譚繼可，俞　盛，賈善坡

(1.中南建筑設(shè)計院股份有限公司成都分公司，四川 成都 610000；2.中南建筑設(shè)計院股份有限公司，

湖北 武漢 430071；3. 長江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

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基于性能的抗震設(shè)計研究現(xiàn)狀

譚繼可1，俞盛2，賈善坡3

(1.中南建筑設(shè)計院股份有限公司成都分公司，四川 成都 610000；2.中南建筑設(shè)計院股份有限公司，

湖北 武漢 430071；3. 長江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

摘要：基于性能的抗震設(shè)計是對現(xiàn)行規(guī)范的補充和完善，是國際上先進的抗震思想。指出現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計法存在的不足，提出性能設(shè)計法是發(fā)展的必然趨勢。從理論研究、應(yīng)用研究和軟件應(yīng)用三個方面分別介紹了基于性能的抗震設(shè)計方法在國內(nèi)外的研究和發(fā)展現(xiàn)狀。從性能目標(biāo)確定、性能設(shè)計方法和性能評價準(zhǔn)則三個方面對基于性能的抗震設(shè)計方法展開論述，并提出一些合理化建議。

關(guān)鍵詞：基于性能；抗震設(shè)計；性能目標(biāo)；評價準(zhǔn)則

基于性能的抗震設(shè)計(PBSD)思想最早是由美國工程師在20世紀(jì)90年代提出的，這種抗震思想是保證相應(yīng)性能水準(zhǔn)下，結(jié)構(gòu)采用最小延性構(gòu)造要求，使結(jié)構(gòu)提供所需的彈塑性變形，是對建筑多級設(shè)防目標(biāo)的進一步細(xì)化和具體化，是國際上先進的抗震思想?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計方法提出后，很快得到美國、日本、新西蘭等國家工程界的重視，并展開對基于性能的抗震設(shè)計理論和方法的研究。

我國規(guī)范采用以人身安全為基本出發(fā)點的三水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計的方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)階段業(yè)主對建筑經(jīng)濟性的要求，人們迫切需要一種更加完善的抗震設(shè)計方法，使得基于性能的抗震設(shè)計方法的產(chǎn)生和發(fā)展成為一種必然。

1規(guī)范設(shè)計法的局限性

1.1地震的不確定性

地震活動破壞力大，作用時間和地點不可預(yù)估，是一個非平穩(wěn)的隨機過程，具有高度不確定性。我國現(xiàn)行規(guī)范主要采用反應(yīng)譜法計算地震力，通過設(shè)防烈度、場地特征周期和阻尼比等確定地震力的大小。設(shè)防烈度的確定以現(xiàn)存的地震資料和經(jīng)驗為基準(zhǔn)，對全國不同地區(qū)劃分不同的設(shè)防烈度，并采用三水準(zhǔn)設(shè)防。地震力作用大小以設(shè)防烈度為度量，地震等級大小的定義以超越概率為基準(zhǔn)，例如：以50 a為基準(zhǔn)期，超越概率63%為小震，超越概率10%為中震，超越概率2%～3%為大震。但在中國有不少地區(qū)雖然有地震設(shè)防烈度分區(qū)，但缺少地震統(tǒng)計數(shù)據(jù)，無法真實預(yù)估地震作用，有時更會誤判低估地震作用大小。例如唐山、汶川等地，在大地震發(fā)生以前設(shè)防烈度為7度，而實際地震作用烈度已超過了8度，對地震力的預(yù)估不足，也是造成巨大災(zāi)難的重要原因。

1.2計算方法的不合理性

我國現(xiàn)行規(guī)范是采取半經(jīng)驗半理論的計算方法進行抗震設(shè)計，為使規(guī)范所采用的設(shè)計方法計算的地震力可以基本包含所有建筑結(jié)構(gòu)類型并對結(jié)構(gòu)類型條件進行限制，便形成了“半經(jīng)驗公式+限定條件”的抗震設(shè)計方法。如果不滿足相應(yīng)的限定條件，此類建筑被稱為超限工程，需要補充大震彈塑性分析，并進行超限審查，確保建筑結(jié)構(gòu)可以達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。而現(xiàn)階段的抗震設(shè)計方法，存在不少與基于性能的抗震設(shè)計思想背道而馳的地方：

(1)我國抗震規(guī)范未執(zhí)行R-μ-T準(zhǔn)則。R-μ-T準(zhǔn)則表明，若材料的本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性時，強度的折減與延性的關(guān)系[1-2]為：

R=1,T≤0.03S

R=μ,T≥1.0 s(等位移原理)

式中R為強度折減系數(shù)。美國等一些國家的抗震理論始終貫穿著 R-μ-T準(zhǔn)則，世界學(xué)術(shù)界也已達成共識，結(jié)構(gòu)抵抗大震作用的主要機理是塑性變形、延性和耗能，而我國的規(guī)范中R值取為定值，并未執(zhí)行R-μ-T準(zhǔn)則。

(2)文獻[3]嚴(yán)格按照規(guī)范要求設(shè)計出的鋼筋混凝土框架進行非線性動力分析和抗震性能評估，得到抗震等級為三級和四級的框架結(jié)構(gòu)不能有效地產(chǎn)生梁鉸變形機構(gòu)，無法滿足規(guī)范提出的“強柱弱梁”性能目標(biāo)，建議考慮樓板作用有效寬度范圍內(nèi)鋼筋的有利作用。此外，我國規(guī)范不應(yīng)該使“強柱弱梁”、“強剪弱彎”等一些調(diào)整系數(shù)與抗震等級有關(guān)，不應(yīng)該使抗震等級既是構(gòu)件的延性指標(biāo)，又是地震作用效應(yīng)指標(biāo)，這些并沒有遵守強度超強的基本原理[4]。

(3)規(guī)范采用剛度調(diào)整方法對剪重比進行調(diào)整，這與國際上按承載力調(diào)整地震剪力的思想不同，剪重比是保證結(jié)構(gòu)樓層承受的最大地震力作用，而靠提高建筑物的剛度來增加地震力的方法是不可取的。

(4)規(guī)范對具有薄弱層和厚板轉(zhuǎn)換的建筑結(jié)構(gòu)有過于保守的規(guī)定。文獻[5]采用基于性能的抗震方法對具有薄弱層、厚板轉(zhuǎn)換的實際工程進行研究，得出規(guī)范對薄弱層要求過于保守的結(jié)論，并指出厚板轉(zhuǎn)換并未對結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生不利影響。

1.3計算結(jié)果的不確定性

在現(xiàn)階段的抗震設(shè)計方法中，大多數(shù)的建筑結(jié)構(gòu)并沒有進行罕遇地震下彈塑性驗算，只進行小震彈性設(shè)計并滿足相應(yīng)的彈性指標(biāo)限值。假定結(jié)構(gòu)滿足大震不倒的設(shè)防目標(biāo)，比如規(guī)范對彈塑性層間位移角的限制目的是保證大震不倒，但是線彈性的設(shè)計方法，并不能正確地把握結(jié)構(gòu)屈服后的非線性行為和全過程地震反應(yīng)，同樣也無法確定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分配及高階振型等不確定因素的影響，使計算結(jié)果具有不確定性。

2國內(nèi)外研究進展

2.1理論研究

20世紀(jì)70年代，新西蘭學(xué)者PaulayT.等首次引入了基于能力的抗震設(shè)計方法，這一思想是基于性能的抗震設(shè)計思想的雛形，在新西蘭被重點研究，并被美國等一些國家所采用[6]。

基于性能的抗震設(shè)計理論和方法在美國的研究應(yīng)用較為成熟，美國的相關(guān)部門和協(xié)會均編制了各自的一些規(guī)范、技術(shù)文件系列，例如《ATC-40》《FEMA356》《ASCE41-06》等文件是美國性能設(shè)計規(guī)范樣本，為世界其他國家基于性能的抗震設(shè)計理論和方法的發(fā)展提供了參考，但此類規(guī)范只針對既有建筑的抗震性能評估[7-9]。

21世紀(jì)初，洛杉磯和舊金山先后頒布了各自的基于性能的高層建筑抗震規(guī)范，標(biāo)志著美國開始步入基于性能的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計階段[10-11]。

2000年，日本將性能化設(shè)計思想引入建筑規(guī)范中，從此日本也進入了基于性能的抗震設(shè)計階段。

近年來，我國工程師和科研人員結(jié)合我國實際情況對基于性能的抗震設(shè)計方法展開研究，并取得了一系列成果。

韓小雷[12]參考美國性能規(guī)范ASCE41-06并結(jié)合我國已有規(guī)范給出了轉(zhuǎn)換后構(gòu)件變形控制指標(biāo)，并將基于能力設(shè)計原理的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計分析方法引入轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計和雙肢剪力墻的極限承載力分析，將取得的研究成果應(yīng)用到超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中。

扶長生[4]結(jié)合中國規(guī)范和美國性能規(guī)范ASCE41-06，對基于性能的抗震方法進行了研究，指出我國現(xiàn)行規(guī)范的一些不合理性，并給出適合高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能指標(biāo)和不同性能水準(zhǔn)下的可接受準(zhǔn)則。

清華大學(xué)葉列平等[13]對基于能量的抗震設(shè)計方法展開了相關(guān)研究工作，以合理的結(jié)構(gòu)損傷耗能機制控制為前提，提出了基于能量的抗震設(shè)計框架，并將基于能量的抗震設(shè)計方法應(yīng)用到構(gòu)件層次的設(shè)計。

郭彤、顧羽等[14]提出一種基于可靠度和基于性能的抗震設(shè)計方法，并采用該方法對RC框架進行優(yōu)化設(shè)計；呂大剛、賈明明[15]提出以變形可靠度為理論的全概率抗震設(shè)計方法。

劉偉[16]以砌體結(jié)構(gòu)為研究對象，采用基于損傷理論的方法對其進行抗震設(shè)計研究，并得出對應(yīng)的性能化設(shè)計量化指標(biāo)。

文獻[17]中給出了采用非線性靜力方法或非線性動力方法進行建筑結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌計算時結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性轉(zhuǎn)角限值，并根據(jù)抗震等級和性能水準(zhǔn)給出了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可接受準(zhǔn)則。這是我國第一個指導(dǎo)基于性能的抗震設(shè)計的技術(shù)規(guī)程，標(biāo)志著我國抗震思想和方法的巨大進步，我國開始步入基于性能的抗震設(shè)計階段。

2.2應(yīng)用研究

譚繼可、俞盛等[18]以美國性能規(guī)范ASCE41-06為依據(jù)，以某實際工程為例，結(jié)合我國規(guī)范對高層建筑提出小震、大震下各構(gòu)件合理的抗震性能目標(biāo)和可接受準(zhǔn)則，并結(jié)合Perform-3D軟件，通過工程實例對如何實現(xiàn)上述性能目標(biāo)作了詳細(xì)介紹。

張相悅[19]開發(fā)研制了將設(shè)計模型轉(zhuǎn)換成ABAQUS模型的接口程序，并通過工程實例對該程序的正確性進行驗證；最后采用基于性能的抗震設(shè)計方法對一棟8度設(shè)防的216m超高層建筑進行抗震性能分析，得到大震作用下結(jié)構(gòu)的一些抗震性能指標(biāo)，并對其進行全方位的抗震性能評估。

蘭盛磊[20]采用PKPM軟件和MIDAS軟件，以某實際工程雙子塔樓中的南塔樓為例，基于現(xiàn)行規(guī)范確定該工程的抗震性能目標(biāo)，然后補充罕遇地震動力彈塑性分析，并對其進行抗震性能評估，指出該設(shè)計滿足規(guī)范要求。

童霞[21]采用性能評估軟件Perform-3D對某大學(xué)教學(xué)樓進行抗震性能評估，指出該工程較好地實現(xiàn)了規(guī)范要求的“三水準(zhǔn)”設(shè)防目標(biāo)。

扶長生、張小勇[22]成功借鑒美國基于性能的抗震設(shè)計研究成果，利用Perform-3D軟件采用推覆分析方法對高烈度區(qū)超限高層建筑結(jié)構(gòu)進行抗震性能評估，并對比分析推覆分析和動力彈塑性分析的抗震性能指標(biāo)結(jié)果，得出采用前兩個振型的推覆分析，可以基本包絡(luò)動力彈塑性的分析結(jié)果；中國大多數(shù)地區(qū)缺少地震動記錄信息，采用靜力推覆分析方法對建筑結(jié)構(gòu)進行抗震性能評估很有必要；采用推覆分析方法對建筑結(jié)構(gòu)進行抗震性能評估時，對周期大于2s的高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)展開必要的基礎(chǔ)性研究工作。

林生逸[23]利用Perform-3D軟件，對常規(guī)島主廠房建立了基于纖維模型的彈塑性模型，并對其進行抗震性能評估，分析結(jié)果表明，該模型分析方法可以較好地得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力及應(yīng)變和結(jié)構(gòu)整體的指標(biāo)，是高效可行的；該文對Perform-3D軟件在電廠結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用得到了有利的推廣，并對電廠結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計方法提供了參考。

扶長生、張小勇等[5]采用SAP2000對東莞天利中央花園進行非線性分析，并用能力譜法對結(jié)構(gòu)進行抗震性能評估，該工程參考美國規(guī)范，對結(jié)構(gòu)重要部分制訂不同的抗震性能目標(biāo)，具有較強的參考意義；作者按現(xiàn)行規(guī)范要求對一些薄弱部位進行大震分析，指出規(guī)范要求過于保守；針對規(guī)范就“厚板轉(zhuǎn)換”對結(jié)構(gòu)抗震性能不利的觀點提出了不同意見，結(jié)論表明 “厚板轉(zhuǎn)換”并未對結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生不利的影響。

秦寶林[24]利用Perform-3D軟件對實際工程算例進行驗證，通過Perform-3D軟件對其他兩棟實際超限高層進行抗震性能評估，得出現(xiàn)行規(guī)范對于彈塑性性能指標(biāo)的控制較為偏保守，其承載力至少具有2.8倍的富余。

徐培福、戴國瑩[25]對超限高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計方法進行研究，提出該方法有助于找出工程抗震設(shè)計中的安全隱患，避免結(jié)構(gòu)設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，提高可靠性，并有助于促進技術(shù)發(fā)展；根據(jù)超限高層建筑特點提出抗震性能水準(zhǔn)、目標(biāo)的選用以及結(jié)構(gòu)計算和試驗方面的相關(guān)要求，并列舉了滿足上述要求的實際工程案例。

2.3軟件應(yīng)用

隨著基于性能的設(shè)計方法應(yīng)用的推廣，一些商用有限元軟件開始編入相應(yīng)的分析程序進行基于性能的設(shè)計，常用的一些可以進行基于性能的設(shè)計的軟件主要有：SAP2000、OPENSES、YJK、PKPM、Perform-3D、MIDAS、MSC、ABAQUS、ANSYS、ADINA，下文僅對幾種常用的典型有限元分析軟件進行介紹。

ABAQUS和ANSYS是致力于開發(fā)并支持分析工程問題的仿真軟件，是通用的大型有限元軟件，對結(jié)構(gòu)進行動力彈塑性分析，需要對前后處理進行編程，一些本構(gòu)關(guān)系定義較為復(fù)雜，如果想要得到和實驗數(shù)據(jù)較為吻合的結(jié)果，需要對本構(gòu)模型二次開發(fā)，由此可見，用ABAQUS和ANSYS做基于性能的抗震設(shè)計，需要較強的理論和編程基礎(chǔ)，同時對計算機的配置要求較高。

SAP2000是基于對象的非線性有限元軟件，計算范圍幾乎覆蓋了結(jié)構(gòu)工程計算中的所有問題。ETABS和SAP2000系列軟件都是CSI公司的產(chǎn)品，前者著重于設(shè)計，后者主要偏重于分析。兩者有很多相似的地方，均可以做靜力和動力彈塑性分析，并可以直接依據(jù)FEMA356給出結(jié)構(gòu)抗震性能評價，但是計算精度不高，而且SAP2000目前無法對有剪力墻的結(jié)構(gòu)進行靜力彈塑性分析。

PKPM和YJK是主要進行配筋設(shè)計的軟件，使用者主要是設(shè)計院工程師，雖然軟件可以進行彈塑性分析，但是軟件模型簡化較多，精度和計算方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達到科研要求，彈塑性方法只是對小震設(shè)計的輔助復(fù)核。

Perform-3D是用于結(jié)構(gòu)抗震性能分析的非線性計算軟件，它集合并實現(xiàn)了ASCE41的方法，可以基于ASCE41和FEMA440 自動對結(jié)構(gòu)進行抗震性能評估。Perform-3D中，用戶可以自定義結(jié)構(gòu)包括構(gòu)件截面、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)和可接受準(zhǔn)則，也可以自定義結(jié)構(gòu)的F-D曲線，程序并可以自動計算出需求/能力比，并可以直接以圖形方式顯示。Perform-3D軟件是進行結(jié)構(gòu)抗震性能評估的優(yōu)選軟件。

3基于性能的抗震設(shè)計

3.1性能目標(biāo)確定

表1為ASCE41-13中的性能目標(biāo)表，表1中給出的性能目標(biāo)由地震災(zāi)害水平和性能水準(zhǔn)共同決定，其中a～p在ASCE41-13相關(guān)章節(jié)可以查出對應(yīng)的塑性變形限值，并得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可接受準(zhǔn)則。表1中同時定義了基本安全目標(biāo)、增強目標(biāo)和極限目標(biāo)，基本上與我國現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)防目標(biāo)相同，設(shè)計人員可以參考如表1的美國性能設(shè)計規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，對不同設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的建筑結(jié)構(gòu)選用相應(yīng)的性能目標(biāo)和可接受準(zhǔn)則。

3.2性能設(shè)計方法

基于性能的抗震設(shè)計理論和方法最早起源于美國，美國最開始的一些法律規(guī)范主要是針對既有建筑的抗震性能評估或?qū)鹘y(tǒng)設(shè)計方法的一種校核，隨著基于性能的抗震設(shè)計理論和方法的成熟，后來可以對新建建筑進行基于性能的抗震設(shè)計。基于性能的抗震設(shè)計方法主要有基于位移的設(shè)計法、綜合設(shè)計法、能力設(shè)計法、基于可靠度設(shè)計方法等4種[14]，常見的彈塑性分析方法也是基于性能的抗震設(shè)計的一種形式。它要求不同地震水準(zhǔn)下有明確的性能目標(biāo)，將相應(yīng)的性能水準(zhǔn)對應(yīng)下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性變形能力進行量化，并據(jù)此評估結(jié)構(gòu)的抗震性能是否達到預(yù)期目標(biāo)。該方法可以直觀地觀測結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和非線性變形形態(tài)，不確定性要小得多，更為合理。

表1　性能目標(biāo)表[26]

注：矩陣表的每個單元格里代表獨立的性能目標(biāo)?？梢允褂蒙厦娴男阅苣繕?biāo)矩陣來表示標(biāo)準(zhǔn)建筑的三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)，在ASCE41-13在2.2.1、2.2.2和2.2.3小節(jié)中對性能目標(biāo)的定義考慮了風(fēng)險類別I&II部分(見表2)。

表2　結(jié)構(gòu)加強方案

3.3性能評價準(zhǔn)則

美國性能規(guī)范定義構(gòu)件由OP、IO、LS和CP的性能水準(zhǔn)點和4個連續(xù)的性能段組成，構(gòu)件在不同性能點處對應(yīng)不同的塑性變形，各性能點的可接受準(zhǔn)則在ASCE41-06相關(guān)章節(jié)上均可以查到，文獻[22]在此基礎(chǔ)上增加了性能水準(zhǔn)點CC和倒塌控制性能階段，如圖1所示。文獻[12]結(jié)合我國規(guī)范要求，對ASCE41-06給出的可接受準(zhǔn)則進行轉(zhuǎn)化處理，確定按我國規(guī)范計算方法得出的延性、箍筋約束、軸力等條件下的塑性轉(zhuǎn)動限值和可接受準(zhǔn)則。

規(guī)范[17]中給出了壓彎破壞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彎矩-轉(zhuǎn)角(M-θ)模型骨架線，如圖2所示，不同性能點對應(yīng)的性能水準(zhǔn)和可接受準(zhǔn)則均可在該規(guī)范中查出，設(shè)計人員可以直接依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)進行基于性能的設(shè)計或?qū)嶋H結(jié)構(gòu)進行抗震性能評估。

圖1　性能點的可接受準(zhǔn)則[4]

圖2　壓彎破壞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彎矩-轉(zhuǎn)角(M-θ)模型骨架線[17]

4結(jié)語

基于性能的抗震設(shè)計的研究雖取得了不少成果，但在我國尚處于起步探索階段。本文介紹了基于性能的抗震設(shè)計方法產(chǎn)生背景，從理論研究、應(yīng)用研究和軟件應(yīng)用三方面對基于性能的抗震設(shè)計的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行闡述，并指出結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)、計算方法和性能評估準(zhǔn)則是基于性能的抗震設(shè)計的三個關(guān)鍵問題，只有合理的選擇評估準(zhǔn)則和計算方法才能更好地應(yīng)用基于性能的抗震設(shè)計方法?，F(xiàn)階段的研究成果主要針對結(jié)構(gòu)抗震性能評估，如何將性能設(shè)計法應(yīng)用于新建建筑設(shè)計中，需要進一步的研究。

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Performance-based seismic design method

TAN Ji-ke1,YU Sheng2,JIA Shan-po3

(1.Central-southArchitecturalDesignInstituteCo.,Ltd.,ChengduBranch,Chengdu610000,China;2.Central-southArchitecturalDesignInstituteCo.,Ltd.,Wuhan430071,China;>3.SchoolofUrbanConstruction,YangtzeUniversity,Jingzhou434023,China)

Abstract：Performance-based seismic design is to supplement and improve the existing norms,which is globally advanced seismic thought.The deficiencies of the existing standard design method are pointed out and the performance design method is the inevitable trend of development.The performance-based seismic design methods at home and abroad are discussed based on theoretical research,applied research and software applications.Performance-based seismic design is presented based on performance target-setting,the performance design method and performance evaluation criteria

Key words：performance-based;seismic performance target;acceptance criterion

中圖分類號：TU398

文獻標(biāo)識碼：A

DOI:10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.01.004

文章編號:1674-7046(2016)01-0020-07

作者簡介：譚繼可(1988—)，男，河南永城人，碩士，助理工程師。

基金項目：湖北省自然科學(xué)基金(2015CFB194)；中國博士后科學(xué)基金(2014M551055)；巖土力學(xué)國家重點實驗室開放基金(Z013007)

收稿日期：2015-11-23