基于性能的抗震设计理论综述

基于性能的抗震设计理论综述

0结构抗震理论为了最大限度地减少地震损失，有必要研究建筑物的抗衰减问题。随着人们对地震动和结构动力特性认识的深入,结构抗震理论已从最初的静力阶段和反应谱阶段,发展到动力阶段及目前基于性能的抗震理论设计阶段。本文重点介绍目前国内外比较热门的基于性能的抗震理论的研究现状及发展方向。1反应谱和动力理论静力理论阶段(20世纪10~40年代)初期以佐野利器的水平静力抗震理论为代表,认为结构物所受地震作用可以简化为作用于结构上的水平等效静力,其大小等于建筑物的重量乘以一个与结构特性无关的地震系数。20世纪20~30年代,日本出现了刚柔理论之争,并提出了消震、隔震、减震、能量耗散理论和抗震设计的能量理论,对当时的抗震理论研究起了重要推动作用。反应谱理论阶段(20世纪40~60年代)。1932年美国研制的第一台强地震记录仪,为反应谱理论在抗震设计中的应用创造了基本条件。豪斯纳在50年代初首先采用反应谱作为抗震设计理论,到60年代,这一理论已基本取代过去的静力震度法。反应谱是指将地震波作用在单质点体系上,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。随机振动理论在60年代已有初步发展,它不但为振型组合提供了普遍接受的方法,更重要的是为今后的抗震设计概率理论奠定了基础。动力理论阶段(20世纪70~80年代)。动力法把地震作为一个时间过程,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入,将建筑物简化为多自由度体系,计算每一时刻建筑物的地震反应。动力法比反应谱法有更高的精确性,在获得结构非线性恢复力模型的基础上,很容易求解结构非弹性阶段的反应,求得各种反应量。2中小地震系统地震资料当前各国采用的“小震不坏、中震可修、大震不倒”抗震设防水准,是以保证生命安全为单一设防目标的。尽管能做到大震时主体结构不倒塌以保证生命安全,但仍可能导致中小地震作用下结构丧失正常使用功能而造成巨大的财产损失。1994年在美国(Northridge)和1995年在日本(阪神)发生了破坏性的地震,由于这类地区集中了大量的社会财富,地震所造成的经济损失和人员伤亡是非常巨大的。在此背景下,人们不得不重新审视现有的抗震设计思想,于是基于性能的抗震设计(20世纪90年代)被认为是未来抗震设计的主要发展方向。2.1结构性能的设计基于性能的抗震设计应用于建筑业中最早是在1963年,奥斯陆的NKB(Nordidkskomittenforbyggbestammelser)开始统一北欧5个国家的建筑法规,以便对现有建筑法规统一化,取名为基于结构性能的抗震设计理论的4级框架。国际标准化组织(ISO)1980年、1984年颁布了基于结构性能的建筑法规的初步使用标准,英国(Heseltine1991)、新西兰(BIA1995)和澳大利亚(ABCB1996)都进行了以基于性能设计方法为基础的建筑法规的修订,联合国欧洲经济委员会以NKB框架体系为基础,出台了建筑条例法规(ECE1996)。日本1998年也对其建筑法规进行了修改以符合基于性能的设计思想,目前正在进行政府相关条例的修改(JapaneseGovernment1998)。美国和加拿大也已将基于性能的设计作为建筑抗震性能的设计方法而推行。20世纪90年代初美国学者率先提出了基于性能的结构抗震设计概念(Performance-BasedSeismicDesign,PBSD),该理论被认为是未来抗震设计的主要发展思想,是21世纪世界抗震设计规范的大潮流。2.2从《建筑标准法》到《日本结构体系》基于结构性能的工程技术是美国加利福尼亚结构工程师学会于1992年成立的放眼21世纪委员会(Vision2000CommitteeSEAOC)提出的,内容包括:设计标准的选择、平面设计、设计配合比、结构与非结构构件的细部设计以及安全性、结构性能控制和耐久性,并指出建筑在经历地震运动后其抗震性能水准可分为4个级别:安全可靠、可靠、生命安全、不倒塌,每一级别的划分都是以建筑占有率、结构功能、以及建筑作为历史文化资源的重要性为基础的。Vision2000提出的报告将地震设防水准划分为4个等级:常遇地震、偶遇地震、少遇地震、罕遇地震,每一等级的划分是根据不同重限期或超越概率为基础的,设计者可根据业主的要求确定合理的抗震性能目标和结构措施。在对基于性能的抗震理论研究中,美国、日本等国家投入大量的人力和物力,使其尽快地得到应用和推广。1997年出版的《国际建筑规范2000年(草案)》强调了与结构性能位移设计的有关内容。日本工程界也在1995年阪神大地震之后对这种理论及其工程实用价值展开了广泛的研究,并在《建筑标准法》(2000年6月)中提出了基于性能的抗震理论框架。以偏移为基础的设计概念在20世纪70年代末就被Sozen提出。美国MoehleJP在20世纪90年代初提出了基于位移的抗震设计理论,主张改进基于承载力的设计方法,这一全新概念的结构抗震设计方法最早应用于桥梁设计,它是控制结构在大震作用下的层间位移角限值。文献提出桥梁的抗震性能水准可分为3级,与建筑相比,桥梁允许的非结构构件的破坏更少,不包含非结构构件的破坏。SutatLeelataviwat等人运用能量平衡原理研究单自由度体系非弹性设计反应谱,得到了塑性屈服机制和地震力沿结构高度的分配机制,以及框架结构的非线性静力分析和非线性动力分析,达到了对结构地震反应规律的可控性。基于性能的抗震设计方法也开始在邻海结构设计中应用,它被推荐作为设定建筑场地极端浪高特性的分配参数和相应比例以及定位参数值的方法。其中的蒙特卡罗模拟技术是性能估计的有利工具,对于风暴这种随机事件,可按比例的模拟极端浪高的概率密度以及沉箱和毛石护坡基础间的摩擦系数,对于世界上不同地点的极端浪高特性的比较和参数选择具有一定的适用性,促进了此理论在各种结构应用中的发展。基于性能的抗震设计方法在其它结构形式中也得到应用,例如:文献等人以两个燃烧模型为基础,利用基于性能的设计方法预测结构遭受不同强度火灾时的整体反应情况。与以往分析方法的最大区别在于,此方法可以得到大型复杂钢结构遭受明火时结构的整体性能,并能预测燃烧增热时间与结构安全性(强度、稳定性)之间的关系等,带来美学与经济性的潜在利益。在地震荷载作用下结构的可靠性分析已经大量应用于钢结构和钢筋混凝土结构及构件上,可靠性与非线性反应分析模型的联合运用也大量用在钢性联结配件上。针对地震荷载作用下木质框架剪力墙结构可靠度分析的有限工作,文献开发了作为木框架主要抗侧力构件—剪力墙结构基于风险的抗震设计分析方法,此方法以可靠度准则和基于性能的抗震设计方法为基础,通过运行程序来分析剪力墙的动态反应并预测结构位移。文献发表了有关剪力墙、框架构件的结构变形容许值的研究成果,文献提出基于性能的抗震优化设计(PBSOD)概念。文献建议中国21世纪的抗震设计规范应顺应国际发展的趋势,发展适合中国国情的PBSD的抗震设计理论。从某种意义上讲,中国现行的《建筑抗震设计规范(GB50011-2001)》所提出的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防和二阶段抗震设计的思想已经包含了某些基于性能的设计思想,2004年刚刚颁布了“基于结构性能的抗震设计通则—《建筑工程抗震性态设计通则(CECS160:2004)》,规范了此理论在工程中的应用。2.3抗震性能目标基于性能的抗震理论框架包括地震设防水准、结构抗震性能目标和结构抗震设计方法等三个方面:(1)地震设防水准的选择在基于性能的抗震理论中占有重要地位。美国联邦紧急救援署提供资料,基于性能的抗震研究可以沿用4个性能水准。(2)结构抗震性能目标是针对某一地震设防水准而期望达到的抗震性能等级,选择合适的性能目标是基于性能的抗震理论的核心内容,抗震性能目标的确定要综合考虑场地和结构的功能与重要性、投资与效益、震后损失与恢复重建、潜在的历史文化价值、社会效益以及业主的承受能力等诸多因素。目前抗震性能目标的限值大多采用应力、位移、延性系数、能量耗散指标等,其中位移限值的应用研究较为普遍。(3)基于性能的抗震设计方法是基于性能的抗震理论的重要内容,结构的计算方法一般分为线性静力、非线性静力和非线性动力分析方法。其目前的设计程序延续了现行的结构设计体系,强调结构位移和非线性静力分析,实际上还是基于位移的抗震设计。基于位移的设计方法大致分为3种:按延性系数设计的方法、能力谱法和直接基于位移的方法基于结构性能设计理论的具体设计方法和程序尚未成型,要取得统一认识还需深入研究。2.4结构体系设计的优势基于性能的抗震理论是通过对强烈震害分析总结而提出的一种新的设计方法。此理论不同于目前的设计理念和方法,但它并不排斥现行设计理论和经验,具有以下特点:(1)基于性能的抗震理论提出多目标的设计理念,它所确定的抗震功能目标既要保证生命安全又要考虑经济财产损失。(2)基于性能的抗震理论更强调个性设计,结构功能目标可按实际需要,并有利于减隔震技术和高强高性能混凝土等新材料的推广应用。同时,结构的抗震能力是按选定的抗震功能目标进行设计,具有可预见性。(3)基于性能的抗震理论目前还没有统一的设计方法,很多学者提出了采用结构层间变形或顶点位移作为性能指标,它是从传统的以力为基础的设计转变成以变形为基础的设计,是从弹性设计方法转变为弹塑性的设计方法,解决了传统设计理论上的不足,尽可能使结构的预期功能与实际地震作用下的功能相符合。目前对基于性能的抗震设计理论的基础框架及本质特征虽有不少文献进行了描述,但对一些细节问题还没有达成一致看法,所提出了一些建议还缺乏实际统计数据的支持。在今后的研究工作中要对结构损伤状态图的绘制进行统计数据的支持,还要使用精确而有效的系统可靠性分析方法对复杂结构进行大量可靠性分析,以促进实际设计标准的发展。结构失效是罕遇事件,在较短的时间内统计数据具有局限性,因此试验是建立数据支持的仅有的可行性方法。基于位移的设计方法已经成功运用在钢筋混凝土桥墩和剪力墙上,而基于能量的设计方法仅在耗能装置等地方限制使用,今后要扩大两种理论的使用范围,使结构分析更符合实际。3结构抗震设计的重要性结构抗震设计理论已从最初的静力阶段和反应谱阶段,发展到动力阶段