建筑结构设计中抗震性能化设计要点分析

建筑结构设计中抗震性能化设计要点分析

孟庆芳

机械工业第六设计研究院有限公司天津分公司，天津市， 300000

摘要：我国是地震多发的国家，也因此在建筑结构设计中，抗震性能化设计成为了人们重点关注的对象。本文先是介绍抗震性能化设计的概念、目的和内容、抗震性能水准，然后结合实践，分析建筑结构设计中抗震性能化设计的要点，以供参考。

关键词：建筑结构设计；抗震性能；设计要点

我国是一个地震多发的国家，自20世纪以来，发生7.0级以上的内陆地震，我国就在全球中占约35％，地震所带来的危害性巨大，如至今记忆犹新的唐山大地震和汶川大地震，造成了巨大的人员伤亡和损失。多次强烈地震发生，带给我们最重要的启示之一，就是房屋建筑的倒塌与破坏与地震时的人员伤亡和财产损失密切相关。因此，要想减轻地震所带来的损失，在工程措施方面，就需要重视建筑抗震能力的提升。为此，基于唐山大地震等宏观经验和教训上，制定了《建筑抗震设计规范》（GBJ11-1989），提出了一套完整的建筑抗震设计对策和办法，符合当时科技水平和经济能力。但是，随着国民经济的快速发展，人们对建筑抗震防灾的需求也不断上升，也使得建筑抗震设防理念不断更新、发展，在工程抗震领域也出现了一些新的研究动向，抗震性能化设计便是其中一个新的研究方向。总的来说，在地震工程和工程抗震领域，应继续加强建筑结构性能评定方法和验收标准等方面的研究，同时也要进一步完善和发展抗震性能和设计的方法，从而有效提升建筑的抗震性能。

1. 抗震性能化设计的概述

1. 1. 概念提出

目前在建筑领域，对抗震性能化设计的理解还未完全统一。有的学者认为，抗震性能化设计就是依据结构物变形需求对结构设计进行控制；也有学者认为，抗震性能化设计是以减少经济损失和结构损失为性能目的的设计过程。笔者认为，建筑结构抗震性能设计，是抗震设计不断发展和完善的结果。最早提出基于结构性能的抗震设计概念的国家是美国，其认为性能目标应根据建筑物的重要性、用途及业主的要求来确定，所以在此基础上提出了不同的抗震设防标准，从而进行抗震结构设计。当然，也需要对抗震结构设计方案进行验证和分析，看是否满足建筑性能目标的要求，以及能否满足建筑结构在地震发生时应具备的功能。概括来说，抗震性能化设计，是一种建立在概念设计基础上抗震设计的新发展，其是以现有抗震设计水平和经济条件为基础，并基于建筑性能目标上采取各种设计方法和装置，让整个结构在地震作用下能所产生的破坏最小的设计过程。

1. 2. 目的及内容

在建筑结构设计中应用抗震性能化设计，主要目的是确保建筑结构在生命周期内，具有可抵御地震灾害的能力，以及在地震发生时，能够减少地震作用给建筑结构带来的破坏，进而减少人员伤亡和经济损失。从本质来看，抗震性能化设计属于多级抗震设防的设计方法，是抗震设计的细化和深化。其主要内容包括：地震设防水准、性能目标确定、结构抗震性能水平确定及结构抗震性能评估。

1. 3. 抗震性能水准

依据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2016）的规定，将地震效应划分为三个水准，分别是小震、中震和大震。在此基础上，性能目标不再是一个笼统的概念，而是高于三水准设计要求上的目标设置。具体可见下表1所示。

表1 抗震性能水准

2. 抗震性能化设计要点

2.1 工程概况

某房建工程主楼为办公商务酒店，楼层高为41层，建筑面积为71000㎡。主体结构是钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，外框架主要承担竖向荷载和一部分抗侧能力。主楼屋顶结构的标高是169.8m，屋顶上设有2层钢架。地下设有2层，用作停车、设备用房及人防，地下2层结构标高是-10m。该工程抗震设防类别为设防地震类，抗震设防烈度是6度。

2.2 抗震性能目标确定

综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件等因素基础上确定本工程的抗震性能目标。由于本工程的建筑高度是169.8m，超出A级最大适用高度，综合考虑各方面因素，最终确定本工程的抗震性能目标为偏于安全一些的性能目标C。关于性能目标C的具体要求，可见表2所示。

表2 本工程抗震性能目标C的具体要求

2.3 设计要点

（1）砌体结构设计。在受到水平地震荷载及竖直地震荷载作用时，建筑主体结构及梁砌筑墙体会出现裂缝，并将墙体划分成多个块体。建筑结构在水平地震荷载作用下，会沿着水平方向位移，并转向外移动，此时结构裂缝的开裂程度会越来越大，最终破坏墙体的整体性。一旦墙体的承载力无法达到设计承载的要求时，就会出现倒塌事故。为此，在建筑结构设计中，就需要重视结构柱和圈梁的设计，应不断提升结构的弹性，使其能消耗掉一部分的地震作用力，这样可降低墙体衰退的速度，避免发生倒塌或延缓这一问题发生。根据本工程性能目标C的要求，结构需要满足性能水准Ⅲ的要求，因此需要对其进行设防地震下的弹性和不屈服设计，即核心筒墙肢底部加强部位弹性，其与部位不屈服，并控制主框架柱、墙肢底部加强区轴压比。通过震弹性计算，得知核心筒底部加强区墙肢的最大轴压比为0.55，外框架柱的最大轴压比是0.74，对照《高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）》规定，本工程竖向构件结构可达震弹性的性能设计要求。

（2）钢筋混凝土结构设计。在建筑结构设计中，也要确保钢筋混凝土结构设计满足相关规范的抗拉与屈服强度要求，这是因为建筑的塑性变形大小，主要是通过钢筋混凝土结构来控制，所以在设计框架梁和柱结构时，需要提升梁柱之间的结构延性，由此提高其抗震性能。值得一提的是，钢筋混凝土强度高，并不就代表其性能好，应当因地制宜结合实际情况合理设计。如，混凝土强度越高，结构的脆性就越强，对应的结构延性就会越低，这样并不利于地震作用力的消耗。因此，结合本工程性能目标C的要求，本工程抗震设防烈度是6度，混凝土强度最高为C60。同时，在实际设计过程中，还须要合理调整和控制混凝土受压构件的轴压比，确保其符合相关的规范要求。另外，在钢筋施工时，加强箍筋质量的控制，优化箍筋可获得良好的抗震效果。在实际设计中，应充分考虑箍筋的形式、间距、数量等，提升箍筋的抗变形能力、耗能能力及极限强度。

结语：

综上，在建筑结构设计中应用抗震性能化设计，应基于地震水准下结合实际情况进行抗震设计，确保在各地震水准下，建筑结构能够满足预定性能目标要求。总的来说，基于性能的抗震设计，具有多重目标，能够切实满足业主和使用者的使用需求，应采用不同性能目标和抗震措施，并积极采用新的结构体系、新技术和新材料，提升建筑物的抗震性能。

参考文献：

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[2]杜若红.基于性能的建筑结构抗震设计[J].科技创新与应用,2021,11(23):100-102.

[3]毕大博.高层建筑结构设计中的不规则问题与抗震措施[J].建筑技术开发,2021,48(14):1-2.