第一章
采用基于性能的
地震工程学理论在结构抗震设计中的挑战
作者：Helmut Krawinkler ； Gregory G. Deierlein
摘要：
在过去的二十年里，基于性能的地震工程学（以下简称PBEE）的许多内容已经得以实现。我们在许多方面取得了进展，比如概率性地震危险分析； 通过先进的模型和非线性反应过程分析来评估相关工程所需要的程参数； 量化构件层面（例：屋内装饰、特殊贵重器材）的破坏方式和相关的维修或重建花费； 结构和非结构系统的损失统计。
以上内容是一组关于地震引起的直接经济损失和安全隐患的概率性评估。与之相反，对于量化停工时间、商业中断还有社会瘫痪等因素的成果还相对较少。而这些问题是连接着单个结构的性能和社区、地区乃至国家的恢复力的重要桥梁。研究恢复力的一个关键问题是要看到直接破坏和直接损失在灾后影响、灾后重建中的作用。从社会角度讲，能否增强恢复力是缓解地震永久影响的关键挑战。根据一些相关研究以及最近加利福尼亚州为了创造更多震后恢复力强的社区而采取的一些措施，这篇文章探究了提升PBEE的挑战，以便于提出一些有关恢复力的更细化的问题。
（Helmut Krawinkler）作者在文章出版前去世了
H.Krawinkler·G.G.Deierlein
美国斯坦福大学土木与环境学院布鲁姆地震工程中心
电子邮箱：ggd@stanford.edu
M.Fischinger（主编），《基于性能的地震工程：恢复性社会、岩土工程和地震工程》32
DOI 10.1007/978-94-017-8875-5__1, copy; Springer ScienceCBusiness Media Dordrecht 2014
关键字：基于性能的地震工程学；恢复力；风险；安全问题；损失评估。
1.1 介绍
在过去的20年里，PBEE已经从概念中的学术框架发展成了一系列可行的程序和可靠的技术。就像《SEAOCrsquo;s Vision 2000》（1995年刊）中叙述的那样“PBEE的目的在于为建筑的选址、设计、构造和维护提供具体方法，比如它们可以模拟建筑在地震作用时的性能。”在这里，与传统地震工程学的关键区别就是性能的模拟，这反映出我们需要一种方法来判定结构的理想工况并将其与合理的性能度量相联系。在第一代PBEE例如FEMA 273（1997年版）的实现方式中，量化性能的方式根据的是定性表示“直接居住极限状态”，“生命安全”以及“抗破坏性能”等问题的方法和结构构件变形之间的联系。相反的，在最近的第二代程序《FEMA P-58 建筑抗震性能评估》（2012版）中，最突出的特点就是按照直接经济损失和结构破坏的风险来量化性能。在它的判断的可靠性得到公认之后，仍加入了其他的描述方式，包括建筑停用的风险、修复的时间以及人员伤亡等，
尽管PBEE的主要发展方向始终聚焦在个人建筑和设施的性能上，但从社会的角度来说，最基本最重要的仍是建筑环境的总体性能还有社区的可靠程度。联合国国际减灾战略这样定义了恢复能力：“一个系统、社区或者社会对于可能出现的灾害的适应能力，比如直接抵抗或者通过一定的改变使各项功能还有建筑结构达到或者维持一个可以接受的水平、而这取决于一个社会体系能否通过研究过去发生的灾害来提升防灾能力并降低风险（2004年发布）”这份文件中突出了防灾意识、防灾预案、防护加强、领导能力以及资源配置。PBEE可以支持所有的方面，但是主要支持的是提升意识、加强防护和完善预案。本文论述了PBEE在量化地震风险、更全面地完善预案还有建筑环境规划等方面扮演的角色。从一个宏观的角度来看，一个关键的挑战是将焦点从评估地震造成的直接损失转移到灾后修复和重建的重要因素中。
1.2 PBEE：背景和现状
1.2.1 PBEE的框架
PBEE的高级目标是发展基于科学的简单易行的工程方法和工具，使其具有以下功能：
- 帮助地震高发地区做出经济划算的风险管理决策。
- 促进实现基于性能的设计还有工程学的专业评估
- 提供一种简单的以基于性能的预案的发展为基础的代码编写方式。
- 推动创新型系统（响应设备修改，围绕动态中心运转和自我中心运转的系统等等）的发展和应用。
图片1.1基于性能的处理方式的基础框架
图片1.1中展示的是当代基于性能的处理方式的基础框架。这一框架由太平洋地震工程研究中心研发，后来被应用于FEMA P58（2012版）软件中。这一结构提供了一种运算方法，可以将地震灾害的量化方法与系统的性能度量标准清晰完善地联系起来。虽然这个框架的整体已经建立的很完善了，但是运行的过程还有许多细节需要进一步发展并更加精细化。下面是运行方法中各部分的现状的重点简介：
地震灾害：为了非线性分析方法的应用，地震灾害由输入的地质运动的数据来确定，这一模型的数据可以通过放缩或光谱匹配有记录的地质运动来获得，也可以通过地震模拟来获得。在按照其光谱加速强度来描述地质运动的方法被广泛接受的同时，我们也正在探索整合频率容量、持续时长以及地震灾害作为内部地质运动的其他方面特征的方法。条件光谱的概念解释多个周期内地质运动的相关性，因此它被推荐为比一致危险反映谱更能代表光谱强度的指标（例如,贝克2011;布拉德利2010），与此同时，定位近断层方向性的脉冲、持续时间还有其他影响的研究已经展开（例如Champion 和Liel2012; Chandramohan 等人. 2013; Shahi 和Baker 2011）。为了能有一个关于这个话题的综合性摘要和引导，这篇读物引用了最近的一篇报道，《如何为了演绎历史分析响应而选择和放缩地震地质运动》（NIST 2011）。
结构性分析：非线性动态（响应历史）分析可以说是PBEE最成熟的组件，但是仍有许多挑战需要面对，并且要提高技术的可靠性以便于模拟现实结构从破坏开始到崩溃开始时的响应。具有模拟弹性和适度非线性三维模型能力的商业分析软件将要开始实践。 (Deierlein 等人. 2010)，但是，这些软件在模拟大型非弹性变形的时候是有问题的。甚至在研究过程中，已经开发出了可以捕获崩溃开始时的刚度和强度的模型（例如Ibarraet al. 2005;Haselton 等人. 2010），而建模能力则受限于特定的行为效果和现象参数的校准。此外，模型的精确性决定了对参数的需求，例如局部变形，残余应变和地面加速度等都没有充分确定。相比于PBEE的其他组件的成熟过程，非线性结构分析的限制条件的处理将会变得更加重要。
破坏评估：也许PBEE最独特的新特性是损坏评估模型的规范化，这种模型的破坏区域和需求参数条件是由具有成本和结果两方面特殊阈值决定的。例如，例如，分隔墙的位移限制标准应该对应各种修复内容比如（1）修补和重新粉刷到（2）更换的状态（3）完全更换墙壁及其嵌入物及其电气和机械部件（Taghavi和Miranda 2003）这些修复条件可以与开销、寿命和其他的修复相关内容相联系。而FEMA P-58(2012a)的发展成果生成了许多新的脆弱破坏曲线，可以广泛的应用于结构和非结构组件并且促进破坏评估的实践。尽管如此，为了充分实现PBEE的全部潜力，还需要进一步的工作来验证和扩展损失数据和脆弱性函数库。
性能计算：将破坏转化成适当的性能指标是是PBEE最重要的功能，尽管现阶段它的发展程度最低。性能指标被称为“死亡，美元和停机时间”，意味着人员伤亡，经济损失和功能丧失的风险，但要在对这些情况进行量化的时候，看似直接的衡量指标仍然是一种莫大的诱惑。迄今为止，大部分重点仍然在于计算与修复破损部分相关的直接成本。FEMA P58提供了维修成本的计算服务，有专业的成本估算师针对每一个破坏组件进行评估。FEMA P58 也包括结果计算功能，用于计算伤亡人数、修理时间并建立标志牌（标志安全情况），尽管用了相对较少的数据和硬性科学计法来决定这些结果，但他们的发展仍然很依赖于判断。在后续的扩充过程中，在改进现有的性能模型对于个别设施的效果之外，还应该更多地考虑社区方面的措施。（例如，由大型建筑物组成的城市或城市组成的区域）并把对具体建筑物采取的措施与整个社区进行关联。
1.2.2 标准建筑性能
一些PBEE首批应用的功能应该是评估这些根据现行建筑规范设计的建筑的性能。这些研究旨在提供一个判断新的或已存在的建筑物的性能的基础，并且评估建筑规范条款的有效性。在对应实验中，Haselton等人（2010）和Ramirez等人（2012）评估了在洛杉矶附近地震区域内的一系列现代混凝土框架结构的性能。他们说明了这个范围内的崩溃风险率从50年前的0.4％增长到了到3.6％，以及预计的年度亏损（直接成本）约占建筑重建成本的1％。通过这些数据，个重要的问题变成了这种水平的性能对于独立建筑的拥有者或者整个社会是否是适用或者最佳的（在一个效益至上的环境下）。在一项拓展研究中，Ramirez和Miranda（2012）检测了建筑物重建时的破坏损失。如图1.2所示，他们的结果显示超过一半的预期损失来自不可修复损害（剩余误差超过1.5％），这导致了建筑物的拆除。他们的结果也说明建筑物的倒塌对于现代建筑设计方式的直接损失来说是一种小小的贡献。但是，是否更换建筑物的考虑因素很多，除了替换成本之外，还有崩溃或拆除更换建筑物可能导致占有者流离失所以及功能瘫痪等重要因素。这与非结构性构件受损造成的直接损失形成鲜明对比，非结构性构件在适度的地面运动强度下快速破坏，但可以更快地修复，并且可能在建筑物仍然被占用时修复。
。 图1.2 低增长公大楼的预期损失(Ramirez和Miranda2012)
因此，由于这些维修造成的直接经济损失对间接损失的影响可能要比与主要结构维修或建筑物更换相关的直接损失小得多。
在一项相关的研究中，Liel等人 （2010）以及Liel和Deierlein（2013）研究了非延性混凝土建筑的倒塌安全性和损失，这是20世纪70年代中期开始实施延性细节规定之前建造的建筑物的代表。据报道，非韧性混凝土建筑物的崩塌风险高于现代符合标准的建筑物30-40倍，而直接经济损失（由修理和更换产生）仅为现代建筑的两倍。这些数据有助于确认这是崩溃和伤亡风险，而不是直接经济损失，这是现有非延性混凝土建筑的主要考虑因素。有关解决非延性混凝土建筑物安全性的问题以及应该实施什么样的政府政策或其他措施来应对风险，是混凝土联盟的重点，并且与加利福尼亚州的努力息息相关（http://www.concretecoalition.org/）。
1.2.3 PBEE框架的实现
上述PBEE框架正在影响着美国的导向和标准。下面介绍一下三个标志性的发展成果。
FEMA P58：FEMA P58建筑抗震性能评估（2012a）的开发代表了PBEE的全面实施。FEMA P58程序可以估算以下风险，（1）建筑倒塌和伤亡，（2）修复破坏部分、重建倒塌建筑或拆除报废建筑造成的直接经济损失，（3）决定修理费用的修理时间，（4）建筑物的关闭（根据红色的“危险”地震建筑检验标语牌判定）。FEMA P58将这些效能指标纳入三种分别基于强度，地震情景或时间的评估的方法。基于强度的评估（其中性能是针对特定谱加速度反应谱计算的）是这些方法中最基本的方法，也是其他两个方法的组成部分。基于情景的评估的结果（由地震烈度和震源距离决定）反映了地面运动光谱强度的预期值以及该强度在特定场景中的离散度。基于时间的评估是最全面的方法，考虑到所有影响场地的地震以及他们特定的时间周期。除了评估程序，FEMA P58还提供了一个损坏数据库库和模拟后果功能，用于评估同一建筑系统的损失。一款名叫PACT的软件（效能评估工具包）也可以帮助专业设计人员应用该程序并促进它的实践。
FEMA P695 和新的 MCE 地图：FEMA P695量化建筑物地震性能因子（2009）概述了程序如何确定地震力的用于定义最小值的衰减因数（例如，R，Delta;o和C d因数）这是美国建筑规范中的抗震剪力要求的基础，如ASCE 7（ASCE 2010）。FEMA P695采用非线性动态分析并结合基于判断的因素考虑不确定性的方法来量化崩溃风险。非线性动态分析用于评估中值的虚构脆弱曲线，而崩溃中的离差（不确定的）
脆性是由替代地面引起的非线性响应的变化所决定的，这种响应根据地质运动记录以及因以下质量而产生的不确定性来判断，包括（1）设计和建造，（2）非线性分析模型，（3）结构行为的知识体系。虽然FEMA P695 的设计思路是为设计建立响应参数，但是崩溃评估程序则可以遵循基于性能的方法对其进行修改以便更通用。也许FEMA P695最显着的方面是确定最小崩溃风险，在最大地震烈度（MCE）强度下定义为10％的条件崩溃概率。这种崩溃风险是根据按照现行建筑规范条款设计的具有代表性的建筑物的标准研究所作的判断。
在美国，MCE地面运动强度传统上是根据地面运动超越率来定义的，通常在50年内超过2％。在FEMA P695中定义的脆性崩塌的基础上，美国MCE抗震设计地图最近进行了修订，以便于在整个美国提供更一致的塌陷安全性（Luco 等人 2007）。这些新的MCE设计图的根据是崩溃的最大风险，50年超过1％。 这
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