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1建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展過(guò)程

抗震設(shè)計(jì)思想大體經(jīng)歷了靜力理論分析階段、反應(yīng)譜理論階段以及動(dòng)力理論階段，三個(gè)階段的發(fā)展并沒(méi)有嚴(yán)格的分界點(diǎn)，而是相互聯(lián)系、相互滲透的。靜力理論階段中應(yīng)用的是基于承載力的抗震設(shè)計(jì)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(diǎn)的加速度都等于地震加速度。這種理論沒(méi)有考慮到結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，設(shè)計(jì)方法比較粗略。

到了1943年，美國(guó)的Biot教授提出了彈性反應(yīng)譜的概念，反應(yīng)譜是指按地震波作用在單質(zhì)點(diǎn)體系上時(shí)，求得的位移、速度或加速度等反應(yīng)的最大值與單質(zhì)點(diǎn)體系自振周期間的關(guān)系。反應(yīng)譜理論考慮了自振周期、振型和阻尼等動(dòng)力特性以及共振效應(yīng)，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(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)地震作用取值的基礎(chǔ)。動(dòng)力法把地震作為一個(gè)時(shí)間過(guò)程，將建筑物簡(jiǎn)化為多自由度體系，選擇能反映地震和場(chǎng)地環(huán)境以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)要求的地震加速度時(shí)程作為地震動(dòng)輸人，計(jì)算出每一時(shí)刻建筑物的地震反應(yīng)。鑒于其優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)抗震規(guī)范[lj規(guī)定在計(jì)算結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下的彈塑性變形時(shí)可采用此方法。

新的抗震理論是基于對(duì)現(xiàn)有地震資料的總結(jié)的基礎(chǔ)上提出的。1989年美國(guó)發(fā)生的I碑omaPrieta地震和臺(tái)灣的集集地震等給人類帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)災(zāi)難。這促使理論界和工程界對(duì)現(xiàn)行理論進(jìn)行了反思。上世紀(jì)90年代初，由美國(guó)學(xué)者閉率先提出了基于位移的抗震設(shè)計(jì)理論，這種理論最早應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì)中，并取得了一定的成果。此后，美國(guó)加州工程師協(xié)會(huì)等機(jī)構(gòu)以報(bào)告的形式提出了PBSI)的設(shè)計(jì)思想和相關(guān)的建議。我國(guó)學(xué)者對(duì)基于功能的設(shè)計(jì)理論也進(jìn)行了深人研究。同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)等院校的學(xué)者取得了一定的成績(jī)[5，們，為PBSD的推廣和發(fā)展作出了重要的貢獻(xiàn)。

2PBSD的特點(diǎn)

目前，世界各國(guó)主要采用兩水準(zhǔn)或是三水準(zhǔn)設(shè)防的設(shè)計(jì)思想，不同的是各國(guó)在對(duì)結(jié)構(gòu)彈塑性的考慮上根據(jù)各國(guó)的實(shí)際情況對(duì)彈性反應(yīng)譜的折減有所不同。

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

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

3.1地震設(shè)防水準(zhǔn)

地震設(shè)防水準(zhǔn)是指工程設(shè)計(jì)中如何根據(jù)客觀的設(shè)防環(huán)境和已定的設(shè)防目標(biāo)，并考慮具體的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件來(lái)確定采用多大的設(shè)防參數(shù)。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范采用“三水準(zhǔn)”的地震設(shè)防水準(zhǔn)。它的問(wèn)題在于雖然考慮了基于性能理論中的多級(jí)設(shè)防水準(zhǔn)，但是由于第一和第二水準(zhǔn)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(jì)就變得不經(jīng)濟(jì)或者是不安全。美國(guó)加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(huì)的放眼二十一世紀(jì)委員會(huì)建議采用新的地震設(shè)防水準(zhǔn)[2〕。

3.2結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)是指結(jié)構(gòu)在特定的某一級(jí)地震設(shè)防水準(zhǔn)下預(yù)期損傷的最大程度。2004年，我國(guó)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者在積累總結(jié)以往世界各國(guó)的大震經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參考了相關(guān)外國(guó)文獻(xiàn)，結(jié)合本國(guó)的實(shí)際情況，編寫(xiě)了《建筑工程抗震設(shè)計(jì)性態(tài)通則(試用)廣〕?！锻▌t》對(duì)結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)提出了新的建議，這表明我國(guó)在考慮結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)上從原來(lái)的定性考慮逐漸向定量考慮過(guò)渡，其發(fā)展的方向?qū)⒅饾u與國(guó)際接軌。但是，該《通則》所建議采用的結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)仍然沒(méi)有對(duì)結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的具體力學(xué)指標(biāo)以及具體設(shè)備的運(yùn)行情況給出明確的說(shuō)明，只給出了一般性的建議。按照美國(guó)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(gè)性能水準(zhǔn):水準(zhǔn)1基本完好:無(wú)永久側(cè)移;結(jié)構(gòu)基本保持原有強(qiáng)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(zhǔn)2，輕微破壞:無(wú)永久側(cè)移;結(jié)構(gòu)基本保持原有強(qiáng)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(dòng)，防火措施得力。水準(zhǔn)3，生命安全:所有樓層都有殘留強(qiáng)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(fù)費(fèi)用可能很高。水準(zhǔn)4，不倒塌:幾乎沒(méi)有殘留剛度和強(qiáng)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(gè)性能水準(zhǔn)都對(duì)應(yīng)了具體的控制指標(biāo)，如:結(jié)構(gòu)的側(cè)移、剛度、強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷情況，設(shè)備的運(yùn)行情況[4J。

3.3結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)是針對(duì)某一級(jí)地震設(shè)防水準(zhǔn)而期望建筑物能夠達(dá)到的性能水準(zhǔn)或等級(jí)。性能目標(biāo)的建立需要綜合考慮人員居住情況、場(chǎng)地效應(yīng)、結(jié)構(gòu)功能與重要性、投資與效益、震后損失與恢復(fù)重建、潛在的歷史或文化價(jià)值、社會(huì)效益，社會(huì)公眾的反應(yīng)以及業(yè)主的承受能力。它是抗震設(shè)防水準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的綜合反應(yīng)。加州工程師協(xié)會(huì)的VisionZo00報(bào)告建議將結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)劃分為3個(gè)等級(jí)(基本目標(biāo)、重要目標(biāo)、最高目標(biāo))[2〕。

3.4基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法自提出以來(lái)，在國(guó)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(jì)思想合理并且簡(jiǎn)單有效地應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中，目前尚無(wú)統(tǒng)一方法和標(biāo)準(zhǔn)。目前，基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法主要有承載力設(shè)計(jì)方法、基于位移的抗展設(shè)計(jì)方法、能量設(shè)計(jì)法。

當(dāng)前，基于承載力的設(shè)計(jì)方法被世界各國(guó)規(guī)范所采用。以我國(guó)為例，它的設(shè)計(jì)思想是:第一階段:對(duì)于一般結(jié)構(gòu)在中、小地震作用下采用彈性計(jì)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(yīng)譜法計(jì)算地展力，并與其他荷載通過(guò)分項(xiàng)系數(shù)法進(jìn)行組合，計(jì)算截面的承載力和構(gòu)件的配筋，對(duì)于較高的建筑物還要控制其側(cè)向變形。第二階段:對(duì)于有特殊要求的結(jié)構(gòu)采用彈塑性計(jì)算方法?？筛鶕?jù)結(jié)構(gòu)的具體情況采用簡(jiǎn)化的計(jì)算方法、靜力彈塑性分析法或者是彈塑性時(shí)程分析方法，驗(yàn)算其基本烈度相對(duì)應(yīng)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(jī)構(gòu)由于薄弱部位產(chǎn)生的彈塑性變形，導(dǎo)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(jì)方法是基于性能設(shè)計(jì)理論推薦的配套設(shè)計(jì)方法。它以位移為設(shè)計(jì)起點(diǎn)，以層間位移或者其他變形作為抗震設(shè)計(jì)的控制因素，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的截面設(shè)計(jì)和配筋，這與傳統(tǒng)的基于承載力的設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)順序和控制因素的選取上有很大的區(qū)別，這也說(shuō)明了該方法的出發(fā)點(diǎn)更接近于地震作用下結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。能量法最初是由Housner于上世紀(jì)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(diǎn)在于能夠直接估計(jì)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(jì)算方法等方面沒(méi)有一個(gè)確定的、合理的標(biāo)準(zhǔn)，所以這種方法還有待深人的研究。

4結(jié)束語(yǔ)

PBSD的出現(xiàn)是世界抗展史上一個(gè)新的里程碑，它真正達(dá)到了多級(jí)設(shè)防目標(biāo)并考慮了具體量化的設(shè)防水準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)方法更加貼近于結(jié)構(gòu)在地震作用下的真實(shí)表現(xiàn)，可以滿足社會(huì)、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(jì)理念。當(dāng)前，各國(guó)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)PBSD的研究都沒(méi)有完全脫離現(xiàn)有規(guī)范而單純做PBSD的研究，這是因?yàn)?

(1)現(xiàn)有理論本身考慮了基于性能的設(shè)計(jì)。

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

(3)PBSD在計(jì)算模型的選取、地震力的輸人、計(jì)算方法等方面有待完善，還要走很長(zhǎng)的一段路。同時(shí)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(shuō)，當(dāng)前的理論研究正處于新老理論的融合、過(guò)渡時(shí)期。不過(guò)可以預(yù)見(jiàn)，PBSD作為當(dāng)今抗震設(shè)計(jì)理論研究的前沿，代表了世界未來(lái)抗震設(shè)計(jì)的主要方向，必會(huì)對(duì)人類的安居樂(lè)業(yè)做出更加重要的貢獻(xiàn)。