基于性能的抗震設(shè)計綜述

基于性能的抗震設(shè)計綜述

1案例5:國外地震災害情況隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市數(shù)量不斷擴大，現(xiàn)代化程度不斷提高，地震造成的生命和財產(chǎn)損失越來越嚴重。如1993年印度得干高原凱拉里鎮(zhèn)發(fā)生M6.4級地震,使地震區(qū)內(nèi)10個鄉(xiāng)村變?yōu)閺U墟,死亡和失蹤者近3萬人;1994年美國加州北嶺發(fā)生M6.7級地震,此次地震雖只造成57人的傷亡,但所造成的損失達170億美元;1995年日本兵庫縣南部M7.2級地震造成直接和間接人員死亡5438人,受傷4萬人以上,直接經(jīng)濟損失達1000億美元,是關(guān)東大地震后日本損失最為嚴重的地震災害;1999年土耳其發(fā)生M7.4級地震,直接死亡人數(shù)達1.5萬余人、2萬余人受傷,房屋倒塌10萬余間;1999年我國臺灣發(fā)生M7.6級地震,死亡人數(shù)2405人,受傷人數(shù)11306人,經(jīng)濟損失近100億美元,而且還因地震造成供電系統(tǒng)受損,使新竹高科技園區(qū)芯片生產(chǎn)停頓,引起了世界范圍內(nèi)計算機市場價格波動。由此可見,控制震害損失范圍已成為工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重要內(nèi)容?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計理論(Performance-basedSeismicDesign,即PBSD)是1992年由美國學者提出的,比較權(quán)威的描述是美國SEAOC,ATC和FEMA等組織給出的。可概括為:基于性能的抗震設(shè)計理論以結(jié)構(gòu)抗震性能分析為基礎(chǔ),針對每一種抗震作用水準,將結(jié)構(gòu)的抗震性能劃分成不同等級,設(shè)計者根據(jù)結(jié)構(gòu)的用途,業(yè)主、使用者及鄰居的特殊要求,采用合理的抗震性能目標和合適的結(jié)構(gòu)抗震措施進行設(shè)計,使結(jié)構(gòu)在各種水準地震作用下的破壞損失,能為業(yè)主選擇和承受,通過對工程項目進行生命周期的費效分析后達到一種安全可靠和經(jīng)濟合理的優(yōu)化平衡。2建立性能要求的規(guī)范框架對工程結(jié)構(gòu)進行基于性能的抗震設(shè)計研究,涉及到以下問題:(1)研究不同性能水準的定義,建立結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后評估其性能的程序和方法;(2)建立基于性能的規(guī)范框架,以適應和推動新型材料、施工方法和設(shè)計理論的應用,增加設(shè)計和工程建設(shè)中的自由度;(3)形成一個現(xiàn)代社會體系,使基于性能的抗震設(shè)計更好地發(fā)揮作用,這一體系包括結(jié)構(gòu)工程師資格認定、建筑審批條款和建筑發(fā)生意外時設(shè)計者的保險體系等。由上可見,進行基于性能的抗震設(shè)計研究,首先要做的工作是明確劃分建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能水準和抗震性能目標。2.1對性能抗震性能的要求實際震害表明,在以生命安全為單一設(shè)防水準的規(guī)范指導下設(shè)計的建筑,盡管可以有效防止倒塌,但結(jié)構(gòu)破壞帶來的直接與間接財產(chǎn)損失是事先無法預料的。為了能改變這種情況的發(fā)生,就要求設(shè)計的結(jié)構(gòu)不僅要保證生命的安全,同時也要控制建筑結(jié)構(gòu)的破壞程度,將物質(zhì)財產(chǎn)的損失控制在可以接受的范圍內(nèi)。這就需要在實際設(shè)計中,針對不同地震作用水準,明確工程結(jié)構(gòu)應該具有的性能水準。以我國為例,地震設(shè)防分為3個水準,即“小震”、“中震”和“大震”。它們是根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2001,采用概率的方法確定的?！靶≌稹笔桥c當?shù)匚磥硪欢〞r限內(nèi)地震烈度概率分布的眾值相對應的地震,與眾值烈度相對應的超越概率為63.2%,重現(xiàn)期50年;“中震”是與未來一定時限內(nèi)地震烈度超越概率等于10%的烈度相對應的地震,重現(xiàn)期475年;“大震”是與未來一定時限內(nèi)超越概率等于2%～3%的烈度相對應的地震,重現(xiàn)期1641～2475年。與上述“小震”、“中震”、“大震”所對應的抗震設(shè)防目標是:“小震不壞”、“中震可修”、“大震不倒”。但由于這3個水準對結(jié)構(gòu)性能和震害損失的定量描述還不很明確,很難在結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到量化保證。目前,我國規(guī)范提供的計算方法和構(gòu)造措施只是性能水準的最低要求,而不是準確的量化指標。據(jù)美國聯(lián)邦緊急救援署(FEMA)提出的要求,基于性能的抗震研究可定為4個性能水準:(1)地震作用的分類水準1常遇地震,重現(xiàn)期為43年水準2偶遇地震,重現(xiàn)期為72年水準3少遇地震,重現(xiàn)期為475年水準4罕遇地震,重現(xiàn)期為970年(2)電梯結(jié)構(gòu)性能準數(shù)據(jù)模型水準1正常使用:結(jié)構(gòu)無永久側(cè)移;基本保持原有強度和剛度;結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本不損壞;所有重要設(shè)備可正常工作。水準2可以暫時使用:結(jié)構(gòu)無永久側(cè)移;基本保持原有強度和剛度;結(jié)構(gòu)構(gòu)件與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件有輕微破壞;電梯能夠重新啟動,防火措施得力。水準3生命安全:結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定,具有足夠的豎向承載力儲備;不發(fā)生墻體平面外失效或女兒墻倒塌;產(chǎn)生永久側(cè)移;隔墻破壞,建筑修復費用可能很高。水準4防止倒塌:建筑結(jié)構(gòu)保持不倒;承受荷載的柱子和墻體仍起作用;有大的永久側(cè)移;內(nèi)隔墻和無支撐的女兒墻已經(jīng)或開始失效,建筑即將倒塌。另外,由于結(jié)構(gòu)的性能與結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)相關(guān)聯(lián),而結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)又可由結(jié)構(gòu)的反應參數(shù)或者某些定義的破壞指標來確定,所以,結(jié)構(gòu)性能水準可以用這些參數(shù)來劃分。盡管知道結(jié)構(gòu)性能由某個參數(shù)來劃分可能不盡完善,但是鑒于目前研究水平,研究者們提出基于位移(變形)來劃分結(jié)構(gòu)性能水平是方便實用的,因為結(jié)構(gòu)變形也可以有效地反映結(jié)構(gòu)破壞情況。2.2結(jié)構(gòu)體系可靠度的確定在采用基于性能設(shè)計原理進行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時,面臨的首要問題是性能目標的確定,也就是結(jié)構(gòu)限定的破壞狀態(tài)應保持在何種水平,這種破壞狀態(tài)包含結(jié)構(gòu)體系的安全性、適用性、耐久性和整體性等功能。破壞狀態(tài)的水平定得太高,可以使建筑結(jié)構(gòu)變得安全可靠,但會使建筑結(jié)構(gòu)的建設(shè)投入大大增加;破壞狀態(tài)水平的取得太低,可以降低建筑結(jié)構(gòu)工程造價,但會增加未來的使用風險和維護成本。所以,結(jié)構(gòu)抗震性能目標的確定,目前認為比較合理的方法是采用“投資—效益”準則,即在未來抗震設(shè)計中,在不同強度水平地震作用下,能夠有效地控制建筑物的破壞狀態(tài),使建筑物實現(xiàn)明確的不同性能水平。從而使建筑物在整個生命周期內(nèi),在遭受可能發(fā)生的地震作用下,包括政治、社會、經(jīng)濟等因素形成的總體費用達到最小。使結(jié)構(gòu)的設(shè)計處于安全性和經(jīng)濟性的合理均衡上。這一性能目標可用工程項目的經(jīng)濟效益為最大的形式描述:E=B-C-D=最大(1)E=B?C?D=最大(1)式中E——工程項目的經(jīng)濟效益;B——投資收益,包括工程項目建設(shè)期和建成后形成的直接與間接收益;C——項目投資,包括興建工程的全部費用及工程建成后的維護、修復費用;D——投資損失,包括不同地震作用水準造成的人身傷亡、物質(zhì)財產(chǎn)的直接損失及連鎖反應造成的間接損失以及政治、社會、經(jīng)濟影響等損失。但由于地震作用造成的生命損失和其它與當時政治、社會經(jīng)濟等相關(guān)的非經(jīng)濟因素不便用費用來衡量,將上式改用決策方法處理。如不考慮生命損失和其它與當時政治、社會經(jīng)濟等相關(guān)的非經(jīng)濟因素,只針對結(jié)構(gòu)的某項功能,則上式可近似改寫為C=c+d=最小(2)C=c+d=最小(2)式中C——項目投資,包括興建工程的全部費用及工程建成后的維護、修復費用;c——工程造價,包括人工費、材料費、施工管理等費用;d——工程結(jié)構(gòu)的維護和修復費用,指建筑遭受地震破壞后恢復使用的費用,包括結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)破壞造成的損失。就一般規(guī)律而言,工程造價的降低,將造成工程結(jié)構(gòu)破壞的可能性增加,從而加大工程結(jié)構(gòu)的維護和修復費用的支出,故存在一個總費用C的最小值。由于地震的發(fā)生以及工程結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的維護和修復費用是隨機事件,故工程結(jié)構(gòu)的維護和修復費用也是隨機變量。因此,項目投資C也是一個隨機變量,所以基于性能的抗震設(shè)計應該以可靠度理論為基礎(chǔ)。將式(2)采用概率方法計算。一般取數(shù)學期望,即E(C)=c+E(d)(3)E(C)=c+E(d)(3)式中E(C),E(d)分別表示項目投資C和工程結(jié)構(gòu)的總的維護和修復費用的數(shù)學期望。在結(jié)構(gòu)設(shè)計基準周期T內(nèi)發(fā)生某一地震y的概率密度為fy,維護和修復由地震所造成的建筑損壞所需費用為Ry,該建筑所處場地可能發(fā)生的最大地震為ymax,則E(d)=∫ymax0fyRydy(4)在上述分析中,按不同的地震作用水準評價Ry是問題的關(guān)鍵,由于地震的隨機性所造成的結(jié)構(gòu)破壞變異性較大,結(jié)構(gòu)失效模式的復雜性,結(jié)構(gòu)體系可靠度的概念還不很明確,且地震所造成的非結(jié)構(gòu)損失所占總損失的比例越來越大。因此,Ry的確定需要進一步的研究,目前尚難直接應用到工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中。FEMA提出的設(shè)防性能目標是按地震作用水準和建筑性能水準來確定建筑抗震性能目標,根據(jù)表1可產(chǎn)生3個組合的抗震設(shè)防性能目標。第一組基本目標為表中1,2,3,4項組合,對于只有一般使用要求的建筑應具備的最基本的性能目標;第二組重要性較高或地震破壞后危險性較大的性能目標為表中5,6,7項組合;第三組危險的特殊性能目標為表中8,9,10項組合。對于性能目標的確定方法,有不少學者提出了不同的研究方法,見參考文獻。3設(shè)計理念和目標基于性能的抗震設(shè)計方法自提出以來,在國內(nèi)外都受到廣泛重視和研究,對基于性能的抗震設(shè)計的主要理念和目標,學術(shù)界也基本形成一致的認識。但是怎樣把基于性能的抗震設(shè)計思想合理并且簡單有效地應用到實際設(shè)計中,目前尚無統(tǒng)一方法和標準。概括起來,基于性能的抗震設(shè)計方法主要有承載能力設(shè)計方法、直接基于位移進行抗震設(shè)計方法、能量設(shè)計法。3.1設(shè)計時的作用這是我國規(guī)范現(xiàn)階段采用的設(shè)計方法,對于常遇地震,利用反應譜計算底部剪力,然后按一定規(guī)則分配至結(jié)構(gòu)全高并與其它荷載組合,進行結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計,使結(jié)構(gòu)各部分都具有足夠的承載能力,然后再進行變形驗算。承載能力設(shè)計方法的優(yōu)點是為設(shè)計人員所熟悉,并易于使用,性能概念清楚,細部設(shè)計可靠,通過非線性靜力分析(push-overanalysis)驗算,進一步增強了對結(jié)構(gòu)非線性反應的控制,可以更好地達到預期性能目標。缺點是該方法基于彈性反應,對于非彈性反應僅用與結(jié)構(gòu)類型有關(guān)的系數(shù)加以折減,表面上它控制整個性能目標,實際上卻只是保證了一種性能目標。3.2結(jié)構(gòu)體系內(nèi)位移控制該方法采用結(jié)構(gòu)位移作為結(jié)構(gòu)性能指標,與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比,基于位移的抗震設(shè)計方法從根本上改變了設(shè)計過程。主要的不同是,該方法用位移作為整個抗震設(shè)計過程的起點,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)計時用位移控制,通過設(shè)計位移譜得出在此位移時的結(jié)構(gòu)有效周期,求出此時結(jié)構(gòu)的基底剪力,進行結(jié)構(gòu)分析,并且進行具體配筋設(shè)計。設(shè)計后用應力驗算,不足的時候用增大剛度而不是強度的方法來改進,以位移目標為基準來配置結(jié)構(gòu)構(gòu)件。該法考慮了位移在抗震性能中的重要地位,可以在設(shè)計初始就明確設(shè)計的結(jié)構(gòu)性能水平,并且使設(shè)計的結(jié)構(gòu)性能正好達到目標性能水平,是性能設(shè)計理論中很有前途的一種方法。但應用于多自由度體系、多種結(jié)構(gòu)類型等時,還需要做更多的研究。3.3結(jié)構(gòu)物所消耗的能量假設(shè)結(jié)構(gòu)破壞的原因是地震輸入的總能量,地震對結(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)物所消耗的能量共同決定的。能量設(shè)計法的優(yōu)點就在于,能夠直接估計結(jié)構(gòu)的潛在破壞程度,對結(jié)構(gòu)的滯回特性以及結(jié)構(gòu)的非線性要求概念清楚。另外,耗能元件的設(shè)置可以更好地控制損失。缺點在于應用方法不夠簡化,不確定因素較多。4承載能力設(shè)計方法盡管基于性能的抗震設(shè)計研究已取得一定成果,但鑒于基于性能的抗震設(shè)計的復雜性以及人們認識的局限性,我們還不能夠完全依靠計算設(shè)計來確保結(jié)構(gòu)安全可靠。所以,結(jié)構(gòu)概念設(shè)計和細部構(gòu)造設(shè)計對于目前抗震設(shè)計方法和未來基于性能抗震設(shè)計仍將是很重要的組成部分。綜上所述,基于性能的混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計,可考慮應用承載能力設(shè)計方法的優(yōu)點,結(jié)合基于性能的抗震設(shè)計的理念來進行設(shè)計。(1)首先將混凝土結(jié)構(gòu)目標性能水準劃分為多個水準(4～5個),明確和細分其量化指標,結(jié)構(gòu)目標性能水準既要考慮結(jié)構(gòu)初期投資,還要考慮未來可能遭受的地震損失等綜合因素,采用可靠度理論和優(yōu)化思想來確定。(2)加強概念設(shè)計進行結(jié)構(gòu)的宏觀設(shè)計控制,即在設(shè)計全過程中重視結(jié)構(gòu)的規(guī)則性,合理選擇結(jié)構(gòu)體系,保證結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性。(3)考慮多級水準地震作用下強度設(shè)計,以此來體現(xiàn)結(jié)構(gòu)建設(shè)初期的投資。(4)采用變形指標對結(jié)構(gòu)的抗震性能進行評估,控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水平,以此來評估未來可能遭受的地震損失等綜合因素,最終使結(jié)構(gòu)在整個生命周期中的費用達到最小。這樣使整個設(shè)計具有定性、定量、準確