基于结构性能的抗震设计与抗震评估方法综述

第37卷　第1期2005年3月西安建筑科技大学学报(自然科学版)J1Xi’an Univ.of Arch.&Tech.(Natural Science Edition)Vol.37　No.1Mar.2005基于结构性能的抗震设计与抗震评估方法综述邢　燕,牛荻涛(西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055)摘　要:基于性能的结构设计是21世纪抗震设计的发展趋势,而新建结构的抗震设计与在役结构的抗震评估及加固设计则是减轻地震灾害的二个重要方面.对基于性能的结构设计方法进行了评述,并对性能设计理论在结构抗震性能评估与加固设计中的应用状况进行了分析,进一步指出建立在役结构抗震性能评估及加固理论与方法需研究解决的问题.关键词:结构性能;抗震设计;抗震评估;在役结构中图分类号:TU311.3 文献标识码:A 文章编号:100627930(2005)0120024205　ΞSummarization of performance-based seismicdesign and evaluation methodXING Yan,NIU Di2tao(School of Civil Eng.,Xi’an Univ.of Arch.&Tech.,Xi’an710055,China)Abstract:Performance2based design is the development current of seismic design of the21th century.Two important aspects of alleviating earthquake disaster are seismic design of new structures and seismic evaluation as well as the retrofit design of existing structures.The methods of performance2based design are reviewed in this paper.The actuality and existent problems are analyzed and that performance2based design is applied to seismic evaluation and retrofit design.Key words:performance;seismic design;seismic evaluation;existing structure1989年美国加洲Lorma Prieta地震(Ms7.1)和1994年美国Northridge地震(Ms6.7),伤亡数百人,而造成的经济损失高达150～200亿美元;1995年日本阪神大地震(Ms7.1)[1],死亡5500多人,造成的经济损失高达1000亿美元,震后的恢复重建工作花费两年多时间,耗资近1000亿美元.2000年我国台湾发生的7.6级地震,死亡2103人,房屋倒塌上万,对经济影响也十分巨大.上述震害说明,随着经济的发展和人口密度的增加,人们逐渐认识到过去的仅以保证人的生命安全为目标的设计理论,在抗震设计理念、适应社会需求等方面都存在一定的不足.按规范设计的建筑物可以避免倒塌而不危及人的生命,但一次地震,甚至一次中等大小的地震所造成的损失,就大大超过了社会和业主所能接受的程度.因此,现代及未来的建筑不仅要防止倒塌,还要考虑控制经济损失,保证结构使用功能的延续等问题.近年来国际上提出了基于结构性能的抗震设计理论(Performance2based seismic design,简称PBSD),其基本思想是以结构抗震性能分析为基础,针对每一种设防水准(如50a超越概率为6312%,Ξ收稿日期:2003207208基金项目:国家自然科学基金资助项目(50078044)作者简介:邢　燕(19792),女,山西长治人,硕士研究生,主要从事服役结构的抗震性能评估和加固研究.10%和2%的地震动),将结构的抗震性能划分成不同等级(如性能完好,性能连续,保证安全,近于倒塌等),采用合理的抗震性能目标和合适的结构抗震措施进行设计,使结构在各种地震水平作用下所造成的破坏程度,是业主所选择并能够承受的.另一方面,结构性能的优劣不仅与设计有关,施工和使用过程对其也有较大影响.如结构在使用过程中,由于环境等因素的作用,混凝土腐蚀与钢筋锈蚀,进一步导致结构性能(包括抗震性能)的退化.因此在发展基于性能的抗震设计方法的同时还应该重视在役结构抗震性能评估理论与方法的研究.1　基于损伤性能的抗震设计方法目前PBSD 理论主要有基于位移的抗震设计(简称DBSD )、基于地震损伤性能的设计方法(简称SDPBD )和综合抗震设计方法.1.1　基于位移的抗震设计(DBSD )方法DBSD 方法的基本思想是在一定水准的地震作用下,以结构的位移响应为目标进行设计,使结构达到该水准地震作用下的性能要求.具体有:延性系数设计方法、能力谱法、直接基于位移的方法和适应谱push 2over 方法等.延性系数法的实质,是通过建立构件的位移延性系数或截面曲率延性系数与塑性铰区混凝土极限压应变的关系,由约束箍筋来保证核心混凝土能够达到所要求的极限压应变,从而使构件具有要求的延性系数[2,3].这种方法在新西兰等国家得到应用,并称之为“能力设计”方法.直接基于位移的方法是用“替代结构”将实际结构表示为一等效单自由度体系,采用与最大位移∃d相对应的割线刚度K e 和等效阻尼比Νeq 来代替实际结构[4].而基于力的抗震设计方法是以结构的弹性刚度和阻尼来表征结构的,因此较基于力的设计方法有所改进.用这种方法确定目标位移和将多自由度体系等效为单自由度体系的前提是结构中可能形成塑性铰的部位同时达到屈服,显然这在实际结构中较难实现.能力谱方法(Capacity Sp ectrum M ethod )[4,5]是将地震反应谱曲线和结构能力谱曲线绘制在同一图中,求得两个曲线相交点(称为性能点)的位移(称为目标位移)或采用图示的方法直观地评估结构在给定地震作用下的性能,它的关键就是用pu sh 2over 方法获得能力谱曲线.p u sh 2over 方法是近年来在国外得到广泛应用的一种结构抗震能力评价的新方法.它的优点在于水平力的大小是根据结构周期的变化由设计反应谱求得,而分布形式则根据结构振型的变化求得.但也存在两个问题:(1)侧向水平力的分布形式如何选择;(2)如何考虑高振型对地震作用的影响.我国也有很多学者都对这一方法做了不同程度的改进[6～8].能力谱法其实是一种静力非线性方法,与以往的静力方法不同之处主要在于它将设计反应谱引入了计算过程.能力谱法较多用在在役结构的抗震评估中,目前也在性能设计中得到广泛应用,比基于力的设计方法更为合理.在前面的方法中,为了能利用反应谱,必须将多自由度体系等效成单自由度体系;而规范中的反应谱都是线弹性的,所以又必须将非线性体系等效成线性体系.这两方面等效必然会带来一定的误差,因而能力谱方法和延性系数设计方法只适用于中低层结构,对于高阶振型影响不能忽略的结构则不适用.适应谱pu sh 2over 方法[9]则克服了以上的不足.这一方法与传统的pu sh 2over 分析方法相比,最主要的区别在于:(1)直接利用反应谱来定义加载特性;(2)侧向荷载随结构的动力特性变化而改变.即虽是静力加载,但同样能体现结构的动力特性,更能体现出结构和地震频谱特性的耦联效应.而且这一方法考虑了多振型的组合,因而惯性力的分布形式较符合实际.该方法不需要进行一系列的等效过程,能够得到多自由度体系的能力曲线.1.2　基于地震损伤性能的设计方法1.2.1　地震损伤模型①双参数模型[10]为了合理地反映弹塑性变形和低周疲劳效应对结构地震损伤的影响,P ark 和A ng (1985年)提出52第1期邢　燕等:基于结构性能的抗震设计与抗震评估方法综述了如下钢筋混凝土构件地震损伤模型:D =x m x cu +ΒE hF y x cu (1)式中:x cu 是单调加载下构件的极限位移;Fy 是构件的屈服剪力;x m 和E h 是构件实际的地震最大变形和累积滞变耗能;Β是构件的耗能因子(低周疲劳参数),按下式计算.对于剪切型结构[11]:Β=(-01447+01073Κ+0124n 0+01134Θt )017100Θw (2)式中:Κ为剪跨比(Κ<117时Κ=117);n 0为轴压比(n 0<012时n 0=012);Θt 为纵向受拉钢筋配筋率(Θt <0175%时Θt =0175%);Θw 为体积配箍率.对于弯曲型结构:Β=[0137n 0+0136(k p -012)2]019100Θw (3)式中:k p =Θt f y 0185f c ′为归一化的配筋率;f y 和f c ′分别为受拉钢筋的强度设计值和混凝土圆柱体轴心抗压强度设计值.Fajfar (1992年)引入正规化累积耗能参数[11]:对于剪切型结构:Χh =1Λm E h F y x y (4)对于弯曲型结构:Χh =Υy ΥE h M y Υy (5)则地震损伤可以表示为:D =(1+ΒΧ2h Λm )Λm Λcu (6)式中:Λcu 是结构层破坏的极限延性系数.通过引入正规化累积滞回耗能参数,可以将复杂的地震损伤指数的计算问题转化为较容易的最大位移延性系数的计算问题.②改进能力谱方法模型Fajfar 通过大量弹塑性地震反应时程分析,给出了用于非线性静力分析方法(Non linear StaticP rocedu re,简称N SP )Χh 的简化计算公式[12]:Χh =016z t (Λ-1)0158Λa g v g t D 0130(7)式中:Λ为等价SDO F 体系的延性系数,由改进能力谱法(即与延性有关的能力谱方法,见前述)求得;a g 和v g 分别为设计地面峰值加速度和峰值速度;t D 为强震动持时;z t 为参数,由等价SDO F 体系弹性周期T n 确定[13].1.2.2　设计方法(1)基于地震损伤性能的设计方法[14]①地震损伤直接验算法:为了实现“三水准”地震损伤性能目标,对于一般结构,在多遇地震作用下(对于重要结构,在设防烈度地震作用下)可按现行建筑抗震设计规范进行截面抗震验算和变形验算;必要时可以验算“中震可修”的性能目标;在罕遇地震作用下按下式进行薄弱层的地震损伤验算:D i m ≤[D ](8)式中:D i m 是结构在罕遇地震作用下薄弱层地震损伤值,即结构层地震损伤最大值;[D ]是结构层容许的损伤指数,对一般结构取0.9,重要结构取0.5[14].如果采用改进能力谱法模型来计算D i m ,这种方法被称为基于改进能力谱的地震损伤性能设计[15].它能够较好地控制结构在大震作用下的非线性与损伤性能,但没有消除pu sh 2over 自身存在的缺陷.②转化为变形的地震损伤验算方法:如果式(4)表示的耗能参数Χh 能按简化计算公式确定,则式(8)可以改写成:Λi m ≤[Λ](9)式中:Λi m 是结构在罕遇地震作用下薄弱层的地震最大延性系数,按文献[16]有关简化公式计算;[Λ]的62 西　安　建　筑　科　技　大　学　学　报(自然科学版) 第37卷计算是将[D ]=0.5或0.9代入式(6)相应得到.(2)基于性能的综合抗震设计方法[17]该方法从抗震设计开始就同时考虑强度、位移、能量耗散、结构和非结构的损坏、它们对体系能量输入、能量需求和能量供给能力的组合影响以及对与期望的功能水准相联系的极限状态下的可接受损伤的影响.这一综合抗震设计方法其实就是基于局部结构构件损伤指数DM 和非结构构件层间侧移指数ID I 的设计谱方法.对于剪切型结构,非结构构件层间侧移指数谱ID I 由下式求得.ID I (T ,Λ,Ν)=2H ∑[S d (T n ,Λ,Νn )]2Β1Β2(10)式中:H 是建筑物总高度;S d ()为位移反应谱;Β1是考虑扭转效应的放大系数;Β2是考虑塑性扭转集中在一层的放大系数.局部结构构件损伤指数谱可以表示为DM (T ,Λ,Ν)=(1+b Χ2Λ)Β1Β2ΗΗumon ≈(1+b Χ2Λ)Β1Β2ID I Ηumon(11)这样,利用图1,再考虑与所选定的性能目标相应的正常使用极限状态和承载能力极限状态下的结构损坏(DM saf )和非结构损坏(ID I ser ,ID I saf )就可选定最小周期和最大延性.图1　选择最小刚度和强度以满足性能目标(Ν=5%)F ig .1　Selecting the m ini m al rigidity and strength to m eet the need of perfo rm ance这种基于性能的综合抗震设计方法以其合理性和明晰的表达方式在工程中得到广泛应用,主要优点就是适应性强,不受各国规范差异的影响.另外,能量概念的应用扩大了这种设计方法的范围,并可以在设计中考虑经济优化以及在抗震设计和抗震修复中采用诸如基底隔震和被动耗能装置等新的技术.2　基于性能的设计方法在抗震性能评估和抗震加固方面的应用很久以来,结构工程界主要集中于结构分析和结构设计理论的研究上,目的是提高结构的设计质量.但实际上,结构性能的好坏更是取决于它在整个服役期间的表现.因此,人们还需要对已建成结构在服役期内进行跟踪决策和控制,以保证结构具有良好的性能.20世纪90年代以来,美国工程界将基于性能的方法引入建筑抗震性能评估和抗震加固设计,如ATC 240和FEMA 2273.2.1　在役结构基于性能的抗震评估我国学者田颖等应用能力谱方法,用振型分解法建立了多自由度体系与等效单自由度体系之间的转换关系,用弹性反应谱曲线建立了地震需求曲线,建立了在役RC 框架结构基于位移的抗震性能评估方法[18].但该方法仅适用于以第一振型为主的结构,为使基于位移的评估方法更为合理,应通过弹塑性反应谱来建立结构的地震需求曲线,并建立更能反映结构抗震性能的基于位移的评估参数和评估标准.国外学者Joe MAFFEI 结合自己在抗震鉴定加固方面的经验,提出了一种抗震性能评估方法[19],72第1期邢　燕等:基于结构性能的抗震设计与抗震评估方法综述这一方法将能力设计引入在役结构的抗震性能评估,首先确定构件的期望强度值和导致结构失效的变形形式,然后用基于力或基于位移的方法对控制截面进行验算.该方法适用于线性与非线性、静力与动力分析,给工程师提供了更多关于能力方面的信息,也适用于抗震加固设计.2.2　基于性能的抗震加固对在役结构,由于其往往具有某种损伤,因此在进行抗震加固设计时控制变形比控制力更为合理.十多年来,已经发展了很多基于变形的非线性抗震分析的简化方法,但还未能应用于抗震加固中. FEMA2273在这方面做了大量的工作,发展了一种非线性静力分析程序(Nonlinear Static Procedure),它运用一些统计得到的参数将弹性反应转化为非弹性反应.但在这些系数的取值以及在考虑高振型影响方面还未取得共识.在目前的非线性分析中,大多是用弹性反应振幅来估计非线性反应最大值.近来还提出一种更好的方法,即用延性不变的非弹性谱来简化需求曲线.但这些方法都不能很好地综合考虑各种构件的复杂非线性行为.我们认为能力谱方法由于其直观简单和图形可视化的优点用于加固设计中.由于在役结构已经具有某种程度损伤,已不能作为弹性结构处理,因此,非线性反应分析则是在役结构抗震性能评定和加固的关键工作,在这方面今后尚应做深入的研究.3　结　语我国地域广阔,经济发展不平衡,不同层次、不同经济实体对地震灾害的承受能力不同,对结构抗震性能的要求也不同.结构性能设计理论的应用能充分发挥结构工程师的主动性,在可能的情况下最大限度地满足业主需求,使地震对建筑结构的破坏、对人的生命和财产所造成的损失,保持在社会和业主可承受的范围内.结构性能设计理论还有利于在结构设计中使用可改变结构抗震性能和增加结构安全性的新材料、新技术(如推广纤维补强混凝土等新材料和减隔震等新技术).基于性能的抗震设计理论作为发展趋势已被普遍认同,但基于性能的抗震设计与抗震评估方法都需要通过理论分析、设计实践和实验研究加以完善,尤其是关于在役结构抗震性态评估的研究还较少,还有许多问题需要深入研究:(1)建立反映我国地震地面运动特征的位移谱和弹塑性反应谱;(2)研究复杂结构体系的性能设计方法;(3)结构性能设计理论设计方法实用化;(4)在役损伤结构抗震性态参数和性能目标;(5)在役损伤结构的累积损伤分析;(6)在役损伤结构的抗震性态评估方法.参考文献:[1]　小谷俊介.日本基于性能结构抗震设计方法的发展[J].建筑结构,2000,(6):329.[2]　周　云,安　宇,梁兴文.基于性态的抗震设计理论和方法的研究与发展[J].世界地震工程,2001,(6):127.[3]　史庆轩.钢筋混凝土结构基于性能的抗震研究及破坏评估[D].西安:西安建筑科技大学,2002.[4]　钱稼茹,罗文斌.建筑结构基于位移的抗震设计[J].建筑结构,2001,(4):326.[5]　张　巍,孟少平.混凝土结构基于位移的抗震能力设计[J].工程抗震,2002,(9):529.[6]　叶燎原,潘　文.结构静力弹塑性分析(push2over)的原理和计算实例[J].建筑结构学报,2000,(2):37243.[7]　杨　溥,李英民.结构静力弹塑性分析(push2over)方法的改进[J].建筑结构学报,2000,(2):44250.[8]　叶献国.多层建筑结构抗震性能的近似评估——改进能力谱法[J].工程抗震,1998,(12):10214.[9]　魏　巍,冯启民.几种push2over分析方法对比研究[J].地震工程与工程振动,2002,22(8):66273.[10]　Park Y J,Ang A H.Seismic damage model for reinforced concrete Journal of structural engineering[J].ASCE,1985,(4):7222739.[11]　Fajfar P.Equivalent ductility factors taking into account low2cycle fatigue[J].Earthquake Enging Struct.Dyn,1992,21:8372848.[12]　Fajfar P,Gaspersic P.The N2method:the seismic damage analysis of RC building[J].Earthquake EngingStruct.Dyn,1996,25:31246.[13]　Vidic T,Fajfar P,Fischinger M.Consistent inelastic design spectra:strength and displacement[J].EarthquakeEnging Struct.Dyn,1994,23:5072521.(下转第34页)4)砌块构造.一般情况下,墙板混凝土肋格大小与成品砌块尺寸不匹配时,肋格内砌块需要拼接.试验表明:有水平通缝的墙板,其构成墙体的承载力、刚度都远小于其他没有水平通缝的墙体.因此,在砌块设计中,应严禁有水平通缝出现.(2)隐框构造1)边框柱构造　外框柱在密肋壁板结构中起着非常重要的作用.首先,外框柱和暗梁形成的隐框连接、约束着密肋复合墙板,从而形成密肋复合墙体,成为密肋壁板结构的主要受力构件;其次,外框柱及中间连接柱等竖向现浇构件自下而上的连续布置使密肋壁板结构具有明确的传力体系,其结构整体性大大加强.对于多层密肋复合墙体,边框柱应满足:①外框柱的截面宽度等于墙厚,外框柱的截面长度宜为1～2倍的墙厚,并不应小于200mm.②外框柱的混凝土强度等级应高于墙板肋梁肋柱混凝土强度等级.③外框柱纵筋不应小于4Ф14;箍筋不宜小于Ф6@200.对于中高层密肋复合墙体,外框柱尺寸的确定及配筋的控制宜参考我国现行抗震规范中剪力墙结构对边缘构件的规定.抗震与非抗震设计的密肋复合墙体按同等抗震等级的剪力墙结构进行约束边缘构件和构造边缘构件的设置.2)暗梁构造　密肋复合墙体中的暗梁,其截面高度可取墙厚的2倍,配筋应符合一般框架梁相应抗震等级的最小配筋要求.3　结　论(1)复合墙体独特的构造特点使其承力体系的三部分构件:砌块、框格及框架,能够在试验的弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段依次发挥作用,具有多道抗侧力防线,故在试验的不同阶段墙体应采取不同的受力模型.(2)复合墙体的破坏形式主要分为剪切型破坏和弯曲型破坏,其中剪切型破坏属于合理的破坏形式;根据试验拟合和理论计算,本文提出用墙体退化四线型恢复力模型.(3)结合抗震控制设计理念,提出复合墙体抗震设计方法;根据密肋壁板结构装配整体式的施工特点,提出复合墙体相应的施工构造要求.参考文献:[1]　黄　炜.密肋复合墙体抗震性能及设计理论研究[D].西安:西安建筑科技大学,2004.[2]　西安建筑科技大学.密肋壁板轻型框架结构理论与应用研究[R].西安:西安建筑科技大学,2000.[3]　谢　强.高层轻板框架结构的刚度和承载力分析[J].西安建筑科技大学学报,2000,32(3):2052208.[4]　陈　平.密肋复合墙板抗剪承载力计算研究[J].西安建筑科技大学学报,2002,34(1):26229.[5]　周铁钢.多层密肋壁板结构受力性能分析及实用设计方法研究[D].西安:西安建筑科技大学,2002.(编辑　李　斌)(上接第28页)[14]　欧进萍.钢筋混凝土结构基于地震损伤性能的设计[J].哈尔滨建筑大学学报,1999,23(1):21230.[15]　何　政,欧进萍.钢筋混凝土结构基于改进能力谱法的地震损伤性能设计[J].地震工程与工程振动,2000,(6):31238.[16]　高小旺.地震作用下多层剪切型结构弹塑性位移反应的实用计算方法[J].土木工程学报,1984,23(1):79287.[17]　Bertero R,Bertero V.Application of a comprehensive approach for the performance2based earquake2resistentdesign of building[C].12WCEE,2000.[18]　田　颖,钱嫁茹,刘凤阁.在用RC框架结构基于位移的抗震性能评估[J].建筑结构,2001,31(7):53259.[19]　Maffei J.Suggested improvements to performance2based seismic guidelines[C].12WCEE,2000.(编辑　李　斌)。