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1建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的發(fā)展過程

抗震設(shè)計思想大體經(jīng)歷了靜力理論分析階段、反應譜理論階段以及動力理論階段，三個階段的發(fā)展并沒有嚴格的分界點，而是相互聯(lián)系、相互滲透的。靜力理論階段中應用的是基于承載力的抗震設(shè)計方法，它假定在地震作用下的結(jié)構(gòu)是剛性的，建筑物上任一點的加速度都等于地震加速度。這種理論沒有考慮到結(jié)構(gòu)的動力特性，設(shè)計方法比較粗略。

到了1943年，美國的Biot教授提出了彈性反應譜的概念，反應譜是指按地震波作用在單質(zhì)點體系上時，求得的位移、速度或加速度等反應的最大值與單質(zhì)點體系自振周期間的關(guān)系。反應譜理論考慮了自振周期、振型和阻尼等動力特性以及共振效應，考慮到了結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形。至今它仍然是各國規(guī)范設(shè)計地震作用取值的基礎(chǔ)。動力法把地震作為一個時間過程，將建筑物簡化為多自由度體系，選擇能反映地震和場地環(huán)境以及結(jié)構(gòu)特點要求的地震加速度時程作為地震動輸人，計算出每一時刻建筑物的地震反應。鑒于其優(yōu)點，我國抗震規(guī)范[lj規(guī)定在計算結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下的彈塑性變形時可采用此方法。

新的抗震理論是基于對現(xiàn)有地震資料的總結(jié)的基礎(chǔ)上提出的。1989年美國發(fā)生的I碑omaPrieta地震和臺灣的集集地震等給人類帶來了巨大的經(jīng)濟損失和社會災難。這促使理論界和工程界對現(xiàn)行理論進行了反思。上世紀90年代初，由美國學者閉率先提出了基于位移的抗震設(shè)計理論，這種理論最早應用于橋梁設(shè)計中，并取得了一定的成果。此后，美國加州工程師協(xié)會等機構(gòu)以報告的形式提出了PBSI)的設(shè)計思想和相關(guān)的建議。我國學者對基于功能的設(shè)計理論也進行了深人研究。同濟大學、清華大學等院校的學者取得了一定的成績[5，們，為PBSD的推廣和發(fā)展作出了重要的貢獻。

2PBSD的特點

目前，世界各國主要采用兩水準或是三水準設(shè)防的設(shè)計思想，不同的是各國在對結(jié)構(gòu)彈塑性的考慮上根據(jù)各國的實際情況對彈性反應譜的折減有所不同。

3甚于結(jié)構(gòu)性能的抗越設(shè)計理論的主要內(nèi)容

基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計理論的主要內(nèi)容應包括確定地震設(shè)防水準、結(jié)構(gòu)性能水準、結(jié)構(gòu)抗震性能目標、結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計方法等方面。

3.1地震設(shè)防水準

地震設(shè)防水準是指工程設(shè)計中如何根據(jù)客觀的設(shè)防環(huán)境和已定的設(shè)防目標，并考慮具體的社會經(jīng)濟條件來確定采用多大的設(shè)防參數(shù)。我國現(xiàn)行規(guī)范采用“三水準”的地震設(shè)防水準。它的問題在于雖然考慮了基于性能理論中的多級設(shè)防水準，但是由于第一和第二水準的重現(xiàn)期和超越概率相差很大，那么在處于二者中間的重現(xiàn)期和超越概率的房屋設(shè)計就變得不經(jīng)濟或者是不安全。美國加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會的放眼二十一世紀委員會建議采用新的地震設(shè)防水準[2〕。

3.2結(jié)構(gòu)性能水準

結(jié)構(gòu)性能水準是指結(jié)構(gòu)在特定的某一級地震設(shè)防水準下預期損傷的最大程度。2004年，我國研究機構(gòu)和學者在積累總結(jié)以往世界各國的大震經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，參考了相關(guān)外國文獻，結(jié)合本國的實際情況，編寫了《建筑工程抗震設(shè)計性態(tài)通則(試用)廣〕?！锻▌t》對結(jié)構(gòu)性能水準提出了新的建議，這表明我國在考慮結(jié)構(gòu)性能水準上從原來的定性考慮逐漸向定量考慮過渡，其發(fā)展的方向?qū)⒅饾u與國際接軌。但是，該《通則》所建議采用的結(jié)構(gòu)性能水準仍然沒有對結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的具體力學指標以及具體設(shè)備的運行情況給出明確的說明，只給出了一般性的建議。按照美國聯(lián)邦緊急救援署提供的資料建議，基于性能的抗震研究可以采用四個性能水準:水準1基本完好:無永久側(cè)移;結(jié)構(gòu)基本保持原有強度和剛度;結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本不損壞。所有重要設(shè)備仍正常工作。水準2，輕微破壞:無永久側(cè)移;結(jié)構(gòu)基本保持原有強度和剛度;結(jié)構(gòu)構(gòu)件與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件有輕微破壞。電梯能夠重新啟動，防火措施得力。水準3，生命安全:所有樓層都有殘留強度和剛度;承受重力荷載的構(gòu)件仍起作用;不發(fā)生墻體平面外失效或女兒墻倒塌;有永久側(cè)移。隔墻破壞，建筑修復費用可能很高。水準4，不倒塌:幾乎沒有殘留剛度和強度;但承受荷載的柱子和墻體仍起作用;有大的永久側(cè)移。每個性能水準都對應了具體的控制指標，如:結(jié)構(gòu)的側(cè)移、剛度、強度，結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷情況，設(shè)備的運行情況[4J。

3.3結(jié)構(gòu)抗震性能目標

結(jié)構(gòu)性能目標是針對某一級地震設(shè)防水準而期望建筑物能夠達到的性能水準或等級。性能目標的建立需要綜合考慮人員居住情況、場地效應、結(jié)構(gòu)功能與重要性、投資與效益、震后損失與恢復重建、潛在的歷史或文化價值、社會效益，社會公眾的反應以及業(yè)主的承受能力。它是抗震設(shè)防水準與結(jié)構(gòu)性能水準的綜合反應。加州工程師協(xié)會的VisionZo00報告建議將結(jié)構(gòu)性能目標劃分為3個等級(基本目標、重要目標、最高目標)[2〕。

3.4基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法

基于性能的抗震設(shè)計方法自提出以來，在國內(nèi)外都受到廣泛重視和研究。但是怎樣把基于性能的抗震設(shè)計思想合理并且簡單有效地應用到實際設(shè)計中，目前尚無統(tǒng)一方法和標準。目前，基于性能的抗震設(shè)計方法主要有承載力設(shè)計方法、基于位移的抗展設(shè)計方法、能量設(shè)計法。

當前，基于承載力的設(shè)計方法被世界各國規(guī)范所采用。以我國為例，它的設(shè)計思想是:第一階段:對于一般結(jié)構(gòu)在中、小地震作用下采用彈性計算方法，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體情況采用底部剪力法或者是振型分解反應譜法計算地展力，并與其他荷載通過分項系數(shù)法進行組合，計算截面的承載力和構(gòu)件的配筋，對于較高的建筑物還要控制其側(cè)向變形。第二階段:對于有特殊要求的結(jié)構(gòu)采用彈塑性計算方法?？筛鶕?jù)結(jié)構(gòu)的具體情況采用簡化的計算方法、靜力彈塑性分析法或者是彈塑性時程分析方法，驗算其基本烈度相對應的罕遇烈度地展作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性層間變形是否滿足規(guī)范要求，防止機構(gòu)由于薄弱部位產(chǎn)生的彈塑性變形，導致結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞甚至引起房屋倒塌。

基于位移的設(shè)計方法是基于性能設(shè)計理論推薦的配套設(shè)計方法。它以位移為設(shè)計起點，以層間位移或者其他變形作為抗震設(shè)計的控制因素，進行結(jié)構(gòu)的截面設(shè)計和配筋，這與傳統(tǒng)的基于承載力的設(shè)計方法在設(shè)計順序和控制因素的選取上有很大的區(qū)別，這也說明了該方法的出發(fā)點更接近于地震作用下結(jié)構(gòu)的實際運行狀態(tài)。能量法最初是由Housner于上世紀50年代末提出。它的基本假設(shè)是:結(jié)構(gòu)的總體破壞是由于地展輸人的總能量造成的，結(jié)構(gòu)及內(nèi)部設(shè)施的破壞程度是由地展輸人的能量和結(jié)構(gòu)消耗的能量共同決定的。該方法的優(yōu)點在于能夠直接估計結(jié)構(gòu)的破損狀態(tài)，但是由于在參數(shù)的選取、能量的計算方法等方面沒有一個確定的、合理的標準，所以這種方法還有待深人的研究。

4結(jié)束語

PBSD的出現(xiàn)是世界抗展史上一個新的里程碑，它真正達到了多級設(shè)防目標并考慮了具體量化的設(shè)防水準，其設(shè)計方法更加貼近于結(jié)構(gòu)在地震作用下的真實表現(xiàn)，可以滿足社會、業(yè)主等不同需求，為理論界和工程界提供了一種新的研究和設(shè)計理念。當前，各國研究機構(gòu)和學者對PBSD的研究都沒有完全脫離現(xiàn)有規(guī)范而單純做PBSD的研究，這是因為:

(1)現(xiàn)有理論本身考慮了基于性能的設(shè)計。

(2)現(xiàn)有理論建立在大量的地震觀測記錄的基礎(chǔ)上，貼近于工程實際。

(3)PBSD在計算模型的選取、地震力的輸人、計算方法等方面有待完善，還要走很長的一段路。同時這也使研究人員不得不把理論研究的一些模型和參數(shù)的選取建立在現(xiàn)有理論上。

因此可以說，當前的理論研究正處于新老理論的融合、過渡時期。不過可以預見，PBSD作為當今抗震設(shè)計理論研究的前沿，代表了世界未來抗震設(shè)計的主要方向，必會對人類的安居樂業(yè)做出更加重要的貢獻。