的是“小震不壞,中震可修,大震不倒”的多級(jí)設(shè)計(jì)思想,但其實(shí)質(zhì)是以保證人的生命安全為原則的一級(jí)設(shè)計(jì)理論。按抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的建筑物可以避免主體結(jié)構(gòu)倒塌而保證人的生命,但地震所造成的正常使用功能的喪失和巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失,很可能會(huì)大大超出社會(huì)和業(yè)主可接受的程度?？v觀現(xiàn)行抗震理論和設(shè)計(jì)方法中存在的問(wèn)題,可總結(jié)如下1:1對(duì)損失的控制不力,對(duì)業(yè)主的要求難以滿足;2結(jié)構(gòu)性能概念不明確,設(shè)計(jì)透明度小;3結(jié)構(gòu)性能標(biāo)準(zhǔn)缺乏靈活性;4結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)程的誤區(qū)。1.2解決方法近年來(lái),地震工程學(xué)者從不同的角度致力于抗震

3、設(shè)計(jì)理論與方法的完善,其中最引人注目的進(jìn)展是以結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)理論(Performance2based Seismic Design Theory和基于結(jié)構(gòu)性能的地震工程學(xué)(Performance2based Seismic Engineering2?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)理論針對(duì)每一級(jí)設(shè)防水準(zhǔn),將結(jié)構(gòu)的抗震性能劃分成不同等級(jí),設(shè)計(jì)師根據(jù)業(yè)主的要求(或向業(yè)主推薦,采用合理的抗震性能目標(biāo)和合適的結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行設(shè)計(jì),使得結(jié)構(gòu)物在未來(lái)可能地震作用下遭受的破壞程度是業(yè)主可以接受的。2基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論研究2.1設(shè)防地震等級(jí)基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)理論需要在整個(gè)地震分布范圍內(nèi)控制結(jié)構(gòu)物的安全性及

4、其破壞程度,將其易損性控制在預(yù)計(jì)的、可接受的范圍內(nèi)。為了實(shí)施對(duì)結(jié)構(gòu)性能等級(jí)進(jìn)行控制的抗震設(shè)計(jì)方法,需要在整個(gè)連續(xù)的地震分布中根據(jù)不同重現(xiàn)期選擇幾個(gè)有代表意義的地震,通過(guò)對(duì)這幾種等級(jí)地震的設(shè)防來(lái)檢查建筑物的地震危險(xiǎn)性并對(duì)其抗震性能進(jìn)行控制。也就是說(shuō),通過(guò)對(duì)它們的設(shè)防,能將結(jié)構(gòu)在地震中的破壞程度控制在一定的范圍內(nèi)。這幾個(gè)具有代表意義的具體的地震震級(jí)就被稱為設(shè)防地震等級(jí)。地震設(shè)防等級(jí)是按照不同強(qiáng)度地震重復(fù)發(fā)生的時(shí)間即重現(xiàn)期,或按超越概率來(lái)表達(dá)的。對(duì)應(yīng)于每一性能目標(biāo),建筑物在上述設(shè)防地震作用下可能遇到的地震危險(xiǎn)因素,如地震動(dòng)參數(shù)、地基失效可能性及承載力、預(yù)計(jì)的不均勻沉降等都應(yīng)計(jì)算出來(lái)。設(shè)防地震作用下的

5、這些參數(shù)決定了每一性能目標(biāo)的設(shè)計(jì)地震力及各項(xiàng)容許值的大小。2.2地震反應(yīng)值要實(shí)施針對(duì)結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的設(shè)計(jì),僅僅有結(jié)構(gòu)基本性能要求的定義和對(duì)結(jié)構(gòu)各部位性能的定性分析是不夠的,還需對(duì)各層次的性能要求作出詳細(xì)的描述,并對(duì)每一級(jí)設(shè)防水準(zhǔn)進(jìn)行定量的數(shù)值分析,即設(shè)定結(jié)構(gòu)性能的反應(yīng)界限值。日本學(xué)者根據(jù)震后結(jié)構(gòu)的安全性、可用性和完整性評(píng)價(jià),對(duì)結(jié)構(gòu)的性能提出了一些基本判別方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于結(jié)構(gòu)形式及業(yè)主需求不同,對(duì)結(jié)構(gòu)性能各項(xiàng)內(nèi)容的重視程度也不同,其中安全性要求是最基本的,可用性和完整性可根據(jù)業(yè)主的要求有選擇性地驗(yàn)算其各項(xiàng)破壞指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō),對(duì)應(yīng)于各項(xiàng)性能指標(biāo),建筑物在地震作用下的反應(yīng)值不大于對(duì)應(yīng)的界限值。2.

6、3抗震性能目標(biāo)結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)的選擇是非常重要的,它為后續(xù)的整個(gè)設(shè)計(jì)和建造過(guò)程設(shè)定了必須遵循的標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)學(xué)者建議把具有不同使用要求的建筑物分為三類:基本設(shè)防目標(biāo)、重要/防危設(shè)防目標(biāo)、特別設(shè)防目標(biāo),提供三個(gè)結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)作為它們的最低性能界限。設(shè)防目標(biāo)與設(shè)防地震等級(jí)、抗震性能等級(jí)的關(guān)系如表1所示。表1不同設(shè)防目標(biāo)下建筑物的性能目標(biāo)設(shè)防目標(biāo)設(shè)防地震等級(jí)特別設(shè)防目標(biāo)重要/防危設(shè)防目標(biāo)基本設(shè)防目標(biāo)多遇地震性能完好性能完好性能完好偶遇地震性能完好性能完好性能連續(xù)少遇地震性能完好性能連續(xù)保證安全罕遇地震性能連續(xù)保證安全近于倒塌3基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法研究3.1設(shè)計(jì)步驟基于性能的抗震設(shè)計(jì)程序如下:場(chǎng)地安

7、全性評(píng)估(確定場(chǎng)地適用性和設(shè)計(jì)地震動(dòng)水平確定抗震性能目標(biāo)(選擇可接受的破壞程度概念設(shè)計(jì)(平面布置、選型、結(jié)構(gòu)體系、非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、材料、基礎(chǔ)等的選擇等初步設(shè)計(jì)(根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)初步確定構(gòu)件尺寸,選擇可行的抗震措施和方案等后期設(shè)計(jì)(完成全部構(gòu)件的設(shè)計(jì)驗(yàn)算(每一設(shè)計(jì)過(guò)程均驗(yàn)算是否滿足性能目標(biāo)質(zhì)量保證(設(shè)計(jì)施工、使用維護(hù)都要保證結(jié)構(gòu)的抗震性能水平。3.2設(shè)計(jì)方法綜合設(shè)計(jì)法以概率為基礎(chǔ),并充分考慮建筑物服役期的費(fèi)效淺論原有房屋的增層改造梁風(fēng)摘要:根據(jù)我國(guó)的房屋現(xiàn)狀,論述了增層改造的必要性,針對(duì)增層改造的對(duì)象,提出了進(jìn)行增層改造的可行性分析方法,闡述了增層改造設(shè)計(jì)中建筑、結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)的處理和增層改造房屋的抗震

8、設(shè)計(jì),最終達(dá)到經(jīng)濟(jì)、適用、快捷的建房目標(biāo)。關(guān)鍵詞:建筑物增層,建筑設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),地基基礎(chǔ)中圖分類號(hào):TU208文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A增層改造具有以下優(yōu)點(diǎn):1原有房屋一般多在地理位置較好、交通方便、生活供應(yīng)配套較完善的地區(qū),改造這里的房屋不需征地,建筑面積又能成倍增加,節(jié)約征地費(fèi)用和配套費(fèi);2在舊房屋上加層屬于舊房改造與周圍建筑物的間距可維持現(xiàn)狀,在占地面積不變的情況下,增加該區(qū)域的建筑密度,不影響該區(qū)域正常的生活環(huán)境,深受周圍居民及房屋管理部門的歡迎;3如套型變化不大的加層,施工時(shí)原使用者不用搬遷,從而解決了無(wú)拆遷過(guò)渡用房的難題,節(jié)省搬遷費(fèi);4在增層改造的過(guò)程中,通過(guò)合理調(diào)整原建筑的平面和立面格局,

9、擴(kuò)建原有水、暖、電等配套設(shè)備,達(dá)到調(diào)整使用、美化環(huán)境的要求,以滿足小康住宅標(biāo)準(zhǔn);5建設(shè)周期短、投資小、見(jiàn)效快,對(duì)于緩解建房速度跟不上日益增長(zhǎng)的需求量具有十分重要的作用。1增層改造的對(duì)象和可行性分析增層改造的目的主要是節(jié)約投資,短期收效。在選擇改造對(duì)象時(shí),更著重于其安全設(shè)計(jì),凡滿足下列條件的房屋可進(jìn)行改造:最優(yōu),是最全面的結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法。該方法的基本思想是:所有建筑物都至少達(dá)到基本的性能目標(biāo);理想的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)使總投資最少(包括初期建設(shè)費(fèi)和震后修復(fù)費(fèi)。因此設(shè)計(jì)應(yīng)盡力把各級(jí)設(shè)防地震下每一性能極限狀態(tài)的損失減到最小。適用于相對(duì)簡(jiǎn)單、場(chǎng)地條件好的建筑物的性能設(shè)計(jì)。該方法計(jì)算簡(jiǎn)單,但需遵守嚴(yán)格

10、的規(guī)范規(guī)定,一般這種規(guī)定都是概念設(shè)計(jì)的范疇。簡(jiǎn)單強(qiáng)度/應(yīng)力法可以應(yīng)用于所有性能目標(biāo)設(shè)計(jì)中。該法用位移作為整個(gè)抗震設(shè)計(jì)過(guò)程的起點(diǎn),假定位移或?qū)娱g位移是結(jié)構(gòu)抗震性能的控制因素。設(shè)計(jì)時(shí)用位移控制,設(shè)計(jì)后用應(yīng)力驗(yàn)算,不足的時(shí)候用增大剛度而不是強(qiáng)度的方法來(lái)改進(jìn),以位移目標(biāo)為基準(zhǔn)來(lái)配置結(jié)構(gòu)構(gòu)件。該法考慮了位移(變形在抗震性能中的重要地位,是在性能設(shè)計(jì)的理論中很有前途的一種方法。能量法是基于這樣的假設(shè):破壞的原因是地震輸入的總能量,地震對(duì)結(jié)構(gòu)物及其內(nèi)部設(shè)施的破壞是由其輸入的能量與結(jié)構(gòu)物的耗能能量共同決定的3。能量的輸入是地震動(dòng)有效速度和重現(xiàn)期的函數(shù),速度與持時(shí)不依賴于常用的加速度反應(yīng)譜。從前面對(duì)規(guī)范的述評(píng)可

11、知,規(guī)范對(duì)持時(shí)的考慮不夠,而能量法正是在這方面的重要補(bǔ)充。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震體系是通過(guò)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的性能來(lái)抵御地震作用的,即由結(jié)構(gòu)本身儲(chǔ)存和消耗地震能量,以滿足結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防要求。此結(jié)構(gòu)的抗震性能不具備自我調(diào)節(jié)與自我控制的能力,因此在不確定的地震作用下,很可能滿足不了預(yù)期的性能目標(biāo)。結(jié)構(gòu)控制技術(shù)是對(duì)結(jié)構(gòu)的某個(gè)部位附加子系統(tǒng),或做構(gòu)造上的處理,或施加控制力以改變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力特性,從而減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)4。4結(jié)語(yǔ)可以預(yù)見(jiàn),通過(guò)建立一個(gè)性能描述和性能預(yù)測(cè)的通用的、可互換的平臺(tái),基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論可應(yīng)用于以下幾個(gè)領(lǐng)域:完善簡(jiǎn)化的規(guī)范設(shè)計(jì)、為規(guī)范設(shè)計(jì)的不同性能水準(zhǔn)提供一個(gè)有效的選擇、改進(jìn)已有建筑的評(píng)估

12、和翻新、改進(jìn)和完善區(qū)域損失估算、提高歷史地震勘察的適用性、提高地震工程研究的效率等?；谛阅艿慕Y(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)代表了未來(lái)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展方向,美國(guó)、日本等國(guó)都投入了大量的精力進(jìn)行研究,以期在不遠(yuǎn)的將來(lái)把現(xiàn)行規(guī)范全面過(guò)渡到基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。參考文獻(xiàn):1葉耀先,鈕澤蓁.非結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)M.北京:地震出版社,1991.2林皋.第十屆世界地震工程會(huì)議的回顧與展望J.世界地震工程,1993(3:9218.3羅奇峰,王玉梅.結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)理論及其發(fā)展趨勢(shì)A.第五屆全國(guó)地震工程會(huì)議論文集(C.1997.4閻維明,周福霖,譚平.土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)的研究進(jìn)展J.世界地震工程,1997(2:8216.R esearch progress in performance2based seismic design theory and methodXU Ru2guiAbstract:Based on the analysis of the problems of current seismic design method,the performance2based seismic design theory,such as seismic design levels,seismic r