建筑结构基于性能的抗震设计

建筑结构基于性能

的抗震设计

---基本概念

同济大学

土木工程学院

结构工程与防灾研究所

吕西林（所长、教授）

地震是一种破坏力极强的自然灾害v天然地震包括:

构造地震

火山地震

塌陷地震

v地震造成的灾害分为：

直接灾害

间接灾害

一、直接灾害：

地震灾害主要有：

v

v地面破坏

地面裂缝、塌陷、喷水冒砂等；房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；

山崩、滑坡等；

海底地震引起的巨大海浪冲上海岸，可造成沿海地区的破坏；

虽不常见，但我国海城、唐山等地震均有此例。建筑物与构筑物的破坏山体等自然物的破坏 vv海啸 v地光烧伤

二、次生灾害：

直接灾害发生后，破坏了自然或社会原有的平衡、稳定状态，从而引发出的灾害。次生灾害所造成的伤亡和损失可能直接灾害还大，主要的次生灾害有：

火灾

v水灾起；

v毒气泄漏

v瘟疫v由震后火源失控引起；由水坝决口或山崩拥塞河道等引由建筑物或装置破坏等引起；由震后生存环境的严重破坏而引起。

地震对人类社会的危害主要表现在两个方面：

v

v(1)地震引起建筑物的破坏、倒塌将导致严重的人身伤亡和惨重的财产损失;(2)地震以及地震造成

的水灾、火灾等次生

灾害将破坏人类社会

生存的自然环境，产

生巨大的社会影响。

近年来地震及损失情况统计时间

1992.3.13

1993.9.29

1994.1.17

1995.1.17

1995.5.27

1996.2.23

1996.3.19

1996.5.13

1997.5.10

1998.2.9

1999.8.17

1999.9.21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6.86.26.77.27.67.06.96.47.16.27.47.326156049140002450死亡人数800100005754382965309200亿美元>1000亿美元>10亿美元25亿美元3亿美元27亿美元亿美元9亿美元>100亿美元>100亿美元经济损失8亿美元

近年来震害造成的经济损失近年来的震害说明随着经济的发展、结构设防措施的不断进步，地震造成的人员伤亡显著下降，但造成的经济损失却让社会难以承受：Ø

Ø

Ø

Ø1989年美国Loma Prieta地震1994年美国Northridge地震直接经济损失200亿美元1995年日本阪神地震交通水电中断，导致严重次生灾害，经济财产损失巨大，造成直接经济损失大于1000亿美元1999年我国台湾集集地震生产计算机芯片的工厂

遭受破坏，将会导致全球的计算机价格上涨，直接经济损失大于100亿美元

地震灾害呈现的新特点v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.vv

我国抗震设计理论的发展

v

v

v

v

v我国在1956年编制了第一个中国地震烈度区划图. 1959年提出我国第一个抗震设计规范草案. 1964年提出我国第二个抗震设计规范草案，使用地震系数来计算地震作用，设计方法主要为等效静力法与反应谱法. 1974年出版了我国第一部正式批准的抗震规范1978年根据唐山、海城地震震害经验，对1974版规范进行了修改，正式出版了《工业与民用建筑抗震设计规范TJ11-78》.

v1990年正式实施的建筑科学研究院修订的《建筑抗震设计规范GBJ11-89》采用了以概率可靠度为基础的三水准（小震不坏、中震可修、大震不倒）两阶段（小震下的截面验算和大震下的结构变形验算）的抗震设计思想.

《建筑抗震设计规范GBJ50011-2001》取消了近震、远震的概念，代之以设计地震分组概念；提出了长周期和不同阻尼比的设计反应谱；增加了结构规则性的定义等.v

实际地震灾害表明：恰当的抗震设计能够减轻地震灾害；抗震设计方法需要进一步完善

v台湾9.21地震灾害

底层柱子数量少，间距太大.

建筑物底部为大空间，上下刚度差异过大，形成底部薄弱层.

柱子内埋设管线（水、排水、电、

气、电话）等，虽然节省了空

间，但大大降低了抗震性能.

结构体系差，设计不

合理，底部局部用柱

支承. 柱子的有效承重面积不足，柱

端箍筋不够，造成柱端破坏.

我国现行的结构抗震设计我国现行的结构抗震设计是基于承载力或强度的设计方法：

Ø采用了“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准设防目标和两阶段抗震设计方法.

Ø采用弹性方法计算结构在小震作用下的内力和位移，用计算所得的组合内力验算构件截面.

Ø为了防止非结构构件发生破坏，进行使用阶段的位移验算.

Ø结构的延性和耗能能力大多是通过构造措施获得.Ø对特别重要和地震时容易倒塌的建筑，进行薄弱层弹塑性变形验算和采取相应措施，限制其水平位移.

我国抗震设计规范所采取的地震水准、结构性能水准和性能指标地震水准结构性能水准性能指标

力－位移多遇地震烈度（重一般不受损坏或不需修理

现期50年）可继续使用

抗震设防地震烈度可能损坏，经一般修理或（重现期475年）不需修理仍可继续使用罕遇地震烈度（重不倒塌或发生危及生命的现期1975年）严重破坏不明确位移

我国建筑抗震设防分类和设防标准设防

类别

甲类建筑重大建筑工

程和地震时

可能发生严

重次生灾害

的建筑

地震中使用

功能不能中

断或需要尽

快恢复的建

筑

除甲、乙、

丁以外的一

般建筑

抗震次要建

筑地震作用高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全评价结果确定应符合本地区抗震设防烈度的要求抗震措施抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，抗震设防烈度为9度时，应符合比9度更高的要求抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，抗震设防烈度为9度时，应符合比9度更高的要求应符合本地区抗震设防烈度的要求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

乙类丙类应符合本地区抗震设防烈度的要求应符合本地区抗震设防烈度的要丁类

现行设计方法存在的不足v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.v