2　基于性能的抗震设计方法

2.1　基于性能的地震工程第一代工具

从20世纪20年代末期发展起来的美国桥梁以及建筑设计规范中，包含了一些传统的抗震设计条文细则。由于这些细则是为了获得某种特定的性能表现，即避免倒塌以及保护生命安全等，它们可以视为基于性能表现设计的雏形。制定建筑规范的工程师们，希望采用这些条文设计的建造物能够做到：（1）大震不倒；（2）保证在大震中人的生命安全；（3）中震可修；（4）小震不坏。对于桥梁构造也有类似的期望。这些规范的缺点在于，对于性能表现和灾害程度的定义比较模糊。实际上，这些规范没有针对实现某一个表现指标而设立明确的性能评估方法。同时，过去多年所记录的小型地震、中级地震和特大地震对建筑物和桥梁的破坏情况，也表明上述四种性能目标均未真正实现。为了真正实现四种性能目标，人们在每场大地震后找出细则中的不足之处，并加以修正。

由于1971年圣费尔南多（San Fernando）地震对一些重要桥梁和建筑造成了巨大破坏，人们从20世纪70年代中期开始，对重要的桥梁和建筑物的抗震性能提出了更高的要求。从那以后，该细则发展缓慢，但仍然有所发展，如添加了少数可直接采用的步骤，从而能够预估某个特定桥梁或建筑物的性能表现或是能够用来调整设计方法来改善结构性能，而不是通过调整影响结构强度的任意重要参数来实现。

1989年洛马普列塔（Loma Prieta）地震和1994年北岭（Northridge）地震造成的巨大经济损失和重要桥梁及建筑物失效促进了基于性能的地震设计规范的发展。在20世纪90年代初期，设计方面的专业人士、学术界成员以及结构工程师和岩土工程师们意识到，那些基于受力的规范错综复杂甚至自相矛盾，与设计者期望的结构性能无直接关系，在实现社会所需的基本保障方面不够可靠，并在有时候实施起来费用昂贵，且在大部分情况下不能实现既定的性能目标，因此需要一个和以前的规范截然不同的新设计方法。

从20世纪90年代早期到中期，来自联邦应急管理局（FEMA）、应用技术委员会（ATC）以及建筑地震安全委员会（BSSC）的资助，促进了NEHRP房屋抗震加固指导指南和注释（FEMA 273/274，应用技术委员会ATC，1997）的改进，这也就是基于性能的建筑地震工程第一代工具。这个成就是基于性能的地震设计规范发展过程中一个重要的里程碑，并且其明确表述了一些对于基于性能规范十分重要的与地震相关的概念。其中一个关键概念是性能目标，这包括所设计建筑物需要抵御的地震危险程度以及设计地震发生时建筑物损害的许可范围的详细说明。NEHRP《房屋抗震加固指导指南》（FEMA 273/274）另外一个重要特点是引入了标准性能水平。它以标准结构反应参数的数值为基础，以此来量化结构物和非结构物的破坏水平，NEHRP指南也规定了总共四种线性和非线性的分析方法，每一种分析方法可以用来估计在所给定级数地震下的预计响应参数值，通过参照性能目标内不同目标性能水平，来评估该建筑的预期性能。图2-1给出了FEMA 273/274规程中所定义的定性的性能水平，其与某一简单建筑物的整体力-位移关系相对应。图中也给出相应的破坏示意图。

图2-1　FEMA 273/274规程给出的表现水平曲线

其他规程规范（如ATC-40、Vision 2000等）进一步发展了FEMA 273/274的研究成果。美国土木工程协会在FEMA 273/274报告的基础上将成果进一步精炼提高，编入房屋抗震加固暂行标准FEMA 356中（联邦应急管理局2000）。现在，由FEMA 356、ATC-40和Vision 2000共同构成了基于性能的建筑结构地震工程发展现状。

Hamburger等（2004）指出了目前以FEMA 273/356为代表的性能设计方法在实际应用中的一些主要的缺陷。这些缺陷包括：

（1）目前预测结构响应和需求的方法基于的是结构的整体响应，而结构性能评估则基于个别部件的破坏，这样往往会导致性能最差的构件控制了整个结构最终性能预期。

（2）目前规程中被工程师们用来评估结构性能是否满足要求的许多判定准则都建立在主观判断基础上，而不是依靠试验数据或者其他的直接证据，这会导致规范可靠性的问题。

（3）许多结构工程师觉得，与采用传统的规范细则的设计方法相比，这个指导条例过于保守。而且，这个指导条例的可靠性以及是否能够获得所期待的性能表现仍旧是个未知数。

（4）FEMA 273/356中阐述的结构性能表现水准没有与主要的风险承担者本身利益挂钩。风险承担者需要承担由地震损坏带来的潜在维修费用和在建筑物修复过程中的时间损失。