试论建筑结构设计中抗震性能化设计要点

试论建筑结构设计中抗震性能化设计要点

龙韵伊

广西壮族自治区城乡规划设计院  广西南宁市530000

摘  要：我国常规建筑的抗震设计是基于承载力和刚度的设计方法，以小震为设计为基础，通过地震力的调整系数和各种抗震构造措施来保证中震和大震的抗震性能来实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设防目标。但对于特别重要的建筑或者特别不规则的建筑这类复杂的结构会对结构设计提出更高的要求。抗震性能化设计可以通过计算及构造等抗震性能化设计手段，提高建筑抗震性能，增强建筑结构的抗震能力。基于性能的抗震设计方法已经被广泛认可，并逐渐成为抗震设计的一个重要发展趋势。

关键词：抗震性能化设计；建筑工程；结构设计

1 抗震性能化设计概述

1.1 抗震性能化设计基本概念

基于性能的抗震设计理论以结构抗震性能分析为基础，根据设防目标的分类不同划分不同的性能目标及设防等级，根据建设者不同的要求，设计者采用经济合理的抗震性能设计方法。是一种考虑对抗震设计的深化与细化的“多级抗震设防”的方式。抗震性能化设计的主要目的是在地震作用下的建筑物破坏程度处于预期范围内，并且在经济成本、使用时间和修复费用达到平衡。抗震性能化设计的中心工作是确定设防标准、性能水准以及抗震性能目标。

1.2 抗震性能化设计方法

当前性能化设计最常用的方法是基于位移的抗震设计方法，重点任务是结构的位移满足抗震性能设计要求，中心工作是控制结构的层间位移。当结构或者构件进入非线性弹塑性阶段时，结构或者构件的内力增加很小，但是其对应的变形增加很大，因此抗震阶段的主要指标是控制结构的位移。抗震性能化设计根据抗震性能要求调整放大竖向构件的内力，通过提高结构的变形能力，来提高结构的抗震性能，并适当提高结构的抗震承载力，推迟结构进入弹塑性工作阶段以减少弹塑性变形以更有利于实现抗震性能目标。

2 抗震性能化设计主要内容

2.1 结构方案分析

结构或者构件设计的第一步是判断其是否需要采用抗震性能化设计方法，并且从建筑物规则性、场地条件、结构类型及高度、抗震设防标准等五方面进行分析判断，选取合理的性能目标。

2.2 确定抗震性能目标

在某一地震作用下达到抗震设计性能水平是抗震设计性能目标确定的核心工作，该工作需充分考虑设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型以及经济费用等因素。并征求业主和有关专家意见即可确定结构的抗震性能目标。2010年颁布的《抗规》和《高规》中均增加了结构抗震性能化设计的内容。《高规》中分为A、B、C、D四个等级，四个等级的性能目标从高至低，但均不低于原来的三水准的抗震设防要求。根据《高规》表3.11.1，由已经确定好的ABCD来查找此房屋结构在多遇地震“小震”、设防烈度地震“中震”、预估的罕遇地震“大震”三种地震作用下应达到的性能。

选用性能目标时，结构构件根据其重要程度分为关键构件、普通竖向构件和耗能构件。采用相同的抗震性能目标时，不同构件类型的抗震性能要求有所区别。根据选定的性能目标指定性能水准。使其在中震或大震作用下满足中的弹性设计或不屈服设计的要求。抗震性能水准总共分为以下五个等级：

（1）性能1：要求结构满足弹性要求：在小震（多遇地震）下，承载力和变形满足此前抗震设计要求所有有关规定，即小震弹性验算。中震（设防烈度地震）作用下，结构构件（主要指关键构件、普通竖向构件、耗能构件）应满足公式弹性设计，且考虑承载力抗震调整系数γRE。

（2）性能2：要求在中震和大震作用下，关键构件及普通竖向构件宜弹性设计；中震和大震作用下，耗能构件（框架梁、剪力墙连梁）的受剪承载力宜满足弹性设计；中震和大震作用下，耗能构件（框架梁、剪力墙连梁）的受弯承载力应满足公式不屈服设计。

（3）性能3：中震或大震作用下，要求建筑物的关键构件和竖向构件应通过受弯承载力不屈服验算。若建筑物为水平长悬臂或大跨度结构，关键构件还应同时满足正截面承载力不屈服的设计条件。关键构件及普通竖向构件（含水平长悬臂结构和大跨度结构中关键构件）受剪承载力宜满足“受剪”弹性设计；耗能构件受剪承载力宜满足“受剪”不屈服设计；大震作用下，结构薄弱层的层间位移角应满足《高规》3.7.5的要求。

（4）性能4：中震或大震作用下，建筑物的关键构件应分别通过受弯和受剪承载力不屈服验算；若建筑物为水平长悬臂结构和大跨度结构，关键构件的受弯和受剪承载力还应同时满足不屈服设计；钢筋混凝土竖向构件的受剪截面应满足最小剪压比要求。钢-混凝土组合剪力墙的受剪截面应满足要求；大震作用下，结构薄弱层的层间位移角应满足《高规》3.7.5的要求。

（5）性能5：大震作用下，关键构件的承载力（受弯和受剪）宜符合不屈服设计；大震作用下，大部分竖向构件进入屈服，但不宜全部屈服；大震作用下，竖向构件的受剪截面应符合公式要求；大震作用下，结构薄弱层应满足《高规》3.7.5中对建筑结构的层间位移角的要求，防止层间位移角过大引起建筑倒塌。

2.2 性能化设计计算

进行结构性能化设计，需要验算不同烈度地震作用下结构构件是否满足抗震性能水准所要求的需求能力比。因此，首先要计算结构构件在不同烈度地震作用下的需求(内力和变形)，并与规范规定的强度承载力或变形能力标准(能力)进行比较，以确定其抗震性能是否满足要求。

在本地区设防烈度地震作用下，结构只有部分梁等构件进入弹塑性，整体结构仍保持弹性状态。因此可采用《高规》的等效弹性计算方法计算结构构件内力和变形，即阻尼比适当增大，连梁刚度折减系数减小，整体结构按线弹性计算。按结构构件的承载能力可将设计方法分为“中震弹性设计”和“中震不屈服设计”两种情况。按中震弹性设计时，计算不考虑风荷载与地震组合，不考虑与抗震等级有关的增大系数，地震影响系数取小震的 2.8 倍，取消内力调整的经验系数，但保留了荷载分项系数，即在计算中保留一定的结构的安全度和可靠度。按中震不屈服设计时，计算上不考虑风荷载参与地震组合，不考虑与抗震等级有关的增大系数，不考虑荷载分项系数，也不考虑承载力抗震调整系数，且设计中材料强度取为标准值，相比于中震弹性设计情况中震不屈服设计就是去掉了结构所有安全度。将计算结果与小震计算结果进行包络设计配筋。

罕遇地震作用下，允许有较多结构构件屈服，整体结构进入弹塑性状态明显，需要进行弹塑性计算确定结构构件的内力及变形。在软件中通过静力或动力弹塑性（pushover）分析对实际截面、配筋进行验算。

2.3结构抗震性能评价

2.3.1结构整体抗震性能评价

通过抗震性能化设计最终结果判断结构是否具有合理的屈服耗能机制及塑性铰分布，是否能够达到预定的抗震性能目标满足规范相应的设防要求。

2.3.2 结构构件抗震性能评价

根据建筑物震后的宏观损坏程度，可将构件性能状况的5个水准对应的宏观损坏程度由低到高分别描述为：无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损害。根据主体结构罕遇地震动力弹塑性分析的计算结果，综合构件在罕遇地震作用下的变形状态判断构件是否满足相应的性能水准要求。

3 抗震性能化设计的应用

3.1 混凝土结构震性能化设计

除非场地好、风很大、设防烈度很低，或采用减隔震措施，一般来说，抗震设防区的钢筋混凝土结构一般由地震设计状况控制，所以性能化设计主要用于主要用于“超限”和使用功能不允许中断的生命线等更高抗震设计标准工程。鉴于目前强震下非线性计算模型及参数尚存在不少经验因素，缺少从强震记录、设计施工资料到实际震害的验证，对结构性能的判断难以十分准确，因此在性能目标的选用中宜偏安全一些。《高规》分关键构件、普通竖向构件和耗能构件，分抗弯和抗剪分别给出性能水准要求，代表了对出铰顺序的控制，由先到后为：剪力墙连梁─框架梁端─剪力墙底部加强部位─框架柱根；《抗规》中给出了极限承载力验算公式即各性能目标的变形控制指标。《抗规》3.10节抗震性能化设计的条文解释中性能1234分别与《高规》性能目标ABCD一一对应。

性能目标的具体控制指标承载力指标、层间位移指标、构造抗震等级，分别如下：

3.2 钢结构抗震性能化设计

与钢筋混凝土结构多数由地震设计状况控制不同，较多的钢结构是由非地震设计状况控制的。通过性能化设计，实现承载力、延性等级和构造的合理组合实现更好的经济性和合理性。由于地震作用的不确定性，结构延性比承载力更为重要。对于多高层民用钢结构，首先必须保证必要的延性，一般应采用高延性─低承载力；对于工业建筑，为降低造价，可采用低延性─高承载力。

首先确定塑性耗能区的性能系数性能系数引领出铰顺序。对于框架结构：同层柱>梁；对于支撑结构和框架-中心支撑的支撑系统：同层柱>梁>支撑；对于框架-偏心支撑：同层，柱>支撑>梁>消能梁段；且非塑性耗能区>塑性耗能区。按传统设计法进行多遇地震下弹性承载力和位移计算；进行设防地震下的抗震承载力验算，包括所有构件的设防地震性能组合承载力验算、框架梁、柱各自的强剪弱弯验算、强柱弱梁和强连接弱构件验算以及强节点域验算。钢结构性能化设计是反复试算、逐渐接近最优解的过程，需要反复调整截面或重新设定性能系数。

根据抗震设防类别及性能等级，确定构件和节点的最低延性等级。

钢结构主要的抗震构造措施包括：

（1）塑性耗能区尽量采用整根材料，要拼接须工厂拼接。

（2）塑性耗能区板件间应采用完全焊透的对接焊缝。

（3）对于框架结构：控制梁端与延性等级对应的板件宽厚比、轴压比、剪压比。当梁端为工字形时，或控制长细比或设加劲肋或设隅撑；板件宽厚比是为了保证塑性发展深度；控制轴压比是因为在高压应力情况下，抗剪承载力降低，且影响压弯延性。控制框架柱与延性等级对应的长细比限值；控制节点域与延性等级对应的受剪正则化宽厚比限值；控制梁柱翼缘焊接、节点域及上下各600范围内柱板件间焊接，应完全熔透；注意焊孔的改进和垫板的细节处理以及梁柱骨形连接或加强连接的构造。

（4）对于支撑结构及框架-支撑结构，中心支撑的框架部分同框架结构；分别交叉支撑、人字或V形支撑、偏心支撑，各自延性等级对应的长细比限值、板件宽厚比等级。

（5）对于消能梁段按“设防地震性能组合轴力”不同，验算受剪承载力。延性等级为Ⅰ级的消能梁段构造主要控制项：（a）消能梁段的长度限值；（b）消能梁段的加劲肋设置；（c）消能梁段的隅撑设置。

结语

综上所述，采用性能设计能更有效的找到结构可能的薄弱部位，并通过提出有针对性的抗震加强措施来保证复杂结构安全。抗震性能化设计的设计思想是立足于承载力和变形能力的综合考虑，具有很强的针对性和灵活性，是对抗震设计的强有力补充。抗震性能化设计不同于普通抗震设计的概念设计方法，是一种建立在概念设计基础上的抗震设计新趋势。

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作者简介：龙韵伊（1994-），女，汉族，湖南人，本科，初级工程师，研究方向：结构设计。