基于韧性目标的结构抗震设计方法

随着我国城市化进程的持续推进，韧性的理念已广泛应用于城市抗震防灾领域，用于表征城市系统面对地震灾害时维持或迅速恢复其原有功能的能力。建筑作为城市功能的重要载体，开展建筑抗震韧性设计对于保障社会正常运行具有重要现实意义。

我国建筑抗震设计由经验抗震、规范抗震逐步向性能化和韧性化发展，GB/T 38591-2020《建筑抗震韧性评价标准》(简称为“《韧性标准》”)的颁布，进一步推动抗震设防理念由结构安全向震后功能可恢复升级，如图1所示。然而，现行设计方法仍以保障生命安全、防止结构倒塌为核心目标。历次震害表明，严格按照规范设计的结构虽能满足“大震不倒”的要求，但强震后结构构件和非结构构件可能破坏严重，导致建筑修复困难、功能长时间中断，甚至因修复成本过高或修复时间过长而被迫拆除。因此，如何在设计阶段直接以韧性目标为导向，仍是当前实现建筑抗震韧性亟待解决的关键问题。

为此，本研究针对《韧性标准》中以修复费用、修复时间和人员伤亡为指标构建的分级抗震韧性评价体系，以建筑抗震韧性为设计目标，通过构建韧性评价指标与工程需求参数之间的量化关系，将韧性目标转化为可直接用于抗震设计的参数，提出基于韧性目标的结构抗震设计方法。

2.1 设计基本思路

抗震韧性评价是对建筑韧性水平的定量描述，而基于韧性目标的结构抗震设计可视为抗震韧性评价的“逆过程”。如图2所示，该方法的核心是将抗震韧性评价指标(resilience assessment index, RAI)转化为设计人员熟悉的工程需求参数(engineering demand parameter, EDP)，进而建立韧性目标与抗震设计参数之间的映射关系，实现直接以韧性目标为导向的结构抗震设计。

2.2 韧性评价指标和工程需求参数量化关系

实现抗震韧性评价指标向工程需求参数转换的关键在于建立二者之间的量化关系。量化关系的构建流程如图3所示，首先，在结构初步设计阶段，可依据建筑功能和业主需求，获取结构形式、房间功能及构件种类、数量和空间分布等信息，并按照工程需求参数类型将构件分为位移敏感型结构构件(S-PSD)、位移敏感型非结构构件(NS-PSD)和加速度敏感型非结构构件(NS-PFA)。随后，选取合适的EDP指标(如层间位移角θ和楼面加速度α)，建立工程需求参数矩阵P=[0, P1, …, Pj, …, Pn]。在各Pj水平下，基于构件易损性数据开展蒙特卡洛模拟，确定构件损伤状态并计算相应的损失指标L。最后，依据《韧性标准》汇总各构件组损失并计算韧性评价指标R，采用Weibull模型拟合，建立各构件组的R-P关系。

2.3 结构抗震设计需求

在设定的韧性目标下，结构抗震设计需求可根据R-P关系确定，如图4所示。首先，依据建筑修复费用指标限值，假定各构件组在不同地震水准下的修复费用占比与其极限状态下的占比相同，据此将总修复费用限值分配至各构件组。随后，结合各构件组的R-P关系，初步确定层间位移角和楼面加速度限值，并验算修复时间和人员伤亡指标是否满足要求；若任一指标不满足要求，则提高修复费用指标的控制标准，重新确定设计需求，直至满足目标韧性要求。同时，设计需求还应保证结构在多遇地震作用下的功能正常使用和罕遇地震作用下的抗震安全。多遇地震作用下，以结构保持弹性和建筑无损失为控制条件确定设计需求；罕遇地震作用下，设计需求由抗倒塌限值和韧性目标共同确定。

2.4 结构合理设计区间

在确定结构在多遇、设防和罕遇地震作用下的层间位移角θ和楼面加速度α设计需求后，基于等效单自由度体系，将θ和α分别转换为谱位移Sd和谱加速度Sa，并进一步在需求谱中标注各地震水准下的设计需求，确定相应的设计区间。多遇地震作用下，结构保持弹性，其设计区间由坐标原点、位移和加速度需求对应点及弹性设计谱确定。设防和罕遇地震作用下，结构进入弹塑性阶段，结合结构屈服位移角和目标位移延性对弹性谱进行折减，形成非弹性设计谱并确定相应设计区间。最后，取三水准设计区间共同满足的范围，确定设计谱加速度的合理取值区间，进一步换算得到结构设计基底剪力Vy，如图5所示。

基于韧性目标的结构抗震设计流程，如图6所示，主要包括4个步骤：1)确定建筑的抗震韧性目标；2)构建韧性评价指标与工程需求参数(R-P)之间的量化关系；3)综合考虑建筑抗震韧性目标、多遇地震作用下功能正常使用和罕遇地震作用下的抗震安全，确定结构的合理设计区间；4)根据结构设计基底剪力和目标位移，对结构进行损伤控制设计。

为验证基于韧性目标的抗震设计方法的可行性，以15层屈曲约束支撑-钢筋混凝土框架(BRB-RCF)和BRB-韧性全装配式混凝土框架(BRB-RPCF)结构为设计算例开展分析。结构模型如图7所示，BRB-RPCF采用震损可控的全装配式韧性梁柱及柱脚连接，其中：梁端顶部通过机械铰与柱连接，底部设置微型屈曲约束支撑(MBRB)；柱脚塑性铰区由钢管约束混凝土柱和MBRB组成，钢管约束混凝土柱中部断开并设置抗剪球铰。两结构的抗震韧性目标均为一星，抗震设防烈度为8度(0.2g)。根据办公楼的建筑功能需求，统计非结构构件参数，并按照《韧性标准》确定构件工程需求参数。

BRB-RCF结构和BRB-RPCF结构在22条地震动下的最大层间位移角θmax和最大楼面加速度αmax响应如图8所示。多遇地震作用下，结构的θmax和αmax平均分别小于1/550和0.18g，保证了结构的功能正常使用。设防地震作用下，结构响应均小于韧性目标下的设计限值。罕遇地震作用下，两个结构的θmax平均值均小于1.5%，最大残余层间位移角平均值均小于0.5%，分别表明结构具有较好的抗倒塌安全储备和可修复性。在此基础上，进一步开展抗震韧性评价。

基于《韧性标准》的评价方法，表1中给出了建筑抗震韧性评价结果。BRB-RCF和BRB-RPCF结构在设防地震作用下均满足修复费用、修复时间与人员伤亡三项指标限值要求，两结构均评定为一星韧性等级，达到了预期的抗震韧性设计目标，验证了所提设计方法的合理性与有效性。

1）以建筑抗震韧性等级为设计目标，构建韧性评价指标和工程需求参数之间的量化关系，可实现韧性目标向抗震设计需求的转换。

2）在综合考虑建筑韧性目标、多遇地震作用下功能正常使用和罕遇地震作用下抗震安全的基础上，提出了结构合理设计区间的确定方法，并结合损伤控制设计，构建了基于韧性目标的结构抗震设计方法。

3）以两幢15层BRB-框架结构为算例，给出了基于韧性目标的结构抗震设计方法的完整流程。分析结果表明，按照所提方法设计的结构均可达到预期韧性目标，验证了该方法的合理性和有效性。

4）所提方法主要适用于单向地震作用下的建筑抗震韧性设计，未来可进一步建立双向地震作用下三维建筑结构的韧性设计方法，为建筑结构抗震韧性设计提供系统的理论和方法支撑。