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“通俗讲基于性能的抗震设计”

今天又来分享关于性能的抗震设计：

接上期《基于性能的抗震设计浅析（一）》，我们根据下图可把结构的性能水平分为以下四个阶段：充分运行阶段（Operational，简称OP）、基本运行（Immediate Occupancy，简称I0）、生命安全（Life Safety，简称LS）、接近倒塌（Collapse Prevention，简称CP）。

充分运行是指建筑和设备的功能在地震时或震后能继续保持，结构构件与非结构构件可能有轻微的破坏，但建筑结构完好；

基本运行是指建筑的基本功能不受影响，结构的关键和重要构件以及室内物品未遭破坏，结构可能损坏，但经一般修理或不需修理仍可继续使用；

生命安全是指建筑的基本功能受到影响，主体结构有较重破坏但不影响承重，非结构部分可能坠落，但不致严重伤人，生命安全能得到保障；

接近倒塌是指建筑的基本功能不复存在，主体结构有严重破坏，但不致倒塌。

延性结构

脆性结构

再谈基于性能的抗震设计的优势：

（1） 多样化的抗震设防目标及其相应的成本-效益衡量手段

对于不同的建筑物，应该根据其重要性和功能需要，采用不同的抗震设计目标。例如我国对建筑物抗震设防分类标准分为甲乙丙丁四类，就是这种多样化抗震设防的一个例子。性能化抗震设计所最终追求的，是根据业主和建筑物自身的需要，根据场地地震的发生概率、建筑物的破损概率、相关损失预测，最后给出一个建立在最佳成本——效益核算基础上的抗震设防目标。我国目前抗震设计暴露出的一个问题就是结构设防目标局限于规范，工程人员和业主缺乏主动性和能动性，不能根据建筑物的实际需要加以调整。实际上，规范给出的建筑物抗震设防标准一般是对此类建筑物的最低设防要求，业主和工程人员应该根据自己的需求和经验，进一步给出更为合理的设防要求。

（2）多阶段抗震设计及相应的分析手段

在明确了建筑物抗震设防的目标后，针对不同发生概率（不同重现期）、不同强度的地震运动，需要进一步明确其在不同水平地震下的性能要求。例如我国规范中现在得到广泛认同的3水准设防（小震不坏，中震可修，大震不倒），就是多阶段抗震设计的重要表现。但是，目前我国抗震设计时，除极少数特殊结构外，大部分结构仅进行小震计算设计，缺少对中震和大震的定量化计算设计，使得结构在中震、大震下的性能水准难以准确把握。震后很多中度、轻度灾区，出现大量填充墙体破坏、室内外装修破损，造成重大经济损失和人民心理恐慌，就是多阶段抗震设计不足的一个重要表现。

由于结构在进入中震或大震后，势必要部分进入弹塑性。这时传统的线弹性分析（时程分析、振型组合分析等）已经不再适用。

这就需要开发新的弹塑性分析工具和分析手段，能够较好地再现结构在进入弹塑性后的实际性能。目前诸多抗震分析软件都在开始增加弹塑性分析功能，因此分析工具问题有望得到有效解决。

（3）多参数评价和相应判断准则

在明确了设防目标和设计方法后，需要进一步对结构的性能提出相应的判别物理指标和判断准则。必须将结构物的性能和相关的物理指标相联系，才能使得性能判断客观可靠。传统的结构性能判断是以力作为判据，但是力判据不适用于结构弹塑性阶段的性能表述，而位移既可以描述线弹性阶段又可以描述弹塑性阶段，故而基于位移的抗震设计在很长的一个阶段里面成为性能化抗震设计的一个主要代表。随着性能化设计的进一步发展，除位移外，其他物理指标，如能量、楼面加速度、残余变形等，也受到一些研究者的关注，并进行了大量的研究。例如，随着新型消能减震设备（阻尼器等）的大量涌现，从能量角度来控制地震响应成为一个研究热点，而位移显然不能很好表达能量耗散过程。于是基于能量的抗震设计方法也得到了大量研究。

并且一些存放重要设备的建筑物对楼面加速度很关注，或者是考虑到震后的修复成本，对震后结构物的残余变形很关注，那么这时候楼面加速度、残余变形又成为基于性能抗震设计的一个重要考察指标。

消能减震的性能设计

上期提到基于力的设计方法不能直接反映结构在地震作用下的弹塑性反应特征，需要设计完成后检验结构变形是否满足设计要求。由于结构损伤与结构变形的紧密关系，因而基于位移设计方法应运而生。20世纪90年代初期，美国加州大学Berkeley分校的Mochel首先提出了基于位移的抗震设计思想，其核心为采用量化的位移指标来控制结构的抗震性能，并逐渐演变为基于性能的抗震设计理论，被成功引入消能减震结构的设计中。

ATC40能力谱法和FEMA273位移系数法都是基于位移的结构性能评估方法，被广泛应用于结构减震消能设计中，两者的理论基础均为Pushover分析。为了更加直观解析该问题，后引申出能力谱法的概念，这个概念是以 “周期-加速度”格式或“位移-加速度”格式的光滑弹塑性需求谱的格式。

通过累积损伤模型和弹塑性反应谱进一步发展了能力增法。FEMA-273位移系数法采用统计系数将弹性位移反应谱转化为弹塑性位移反应谱，尽管应用方便，但是精度、适应性和扩展性和相对不足。

基于位移的设计方法，如果使用非线性静力分析或动力分析法进行反复试算或迭代以达到预设目标位移。引入到减震结构设计中，核心是将弹塑性多自由度体系等效为弹性单自由度体系，使减震设计得到极大简化。该方法可用于软钢阻尼器、摩擦阻尼器、黏滞阻尼器和黏弹性阻尼器的减震设计，但需使用高阻尼弹性位移反应谱进行迭代求解，直至收敛于预设的结构初始屈服位移，这对体量大的实际工程较为困难，仅适用于变形以第一振型为主的规则剪切型结构。

现阶段普遍认为，结构的地震损伤不仅与位移有关，特别是减隔震设计，与累积耗散能量密切相关。尽管基于位移设计法以附加阻尼比的形式考虑了耗能，但是局限于最大位移响应时的结构耗能，由此促使了能量设计方法的出现。自提出基于能量的抗震设计法概念以来，该思想得到了不断发展，也被逐渐引入到减震结构的设计中。因此可以说，对于消能减震的性能化设计，目前更加关注发展和推广应用的方法是基于能量的性能分析设计。

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