基于结构性能的抗震设计理论与方法基于结构性能的抗震设计理论与方法1.1 问题的提出问题的提出1.1.1 现行规范的抗震设计方法现行规范的抗震设计方法基本原理基本原理：基于力的设计方法：基于力的设计方法存在问题存在问题 设防目标单一：主要是保证结构安全设防目标单一：主要是保证结构安全 不能有效地控制地震造成的损失不能有效地控制地震造成的损失1999 年年 土耳其土耳其 Izmit M7.4 死死 1.5 亡万余人，伤亡万余人，伤 2 万余人万余人1989 年年 美国美国 Loma Prieta M7.1 伤亡数百人，经济损失为伤亡数百人，经济损失为 150亿美元亿美元1994 年年 美国美国 Northridge M6.7 伤亡伤亡 57 人，经济损失为人，经济损失为 170亿亿美元美元1995 年年 日本阪神日本阪神 M7.1 死亡死亡 5500 多人，经济损失达多人，经济损失达到创纪录的到创纪录的 1000 亿美元亿美元，震，震后的基本恢复重建工作花费后的基本恢复重建工作花费2 年，耗资近年，耗资近 1000 亿美元；亿美元；1999 年年 我国台湾集镇我国台湾集镇 M7.3 死亡死亡 2405 人，伤人，伤 11306 人，人，经济损失近经济损失近 100 亿美元亿美元1.1.2 抗震设计新理论抗震设计新理论基本原理基本原理：基于性能的抗震设计理论：基于性能的抗震设计理论(Performance Based Seismic Design) 基于性能的抗震设计理论是基于性能的抗震设计理论是 20 世纪世纪 90 年代初由美国学者提出，年代初由美国学者提出，按此理论设计的结构在未来的地震灾害下按此理论设计的结构在未来的地震灾害下能够维持所要求的性能水能够维持所要求的性能水平平。
发展现状发展现状基于性能的抗震设计作为一种更合理的设计理念，代表了未来基于性能的抗震设计作为一种更合理的设计理念，代表了未来结构抗震设计的发展方向，引起了各国广泛的重视结构抗震设计的发展方向，引起了各国广泛的重视美国美国美国应用技术委员会美国应用技术委员会ATC-33(1992)率先将基于位移的设计思想率先将基于位移的设计思想引入在用结构的抗震加固；引入在用结构的抗震加固；美国联邦紧急管理厅资助的国家地震减灾项目美国联邦紧急管理厅资助的国家地震减灾项目NEHRP提出了在提出了在用结构基于位移的抗震评估及加固方法，于用结构基于位移的抗震评估及加固方法，于1997年出版了年出版了《《房屋抗房屋抗震加固指南震加固指南》》(FEMA273/274)；；ATC-40(1996)和加州结构工程师协会和加州结构工程师协会1995年公布的年公布的SEAOC2000都引入了基于位移的抗震设计方法；都引入了基于位移的抗震设计方法；美国国际规范委员会美国国际规范委员会(ICC)1997年出版的年出版的《《国际建筑规范国际建筑规范2000(草案草案)》》[IBC2000(Draft)]强调了与结构位移设计有关的内容。
强调了与结构位移设计有关的内容2003 年美国年美国ICC ( International Code Council ) 发布了发布了《《建筑建筑物及设施的性能规范物及设施的性能规范》》日本日本1995年开始进行了为期年开始进行了为期3年的年的“建筑结构的新设计框架开发建筑结构的新设计框架开发”研究研究项目，并在研究报告项目，并在研究报告“基于性能的建筑结构设计基于性能的建筑结构设计”中总结了研究成果中总结了研究成果2000年年6月实行了新的基于性能的建筑基准法月实行了新的基于性能的建筑基准法(Building Standard Law)欧洲欧洲1998年欧洲年欧洲CEB出版出版《《钢筋混凝土结构控制弹塑性反应的抗震钢筋混凝土结构控制弹塑性反应的抗震设计：设计概念及规范的新进展设计：设计概念及规范的新进展》》 ，提出了用基于位移的方法评估在，提出了用基于位移的方法评估在用结构的抗震性能和进行抗震加固设计，将构件塑性铰区的曲率转用结构的抗震性能和进行抗震加固设计，将构件塑性铰区的曲率转化为对混凝土极限压应变的要求，以此设计塑性铰区的约束箍筋，化为对混凝土极限压应变的要求，以此设计塑性铰区的约束箍筋，避免纵筋压屈并保证混凝土有能力达到要求的极限压应变。
避免纵筋压屈并保证混凝土有能力达到要求的极限压应变欧洲混凝土协会欧洲混凝土协会(CEB) 于于2003年出版了年出版了“钢筋混凝土建筑结构钢筋混凝土建筑结构基于位移的抗震设计基于位移的抗震设计”报告澳大利亚则在基于性能设计的整体框架以及建筑防火性能设计澳大利亚则在基于性能设计的整体框架以及建筑防火性能设计等方面做了许多研究等方面做了许多研究, 提出了相应的建筑规范提出了相应的建筑规范(BCA 1996)中国中国国家自然科学基金国家自然科学基金“八五八五”重大项目重大项目“城市与工程减灾基础研究城市与工程减灾基础研究”的有关专题就开始涉及到这方面的研究的有关专题就开始涉及到这方面的研究国家自然科学基金国家自然科学基金“九五九五”重大项目重大项目“大型复杂结构体系的关键科大型复杂结构体系的关键科学问题和设计理论学问题和设计理论”的一些专题包含了这方面的部分内容的一些专题包含了这方面的部分内容中国建筑科学研究院工程抗震研究所联合国内部分高校和研究中国建筑科学研究院工程抗震研究所联合国内部分高校和研究所开展了所开展了“我国我国2000年工程抗震设计模式规范年工程抗震设计模式规范”的研究，并于的研究，并于2000年年《《建筑结构学报建筑结构学报》》第一期介绍了这方面的研究成果。
第一期介绍了这方面的研究成果中国工程建设标准化中国工程建设标准化协会标准协会标准《《建筑工程抗震性态设计通则建筑工程抗震性态设计通则》》（（CECS160：：2004））目前正在修订的目前正在修订的国家标准国家标准《《建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范》》 、、 《《混凝土结构混凝土结构设计规范设计规范》》拟纳入基于性能的抗震设计方法拟纳入基于性能的抗震设计方法 1.21.2基本概念和理论框架基本概念和理论框架1.2.11.2.1 基本概念基本概念根据地震作用的不确定性（发生时间、强度和持时等）以及结根据地震作用的不确定性（发生时间、强度和持时等）以及结构抗力的不确定性，构抗力的不确定性，对不同风险水平的地震作用对不同风险水平的地震作用，使结构满足，使结构满足不同不同的功能要求的功能要求1.2.21.2.2 理论框架理论框架1 1．地震风险水平．地震风险水平( (Hazard Level) ) - -地震设防水准地震设防水准 未来可能作用于场地的地震作用的大小或者说，应选择多大未来可能作用于场地的地震作用的大小或者说，应选择多大强度的地震作为防御的对象强度的地震作为防御的对象中国抗震设计规范中国抗震设计规范 GB50011-2001————三水准设防三水准设防 中国地震风险水平中国地震风险水平地震作用地震作用 水平水平50 年超越概年超越概 率率重现期（年）重现期（年）小震小震63.2%50 中震中震10%475大震大震2~3%2495~1642美国有关部门的研究报告美国有关部门的研究报告 FEMA 273、、SEAOC Vision 2000 美国地震风险水平美国地震风险水平2．性能水平（．性能水平（Performance Level）） 建筑物在特定的某一地震作用下建筑物在特定的某一地震作用下预期破坏的最大程度预期破坏的最大程度。
我国抗震设计规范我国抗震设计规范 GB50011-2001 小震不坏小震不坏 基本完好基本完好 [θ] =1/550 中震可修中震可修 中等破坏中等破坏 大震不倒大震不倒 严重破坏严重破坏 [θ] =1/50美国美国 SEAOC 关于混凝土框架的关于混凝土框架的性能水平性能水平FEMA 方案方案SEAOC 方案方案地震作用地震作用 水平水平50 年年 超越概率超越概率重现期（年）重现期（年）超越概率超越概率重现期（年）重现期（年）常遇地震常遇地震50%7230年年50%43 偶遇地震偶遇地震20%22550年年 50%72稀遇地震稀遇地震10%47450年年10%474 罕遇地震罕遇地震2%2475100年年10%970性能水平性能水平使用良好使用良好使用无害使用无害人生安全人生安全防止倒塌防止倒塌 震害程度震害程度基本完好基本完好轻微破坏轻微破坏中等破坏中等破坏严重破坏严重破坏 瞬时瞬时 Δ/h<1/500<1/200<1/67<1/40 永久永久 Δ/h——<1/200<1/40性能水平的性能水平的定性描述定性描述以及以及量化指标量化指标 3．性能目标．性能目标(Performance Objective) 建筑物应达到的性能水平。
结构的性能目标是指在一定超越概建筑物应达到的性能水平结构的性能目标是指在一定超越概 率的地震发生时，结构期望的最大破坏程度率的地震发生时，结构期望的最大破坏程度我国抗震规范我国抗震规范的目标性能是：小震不坏、中震可修、大震不倒的目标性能是：小震不坏、中震可修、大震不倒建筑物建筑物性能目标性能目标性能水平性能水平地震风险地震风险 水平水平使用使用 良好良好使用使用 无害无害人身人身 安全安全防止防止 倒塌倒塌 常遇地震常遇地震a ao oo oo o 偶遇地震偶遇地震e eb bo oo o 稀遇地震稀遇地震h hf fc co o 罕遇地震罕遇地震i ig gd d基本基本性能目标：性能目标：a a，，b b，，c c，，d d 重要重要性能目标：性能目标：e e，，f f，，g g 特别特别性能目标：性能目标：h h，，i i 不不 可可 接接 受：受：o o表表 3 FEMA 273 的性能目标的性能目标 性能水平性能水平地震风险地震风险正常使用正常使用立即入住立即入住生命安全生命安全防止倒塌防止倒塌 50%/50 年年abcd 20%/50 年年efgh 10%/50 年年ijkl 2%/50 年年mnopFEMA 273 考虑了三类目标性能：考虑了三类目标性能： 基本安全目标：基本安全目标：k+p 加强目标：加强目标：k+p+(a,e,i,m)或或(b,f,j,n)的任一个，的任一个， 有限目标：有限目标：k,p,c,d,g,h表表 4 SEAOC Vision 2000 的性能目标的性能目标 性能水平性能水平地震风险地震风险 完全正常使完全正常使 用用正常使用正常使用生命安全生命安全接近倒塌接近倒塌50%/30 年年1000 50%/50 年年2100 10%/50 年年3210 10%/100 年年321SEAOC Vision 2000 考虑了三类目标性能：考虑了三类目标性能： 基本目标：基本目标：1 主要主要/风险目标：风险目标：2 安全临界目标：安全临界目标：3 另外，另外，0 表示不可接受的目标。
表示不可接受的目标ATC 40 没有给出一般的性能目标，而很具建筑结构的重要性和没有给出一般的性能目标，而很具建筑结构的重要性和 用途等特点，给除了参考目标性能，如普通建筑的目标性能用途等特点，给除了参考目标性能，如普通建筑的目标性能(结构部结构部 分分)可取表可取表 5 所示表表 5 ATC 40 的性能目标的性能目标 结构类型结构类型 地震风险地震风险新建筑新建筑普通加固普通加固高人口密度高人口密度最少修理最少修理 时间时间 50%/50 年年 10%/50 年年破坏控制破坏控制生命安全生命安全生命安全生命安全立即入住立即入住 5%/50 年年结构稳定结构稳定生命安全生命安全表表 6 日本研究报告的性能目标日本研究报告的性能目标 性能水平性能水平地震风险地震风险正常使用正常使用易修复易修复生命安全生命安全EaA EbAB EcABC EdBC EeC 表表 6 中，。