建筑结构基于性能抗震设计理论与方法

准。
立 即入 住
Ｂ
Ｆ
生命安全
Ｃ
Ｇ
防止 倒 塌
Ｄ
Ｈ
Ａபைடு நூலகம்
Ｅ
１ ％ ／ ０正 ０ ５
２％ ／ ０证 ５
Ｉ
Ｍ
Ｊ
Ｎ
Ｋ
０
Ｌ
Ｐ
Ｆ ＥＭＡ ７ 的 目标性能考虑 了三类 目标性能 ： ２３ 基 本 安 全 目标 为 ： ＋ ＫＰ 加强 目标为 ： Ｐ ｆ Ｅ，， 或 （ Ｆ Ｊ Ｎ） Ｋ＋ ＋Ａ， ＩＭ） Ｂ， ， ， 的任意一个 ， Ｏ 有 限 目标 为 ： Ｐ， Ｄ， Ｈ Ｋ， Ｃ， Ｇ， ２２ 于 性 能 的抗 震 设 计 方 法 ．基 目前 基于性能 的抗震设计仍 延续 了现行 的结构设计 体系 ， 调结 强 构 的位移性状 和非线性静力分析 ， 主要有 以下三种方法 。 ｆ） １位移 影响系数法 位移影 响系数法 的基本原理 ： 为非线性 Ｓ Ｏ 体 系的最大位移等 认 ＤＦ 于具有 相同阻尼 和刚度的弹性 Ｓ Ｆ体系的最大位移 乘 以一个 和强度 ＤＯ 折减系数 Ｒ、 周期 等有关的位移修正系数 ：
２ ％ ／０ ０ ５年
１ ／０年 ０％ ５ １ ／０年 ０％ ５ １ ％ ／ ０钜 ０ ５ １ ／ ０正 ０％ ５
２ ／０ ％５ 年
１ ％／０ 正 ０ １０
５ ５ 年 ％／ ０
２～３ ５ ％／０正
ｆ） ２ 结构的性能水平及其量化指标 结构 的抗 震性能水平表示结构 在特定的某一地震水 准下 一种有限 程 度的破坏 ， 包括结构 和非结 构构件破坏 以及 因它 『破坏 引起的后果 ， 『 ］ 主要用 结构易损性 、 结构功能性 和人 员安全性来表达 。文献［２提出按 １］ 照不 同的地震动水平将结构 的性 能水准分为 四级 ， 即功能完 好 、 功能连 续 、 制破 坏与损失 、 控 保证安全 。文献［ ］ 出了简 化的三级 性能水准 ， １提 ３ 即可继续使用 、 复后可再使用 、 修 保证安全 。 （） ３ 抗震设计的 目标性能 结 构的抗 震设计 的目标性 能是针对某一地震设防水 准而 期望达到 的抗震性 能等级 ， 抗震设计 目标 性能的建立需要综 合考虑场 地特征 、 结 构 功能与重要 性 、 投资 与效益 、 后损失 与恢 复重建 、 在的历史 或文 震 潜 化价值 、 社会效益 及业主 的承受能力等诸 多因素 。Ｆ Ｍ ２ ３ Ｅ Ａ ７ 规定 的 目 标性能 如表 ２ 所示 。我国抗震规范 的 目标性能实 际是 ： 小震不坏 ， 中震 可修 ， 大震不倒 。

中 图分 类 号 ：３５ ０ Ｐ １． 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ０ —１３ （０８）３—１６— ５ １ ８ ９３２０ ０ ０ ３ ０
Ｔｈ ｏ ｙ ａ ｄ ｐｒ ｃ ｉ ａ ｅ ｈ ｄ ｏ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ － ｓ ｄ ｓ ｉｍ ｉ ｅ ｉ ｎ ｅ ｒ ｎ ａ ｔｃ ｌｍ ｔ ｏ ｆ ｐ ｒ ｏ ｍ ｎ ｅ ｂａ ｅ ｅ ｓ ｃ ｄ ｓｇ Ｓ Ｎ Ｚ ａ ｇｈ ｎ ＷＡ Ｇ Ｑ ａ ｆｎ ＨＥ ｈ ｎ ｃ ｕ ， Ｎ ｕ ｎ ｇ ｅ
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四川建筑科学研究
１６ ３
Ｓ ｃ ｕ ｎ Ｂｕｌ ｉ ｇ Ｓ ｉ ｎ ｅ ｉｈ ａ ｉ ｎ ｃ ｅ ｃ ｄ
第３ ４卷 第 ３期 ２０ ０ ８年 ６月
基于性能抗震设计理论 与实 用方法
沈 章 春 ， 全 凤 王
（ 华侨 大学 ， 福建 泉州 ３ ２２ ） ６ ０ １
一
个 重要 任 务 ， 且 已经 作 为一 种 传统 的设 计 思 想 而
并付诸实践 。然而 ， 近些年来 ， 在许多现代化大城市 的地 震 中 ， 大 多数 建 筑 物 可 以不 倒 塌 基 本 保证 了 绝 人 的生命 安 全 ， 不 能在 大震 甚 至 中小 地 震 中有效 却 地控制地震破坏所造成的直接和间接经济损失 ， 而 这种破坏和损失往往超出了设计者的预料 ， 超过 了 社会和业主所能承受 的范围。例如 ，９９年美国加 １８ 州 ＬｍａＰ ｅ ｏ ｆ ｍ地 震 的震级 为 Ｍ ． ， 亡 数 百人 ， ｉ ７ １伤 而 造成 的 经 济 损 失 达 １０亿 美 元 ； ９４ 年 美 国 ５ １９ Ｎｒｒ ｇ 地震 ， ｏｔ ｉ ｅ ｈｄ 震级 为 Ｍ６７ 伤亡 数 百 人 ， 成 的 ．， 造
１ 基 于性能 的抗震设计理论的提 出

级中能够产生破坏的最大程度。 传统的设计方法对建筑结构的主体破坏预测 但是很难达到基于陛能的建筑结构抗震设计方法对预 地震时 自然灾害中难以预测的重大灾害之一 ， 一旦发生就会对 区域内人 具有较强的控制谁骗 ， 主要是 因为其还要考虑非主体结构 的破坏预测 、 内部设施 以及建 们 的人 身 安 全与 财产 安 全造 成 严重 的威 胁 ， 尤其 是 对 建筑 物 具 有摧 毁 性 的伤 测的要求 ， 主体结构与非主体结构的损坏所导致的后果一般 以结构的 害， 从而引发更加深远的不利影响。因此人们一直在探索能够使建筑物降低 筑功能的损坏等。
建筑 理论 与设 计
基于性能的建筑结构抗震设计研究
摘要 ： 建 筑结 构 的抗 震 设计 一直 是建 筑 领 域 的 重大 难题 之 一 ， 基 于性 能 的抗 震 结构 设 计在 建 筑 设计 中的应 用 ， 使得 建 筑抗 震 问
题迎 刃而解 ， 因此其也必将成为未来建筑结构抗震设计的努力方 向。本文对基于性能的建筑结构设计特征和研究方向进行 了详细 的探讨， 并在对能力谱法着重阐述之后 ， 提出了一种优化过后的能力谱法。 关键字 ： 基于性能； 建筑结构； 抗震设计
或 者 免 于地震 破 坏 的建 筑结 构 设计 方 法 ， 另 外 随着 科 技能 力 的 不断 提 高 以及 能 力 以及居 民的 安全 状况 来反 应 ， 并 依 据结 构 的不 同 破换 程 度将 性 能标 准 具 体 划分 为 五个 等 级 ， 即基 本 完好 、 轻度 损坏 、 中 度损 坏 、 严 重损 坏 与倒 塌 。
非线性静力分析两种 ， 其实质上还是基于位移的抗震性能设计。基 于位移的 抗震设计具体 主要有三种方法 ， 即按照延性 系数设计方法 、 能力谱方法与直 接位移设计方法。 其 中按 照 延性 系数 的 设计 方法 ， 本 质上 还是 根 据建 筑 构 件 的位 移延 性 系 数， 或者截面的曲率延性系数的塑性混凝土极限压应变关系。根据约束箍筋

构 抗震 安全 的要求 。
水平 ２ 水平 ３
顶点位移 限制
＜．％ Ｏ２ ＜．％ ０ ５ ＜．％ １ ５
水平 ４
结构发 牛严重的无法修复的破坏 ，
但 没 有 倒塌
＜ ．％ ２ ５ Βιβλιοθήκη １ 抗震性能 目标 ． ３
结构 的 性 能 目标是 指 相应 于 一 定超 越 概 率 的地 震
—
—
７ — ４ —
广东建材 ２１ 年第 ９ ００ 期
震 设计 的前提 和 基础 。结 构性 能 目标 取 得过 高 ， 然可 虽
建筑设计与装饰
（） 性系 数法 。 性 系数 法 的实质 是通 过建 立构件 ３ 延 延
以保证 结构 有较 高 的安全 性 ，但 是会 大 大增 加 投入 ； 性 的位 移 延 性 系 数或 截 面 曲率 延性 系数 与 塑 性铰 混 凝
该达 到相 应 的性 能水准 ［。 ３ ］
证 生命 安全 ， 时也 要控 制 结 构 的破 坏 程度 ， 经 济 损 同 使 失 控制在 …定 范 围内 。 因此 ， 针对 不 同的抗 震设 防水准 ，
１ 于性能的抗震设计的主要 内容 基
结 构应该 具有 明确 的性 能水平 。 而性 能水平 的确 定涉及 基于 性能 的结构抗 震 设计包 括确 定抗 震设 防水 准 、 到 结构 构件 、 非结 构 构件 、 内部设 施及 场 地用 途 等 多种 明确 划 分抗 震 性 能水 平 和抗 震 性 能 目标等 三 个方 面 的 因 素 ， 综 合 考虑 给 定破 坏 状态 所 引 起 的安 全 、 济和 应 经
设 防环 境和 已定 的设 防 目标 ， 并考 虑具 体 的社会 经济 条 １ ． 陛能水平 件 来确 定采 用 多大 的设 防 参 数 ， 或者 说 ， 选择 烈 度 多 水 平 １ 应 大 的地 震作 为防御 的对象 。抗 震 设防水准 是衡 量结 构 ］ 抗 震 能力高低 的综 合尺度 ，既取决 于地 震强 弱 的不 同， 又取决 于结构 使用 功能 的不 同。 根据 实 际情 况提 出适 当 的抗震 设 防水 准 ， 既能合 理 使 用建 设投 资 ， 能满 足 结 又

以层间位移角验算的设计，这种设计方法都假定结
构处于线性状态，这与实际的非弹性状态下考虑时
间历程的分析结果不相一致。基于承载力的抗震设
计不能预估结构屈服后的变形能力及在大震时的实
际行为.
16
三水准抗震设防思想规定比较模糊
“大震不倒，中震可修，小震不坏”的三水 准抗震设防思想规定比较模糊，在实际设计中很难 控制.
失大于100亿美元
7
地震灾害呈现的新特点
随着经济全球化和网络经济的发展，一时一地的严 重自然灾害会引起全球经济的震荡.
智能化程度越高、技术密集性越高，系统所在的结 构物遭受破坏后，其灾难性后果就越严重.
“三水准，两阶段”的抗震设防思想以保障生命安 全为主要设防目标，而如今的建筑物往往建造费用 高昂，装修、非结构构件和技术装备的损坏所造成 的损失经常令业主难以承受.
地点 土耳其，艾耳津坎 印度，凯拉里 美国，北岭 日本，神户 俄罗斯，萨哈林 中国，丽江 中国，伽师 中国，包头 伊朗，伽恩－伊尔 兼得 中国，张北 土尔其，伊兹米特 中国台湾，集集
震级 6.8 6.2 6.7 7.2 7.6 7.0 6.9 6.4 7.1
6.2 7.4 7.3
死亡人数 800 10000 57 5438 2965 309
应允许比本地区抗震设防烈度的 要求适当降低，但抗震设防烈度15 为6度时不应降低
现行设计方法存在的不足
设计目标为保证生命安全
具体实施的抗震设计方法的实质仍主要是采用
基于强度(或承载力)的设计方法，难以对建筑物进 行经济性评估.
线性状态的假定不符合实际
现行的建筑结构抗震设计方法是基于承载力辅
建筑物与构筑物的破坏
房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变 形等；

１概 述
想。
地震灾害是一种常见并且 多发的 自然灾害现象 ， 它是人类 面临 基于性能 的抗震设计 的主要特点 ： 使抗震设 计从宏观定 性 的 目 的主要灾 害之一 。地震 的发生具 有随机性和偶然性 的特 点 ， 其发生 标 向具 体量化的多重 目标 过渡 ， 抗震设计 由以保 障人 员生命安全 将 的时 间和空 间、 强度和持续 的时 间等均不 确定 。随着大量 的震 害分 为基本 目标 转化 为不 同风险水平地震作用下 满足不 同的性 能 目标 ， 析和工程抗震理论及实践经验 的积累 ， 人们对 工程抗震的认识不 断 从 而通 过多 目标 、 多层次 的抗震 安全设计来最大 限度保 障人员生命 深入 ， 并且 基于 目前 的抗 震设计思 想采取 了相应的抗震 措施 ， 在正 安 全和实现 “ 效益 一投资 ” 的优化 平衡 以及满 足对结构 “ 性” 个 的要 常设计 的情况 下能够做 到在一定程度上 保障结构 在遭遇 高于预期 求 。 基于性能的抗 震设 计是在总结传统抗震设计思想 的基础上延伸 地震 的情况下不至于瞬 间倒塌 ， 其抗震设 防的 目标 尚局限在基本保 和发展 。 传统的三水准抗震设计思想也具有基于性能 的抗震设计思 障人员安 全 的水 准 内， 其破坏没 有得到有效 的控制 ， 但 震后 的人员 想 的因素 ， 只不过其是初级 的、 目标不 明确而 已。 目前 ， 世界许多 国 和财产损失是 巨大 的， 往往超过 了社会所 能承受的范 围。由于地震 家都对基 于 胜能的抗 震设计 进行广泛而细致 的研 究 ， 以期将其尽快 和地面运动有很大 的不确定性 ， 结构在其有效 使用期限 内可能遭遇 的 应 用 到 新 的 抗 震 规 范 中 去 。 我 国在 ２ １ ０ ０版 的 抗 震 设 计 规 范 和 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 ２ １ ０ ０版高层建筑混凝 土结构技术规程 中将关 于 陛能设计 的最新研 震， 如何确定 符合经 济社 会发展 的抗震设 防 目标 、 并采取行 之有效 究 成果 写入 ， 就体现 了这一新 的思想 。 抗震设计方法保证设 防 目标 的实 现 ， 进而有效 的控制地震灾害发生 ３基 于 性 能 的 抗 震 设 计 理 论 框 架 的范 围和程度 ， 地震 学界和工程抗 震界亟需解决的问题。 是 基 于性能 的抗震设计涉及 地震工程 、 岩土工程 、 结构 工程 、 建筑 目前 国内外工程界 ， 结构抗震设 计实践 中 ， 以本 区域 内预 学 和社会经 济等诸 多学科 ， 在 多 是开放 的 、 多学科交叉 的体系 ， 于性能 基 期地震作为结构弹性 阶段承载力 和变 形验算依据 ， 在特殊情况下采 设计 的挑 战在 于确定各领域 的关键 技术并开展研 究 ， 在探 索研究 中 用结构非线性反应分析进行变形验算 ， 以保证 结构在遭遇高于预期 使性能设计更加接 近实际的工 程应 用和实践 。一 般来 讲 ， 于性能 基 地震下不至于倒塌危及生命安全 。 这是 以生命安全为单一 目标 的设 的抗震设计 主要包括地震设 防水准 的确定 、 结构性能 目标 和性能水 防水准 。 这种设计方法较 为简单 ， 设计结果造价低廉经济 。 国现行 准 、 我 结构反应性能参数 的确定 、 及结 构分 析设计 的方法等内容 。 抗震设计规范 的主要指导思想和工程设计 实践 中也是采用 “ 小震不 ３１地 震 设 防水 准 的确 定 ． 坏， 中震 可修 和大震不倒” 的三水准抗震设 防准则 。 与之对应 的采用 地 震设 防水准是 指未来可 能作用 于场地进 而施 加在 建筑结 构 二阶段抗震设计方法来实现三水准 的抗震 设防要求 的 ： 第一 阶段进 上 的地震作用 的大小 ， 也称地震风 险 『 生水平。地震设 防水 准是抗震 行强度验 算 ， 即取第一水 准烈度 的地震动 （ 小震 ） 参数 ， 采用 弹性反 设计 的基本 问题 ， 地震设防水准直接关 系到结构 的抗震 能力 。对于 应谱计算 结构 的弹性地震作 用及效应 ，并 与其它 荷载效应 进行组 基 于性能 的抗震 设计 ， 为实现 多级抗震设 防水准 ， 控制 不 同地 震作 合， 对结构进 行抗震 承载力和 弹性 变形验算 ， 以满 足必要 的强度 和 用下结构 的破坏状态 ， 就需要细化地震设 防水准 。根据不 同的重现 变形要求 ； 二阶段进行 弹塑性验算 ， 仅局 限于 特别重要 的建筑 期确定可能发生 的不 同水 准或等级的地震动参数 ， 第 但 包括地震 加速度 和地震时易倒塌 的结构 ， 第三水准烈度 的地震 动（ 按 罕遇地震 ） 参数 时程 曲线 、 加速度反应 谱 、 峰值加速度 、 震动 的速度 、 地 位移 和频 率 进行薄 弱层 的弹塑性变形验算 ， 采取相应 的构造措施 以满足 “ 并 大 等 。 我们 国家抗震设计依据 的是 小震 、 中震 、 大震 三级设 防水准 ，从 震不倒” 的设 防要 求 。 超 越概率角度 描述这三级水 准并 以不 同烈度来 相对应 ，基 于烈度 传统 的结 构抗震思 想和手段 ， 有其 明显 的局 限性 ， 可靠水准 （ 其 在设计时转化为地震动加速度） 来设 防。 国内外 的研究成果来看 ， 从 不能与现代社会发展 的需求相适应 。在此背景下 ， 基于性能 的抗震 地震 动 的速度 、 位移 、 持续 时间和频率 等对结构 的安全 性也有很 大 设计被提 出和广泛研究 ， 被认 为是未来房屋 建筑抗震设计 的主要 的影 响， 并 为实现基于 眭能的抗震设计， 以上参 数对结构性 能的影响有 发 展 方 向和 建 筑 抗 震 设 计 规 范 的主 要 指 导 思 想 。 结 构 采 用 多 级 性 待进一 步研究 。 对 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 ３ 结 构 性 能 目标 和 性 能 水 准 的确 定 ． ２ 论意义和实用价值 。 结构 性能 目标 ， 是指针对某一个地震设 防等级 而期望结构 达到 ２基于性能 的抗震设计理论研 究发展概述 的结构性能水准 。性 能 目标 的选择非常重要 ， 它为整个设计 和建造 基于性 能的抗震设 计理 论 （ｅｆ ｍａｃ— ａｅ ｅｓ ｃ Ｄ ｓ ｎ 过程设定 了必须遵守 的准则 。 构抗震性 能水 准是指结构在某一特 Ｐ ｒ ｒ ｎｅ ｂ ｓｄ Ｓ ｉ ｅｉ ） ｏ ｍｉ ｇ 结 是 ２ ０世纪 ９ ０年代 由美 国科学家 和工 程师首先提 出的 ， 最早应用 于 定设 防地震等级下预期破坏 的最大程度 。各 国学 者 ， 于性 能设计 基 桥 梁抗震设计 中。 １９ 年 ， 国加州工程 师协会 Ｖ ｓ ｎ ２ ０ ９５ 美 ｉ ｏ ０ ０委员 的思想 提出了不 同的性 能 目标 划分和水准划分 ， ｉ 较传统抗震 目标均 会 提出了发展能够满足多种结构性 能 目标 的、 指导结构抗震性能 的 有 明显 的细分 ， 具有更强 的适应性 和可操作性 。我 国高层 建筑混凝 框架 ；９ ６年 ， 国联邦紧急救援署 （ Ｅ Ａ） 出既有建筑评定 、 土设计规程 中对结构抗震性能 目标 和水准做 出了明确 的规定 ， １９ 美 ＦＭ 提 加 抗震 固 中使用 多重性能 目标 的建议 ， 在 １９ 并 ９ ８年 和 ２ ０ ０ ０年 ， 又发布关 性 能 目标 综合 考虑抗震 设 防类别 、 防烈 度 、 设 场地 条件 、 结构 特殊 于基于 ｌ 生能的抗震设计文件 。自基 于结 构． 的抗震设计理论提 出 性 、 陛能 建造费用 、 震后损失 和修 复的难易程度等 因素 ， 划分 为四级性能 以来 ， 建立 以结构 功能评价 为理论基础 的结构设计 体系是近几年美 目标分为和 五级性能水准 ， 比传统 的“ 相 小震不 坏 、 中震可 修 、 大震 国 、 本 和新 西兰等国家的研究课题 。基 于性 能的抗震设计 出的结 不倒 ”进行 了具体 明确 的量化 ， １ ３ ， 体现 了基于 陛能抗震设计思想 。 构 在未来 的地震灾害下能够维持所预期 的性 能水平 ， 资 一效益准 投 ３ ． ３结构反应性能参数的确定 则 和建筑 结构 目标 性能 的个 性化是基 于性 能 的抗震 设计 的重要思 如何 建立对于不 同性能 目标 的结构地震反应 性能 的评 价标准 ，