基于性能的抗震设计理论研究综述

1 结构的抗震设计局限

由于地震和地面运动有很大的不确定性，导致结构在其使用期限内可能遭遇预期强度等级的地震，也有可能遭遇远远大于预期强度等级的地震，这就使结构工程师很难准确了解结构的抗震需求。当前，多数国家对结构抗震设计原则为：对于一般的工程结构，设计时以本区域内多遇地震作为结构弹性阶段承载力和变形验算依据，以保证结构在小震作用的结构正常使用功能；同时以大震作为结构在极限状态下的验算依据，以满足在结构在强震下不至于倒塌危及生命安全。虽然这种设计方法较为简单，设计结果较为经济，但也在某种局限了结构的抗震设计（似乎仅有我国采用这种方法）。首先，仅仅以正常使用状态和极限状态作为设计阶段，并不能保证结构在除此两状态之外的处于其它状态时的损伤程度和功能完整性，这就要求我们对结构的其它状态的性能水平进行更深入的研究。其次，这种设计仅仅要求结构满足基本的抗震设防目标，局限了业主对结构抗震方面提出更高的设防要求，安全度已与目前的经济和社会发展不符，故我们有必要对结构的设防目标进入更进一步的研究。因此，对结构采用多级性能水平和多级抗震设防目标的基于性能的抗震设计具有重要的理论意义和实用价值。

2 结构的地震反应分析方法

自1899年日本学者大森房吉首次提出用于结构抗震设计的静力法以来，结构的地震反应分析方法经历了从静力法到动力的反应谱法和动力时程分析法这三个阶段的演变过程，在动力阶段中又可分为弹性与非弹性(非线性)两个阶段。根据所考虑的地震动特点，结构地震反应分析方法可以分为确定性方法和随机振动方法。确定性方法利用地震记录或由其他方法确定的地震波进行结构的地震反应计算，随机振动方法则把地震视为随机过程，把具有统计性质的地震动作用在结构上来求出结构的反应。到目前为止，国内外的抗震设计规范绝大多数都采用确定性方法，因此本文也仅考虑确定性方法。

由大森房吉提出的弹性静力法理论假设结构各个部分与地震动具有相同的振动，因此，地震力等于地面运动加速度与结构总质量的乘积；在大森房吉之后，佐野利器于1916年提出震度法，认为以结构10%的总重量作为水平地震力来考虑地震作用。该法把结构的动力反应特性这一重要因素忽略了，具有很大的局限性，只有当结构可近似地视为刚体时，该方法才适用。

由于缺乏对地震动特性的认识和结构振动分析理论的了解，基于动力学的地震反应分析理论一直未能得到发展；直到1930年之后，人们逐渐认识到地震动特性对确立合理的抗震设计方法的重要性，从1931年起，美国开始进行地震观测台网的布置，并在1940年Imperial Valley地震中成功地收集到了包括El-Centro地震记录在内的大量地震记录资料，为抗震动力学方法的发展提供了宝贵的资料。1943年，M.A.Biot提出了反应谱的概念，并给出了世界上第一条弹性反应谱曲线。G.W.Housner于1948年提出基于加速度反应谱曲线的弹性反应谱曲线，1956年N.M.Newmark率先将该法应用于实际工程设计，并在实际地震中得到了验证，自1958年第一届世界地震工程会议之后，反应谱法被许多国家所接受，并逐渐被采纳应用到结构抗震设计规范中。我国1959年的抗震规范草案就采用了反应谱理论并在以后的各次规范修订中不断完善和发展。在弹性反应谱的概念提出不久之后，就提出了非线性反应谱的概念，试图将这一简单的概念应用于非线性地震反应分析中，目前，除新西兰抗震规范采用非线性反应谱以外，非线性反应谱基本没有直接得到应用。

动力时程分析方法是将地震动记录或人工地震波作用在结构上，直接对结构运动方程进行积分，求得结构任意时刻地震反应的分析方法，根据是否考虑结构的非线性行为，该法义可分为线性动力时程分析和非线性动力时程分析两种。该方法是借助于强震台网收集到的地震记录和模拟电子计算机，于20世纪50年代末由美国的G. W.Housner提出的：日本于20世纪60年代初，在武藤清教授的领导下，也开始了这项研究工作。随着计算机的发展，该方法在国外于20世纪60、70年代得到了迅速的发展。我国于20世纪70年代末和80年代初在这方面开展了大量的研究工作。随着计算手段的不断发展和对结构地震反应认识的不断深入，该方法越来越受到重视，特别是对体系复杂结构的非线性地震反应，动力时程分析方法还是理论上唯一可行的分析方法，目前很多国家都将此方法列为规范采用的分析方法之一。

3 对性能的抗震设计的不同定义

“基于性能”一词源于英文 Performance-based。基于性能的抗震设计（PBSD）理论是20世纪90年代由美国科学家和工程师首先提出的，最早应用于桥梁抗震设计中。基于性能抗震设计的基本思想是使被设计的建筑物在使用期间满足各种预定功能或性能目标要求。这一思想影响了美国、日本和欧洲地震工程界。各国同行表现出了极大的兴趣，纷纷展开多方面的研究。

SFAOCVision 2000对PBSD的定义是“性能设计应该是选择一定的设计准则，恰当的结构形式、合理的规划和结构比例。保证建筑物的结构与非结构构件的细部构造设计，控制建造质量和长期维护水平，使得建筑物在遭受一定水准地震作用下，结构的损伤或破坏不超过某一特定的极限状态”。

ATC-40对PBSD的定义为“基于性能的抗震设计是指结构的设计准则由一系列可以实现的结构性能目标来表示，主要针对钢筋混凝土结构并且建议采用基于能力谱的设计原理”。显然，ATC-40建议使用能力谱方法对钢筋混凝土结构进行抗震设计。  

FFMA273和FFMA274对PBSD的定义为基于不同设防水准地震作用，达到不同的性能目标。在分析和设计中采用弹性静力和弹塑性时程分析来实现一系列的性能水准，并且建议采用建筑物顶点位移来定义结构和非结构构件的性能水准，不同的结构形式采用不同的性能水准。而且FFMA273利用随机地震动概念提出了许多种性能目标.，适合于多级性能水准结构的分析与设计方法从线性静力延伸到弹塑性时程分析。

1995年的Kobe地震后，日本启动了“建筑结构现代工程开发”研究项目，对性能设计涉及的内容进行了概述；1996年，日本建筑标准法按照基于性能的要求进行了修订；1998年，日本的建筑标准法加入了能力谱方法。

我国一些学者也对PBSD进行了定义：“基于性能的结构抗震设计是指根据建筑物的重要性和用途确定其性能目标；根据不同的性能目标提出不同的抗震设防标准，使设计的建筑在未来地震中具备预期的功能。”

PBSD已成为近几年美国、日本、新西兰等国家在抗震方面的主要研究课题。美国学者认为，基于性能的抗震设计方法应该编成指南或规定，而不是规范提供给设计人员和业主，从现行的以保障生命安全为宗旨的抗震设计规范向基于性能的抗震设计规范的选择性设计规定的转变应该是“演进”而不是“革命”，其基本思想还可以通过每三年一次的规范修订融入现行规范中去。美国国际规范委员会(ICC)1997年5月出版国际建筑规范2000 (International Building Code. IBC)草案已强调了与性能要求有关的内容。近年来，基于性能的抗震设计思想及研究成果已经纳入美国大学本科生和研究生的结构抗震设计课程教学工作中，主要内容即以Vision2000为基础。日本也在多方资助下于1995年开始了为期3a的“新建筑结构体系开发”研究项目，成立了由国内著名学者参加的新建筑构造体系综合委员会。该委员会下设性能评价、目标水准和社会机构3个分委员会。为推进和协调这一项目的进程，还建立了“新构造体系促进会议”，讨论、规划和协调各方而的工作。英国等欧洲国家和智利等拉美国家也对PBSD开展了研究。1996年在中美抗震规范学术讨论会上也对PBSD进行了交流，提出了把PBSD引入到结构优化设计领域的概念。有学者建议，中国 21世纪的抗震设计应顺应国际发展的趋势，发展适合于中国国情的PBSD。

4 目前国内外地震工程界学界对PBSD开展的研究工作

（１）多级性能水准的确定与统一。生命安全水准、结构损伤水准和确保使用功能水准为当前规范普遍接受的3级性能水准。生命安全水准要求建筑在罕遇地震作用下不倒塌；结构损伤水准要求建筑损伤控制在可修复的范围内；确保使用功能水准要求结构不产生影响建筑直接使用的变形等。PBSD要求细化这3级性能水准并建立相应的结构设计准则。

（２）多级地震设防水准的确定与统一：当前规范普遍采用3级性能水准所对应的最高设防水准。在建筑使用期内遭遇一次地震危险的水准和可能遭受多次地震危险的水准3级地震设防水准。PBSD同样要求细化这3级地震设防水准。

（３）可行的结构设计与分析方法：PT3SD要求建立适合于在多级水准地震作用下实现多级性能水准的结构设计与分析方法。

（４）结构安全性评估方法的完善：当前由静力推覆分析方法和能力谱分析方法结合形成的静力弹塑性方法被普遍用来评估罕遇地震作用下建筑的抗震性能。

基于性能的抗震研究是一个非常庞大和复杂的问题，就目前的发展水平，还存在以下问题需要进一步研究解决。

在结构性能方面，虽然提出了不同性能水平，但只是对结构和非结构性能的破坏程度的描述，对结构“不坏、可修、不倒”定义模糊，未给出明确的量化指标，是本文主要研究问题之一，有待进一步研究。

在结构多级性能目标方面，如何进一步考虑建筑场地特征和近震的影响，以及设防水平与震后重建时间、费用之间的定量关系。

对于高层建筑或沿高度侧向刚度有变化的建筑，采用何种目标侧移曲线，侧向力分布模式是否考虑高阶振型的影响，都需要作进一步深入的研究。

如何针对复杂的混合塑性铰分布破坏机制建立位移延性和曲率延性的转化关系，从而获得结构曲率延性需求，有待进一步研究。