3.1 基于性能的结构设计理念
地震给人类社会带来巨大的经济损失,并且可能引起更为严重的次生灾害。20世纪末发生的几次震害显示,决定建筑物在地震下是否安全的主要参数是结构的变形或位移。在此情况下,人们提出基于位移的抗震设计理论,这也促使了性能化结构设计理论的产生和发展。
3.1.1 抗震结构的概率理念决定了“损伤”
地震作用随机性很强,在某一地区某一基准期内,可能发生的最大地震烈度是一个随机变量。在烈度不同时,结构弹性地震作用将成倍变化,因而针对不同烈度的地震作用,都把结构设计成处于弹性状态工作,这对大多数结构来说是不可能的,在经济上也并不合理。按地震发生概率,结合国家经济水平和建筑物重要性,适度进行结构抗震设计是世界各国公认的结构抗震设计准则,并在各国规范中有所体现。
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,即性能目标是地震设防水准与结构性能水准的组合。
3.1.2 基于性能的结构设计理念
基于性能的抗震设计是未来抗震设计的主要措施和方法。按照这种设计思路,设计团队可协同工作确定建筑物及附属结构的性能目标,以便达到业主的预期要求。这一设计理念保证结构在预期的地震作用下,有可预测的抗震性能,且性能目标可以按需选择。基于性能的抗震设计是以现有的抗震科学水平和经济条件为前提的,发挥结构延性变形的能力,使工程结构在预期的地震强度作用下的反应和破坏程度均在设计预期要求的范围内。
基于位移的设计方法是性能设计理论推荐的配套设计方法。它以位移为设计起点,以层间位移或者其他变形作为抗震设计的控制因素,进行结构的截面设计和配筋。这与传统的基于承载力的设计方法在设计顺序和控制因素的选取上有很大的区别,这也说明了该方法的出发点更接近于地震作用下结构的实际运行状态。
基于位移的抗震设计需要确定结构的初始刚度和屈服强度,以限定结构变形来满足设计要求。实际上这一方法依据的是结构割线刚度而不是初始刚度,并采用包括结构固有阻尼以及滞回阻尼在内的等效阻尼。
3.1.3 基于性能的结构设计理念中承载力设计与变形设计的关系
与结构性能有关的三个主要设计参数——强度、刚度和延性,都可以认为是依赖于变形的参数。结构在地震作用下的性能通过结构以及附属结构的破坏程度来衡量,而破坏程度与结构变形密切相关。对于延性结构或延性构件,变形是控制结构破坏程度或性能水平的最有效参数。变形比强度更能体现结构在地震作用下的性能。
承载力(强度)作为单独的指标难以全面描述结构的非线性性能及破坏程度。基于变形的抗震设计方法主要采用位移指标对结构性能进行控制,比传统的基于承载力(强度)的抗震设计方法更加简便和便于掌握。目前各国规范相继引入这一概念,逐渐把注意力转向基于变形设计。