抗震性能设计

抗震概念设计及抗震性能化设计朱炳寅中国建筑设计研究院■抗震性能化设计部分回答以下问题：什么是抗震性能化设计性能化设计不神秘，大到整个工程，小到结构构件，都有性能化设计的问题，我们的楼梯安全岛的概念及其设计原则就是抗震性能化设计。为什么要进行抗震性能化设计抗震性能化设计与抗震概念设计的关系如何做好抗震性能化设计工作抗震性能化设计工作实例及分析第二部分：抗震性能化设计1.什么是抗震性能化设计1.1建筑抗震性能化设计就是：根据工程的具体情况，确定合理的抗震性能目标、采取恰当的计算和抗震措施，实现抗震性能目标的要求。抗震性能化设计的抗震设防目标不应低于规范的基本抗震性能目标。1.2抗震性能化设计的基本思路是：“高延性，低弹性承载力”或“低延性，高弹性承载力”。1.3提高结构或构件的抗震承载力和变形能力，都是提高结构抗震性能的有效途径，而仅提高抗震承载力需要以对地震作用的准确预测为基础。限于地震研究的现状，应以提高结构（局部）或构件的变形能力并同时提高抗震承载力作为抗震性能化设计的首选。1.4建筑的抗震性能化设计，以现有的抗震科学水平和经济条件为前提，立足于承载力和变形能力的综合考虑，具有很强的针对性（针对具体工程的不规则情况及特殊的使用功能要求等）和灵活性。1.5在复杂高层建筑及超限工程设计审查中经常提到结构的性能化设计问题，性能化设计是结构抗震设计的精髓。2.为什么要进行抗震性能化设计2.1多次大地震及特大地震的震害表明，由于城市的发展和城市人口密度的增加，城市设施复杂，经济生活节奏加快，地震灾害所引起的经济损失急剧增加，因此，以生命安全为抗震设防惟一目标的单一设防标准是不全面的，应考虑控制建筑和设施的地震破坏，保持地震时正常的生产、生活功能，减少地震对社会经济生活所带来的危害，有必要采用高于（或不低于）基本抗震设防目标的性能化设计方法。2.2建筑的平面和立面的复杂程度增加，按常规设计方法进行的抗震设计往往不能完全满足抗震设计要求。3.抗震性能化设计与抗震概念设计的关系3.1抗震性能化设计是解决复杂工程抗震设计问题的有效方法，也是抗震概念设计的集中体现。3.2抗震性能化设计贯穿于结构抗震设计的始终，其并不神秘。我们结构设计中的许多工作其实就是抗震性能设计的具体内容，此处举例说明如下：3.2.1《抗震规范》中的三水准设防目标，就是一种性能目标。明确要求大震下不发生危及生命的严重破坏即“大震不倒”，就是最基本的抗震性能目标。3.2.2对起疏散作用的楼梯，提出采取加强措施，使之成为“抗震安全岛”的要求，确保大震下能具有安全避难和逃生通道的具体目标和性能要求，这是对具体部位提出的满足地震时功能要求的抗震性能目标。3.2.3对特别不规则结构、复杂建筑结构，根据具体情况对抗侧力结构的水平构件和竖向构件提出相应的性能目标要求，提高结构或关键部位结构的抗震安全性。3.2.4对错层结构的错层部位提出中震承载力的设计要求。3.2.5对框支梁及框支柱按“中震”设计。由于框支梁及框支柱承托上部结构，为重要的结构构件，因此按“中震弹性“或“中震不屈服”设计。对应的性能目标就是在设防烈度地震（“中震”）作用下，框支梁及框支柱仍处于弹性（或不屈服）状态。3.2.6重要结构的门厅柱按“中震”设计。由于门厅柱数层通高，且作为上部楼层竖向荷载的主要支承构件，属于重要的结构构件，因此按“中震弹性”或“中震不屈服”设计。对应的性能目标就是在设防烈度地震（“中震”）作用下，门厅柱仍处于弹性（或不屈服）状态。3.2.7对承受较大拉力的楼面梁按“中震”设计。受斜柱的影响楼面梁常承受较大水平力，考虑钢筋混凝土楼板开裂后承载能力的降低，按“零刚度”楼板假定并按“中震”设计。当梁承受的拉力较大时，可考虑采用型钢混凝土梁、或钢梁。3.2.8对特别重要的结构，当采用双重抗侧力结构时，如钢框架-钢筋混凝土核心筒结构中，对底部加强部位的抗震墙提出截面剪压比限值要求，按大震剪力不超过0.15fcbwhw03.如何做好抗震性能化设计工作3.1抗震性能化设计的路径如下：确定各地震水准下结构可接受侧破坏程度设定结构的抗震性能目标确定各个地震水准下构件的承载力、变形和细部构造的具体指标3.2如何确定结构的抗震性能目标3.2.1抗震性能目标应根据抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型和不规则性，建筑使用功能和附属设施功能的要求、投资大小、震后损坏和修复难易程度等，经技术及经济可行性综合分析和论证后确定。3.2.2由于房屋的重要性程度及建筑使用功能不同，结构或结构部位及结构构件的抗震设防目标也不完全相同，应根据具体情况采取相应的抗震措施3.2.3针对工程的需要和可能，可以对整个结构，也可以对某些部位或关键构件，灵活运用各种措施达到预期的抗震性能目标，以提高抗震安全性或满足使用功能的专门要求。3.2.4鉴于目前强烈地震下结构非线性分析方法的计算模型及参数的选用，尚缺少从强震记录、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，性能目标选用时宜偏于安全考虑。图2-1抗震性能目标、承载力与延性之间的关系3.2.5性能目标1■结构在设防烈度地震下完好并能正常使用（即中震弹性或基本弹性）罕遇地震作用下能基本完好，最多只产生一些不明显的非弹性变形（图2-1中OAA′至OBB′之间），经检修后可继续使用（即大震基本弹性或大震不屈服）。■某些特别重要的建筑，需要结构具有足够的承载力，从而保证其在中震、大震下始终处于基本弹性状态；也有一些建筑虽然不特别重要，但其设防烈度较低（如6度）或结构的地震反应较小，也可以保证其在中震、大震下始终处于基本弹性状态。■某些特别不规则的结构，业主愿意付出经济代价，也能使其在中震、大震下始终处于基本弹性状态。■对特殊工程及采用隔震、减震技术或低烈度设防且风荷载很大时，可对某些关键构件提出此项性能要求，其房屋的高度和不规则性一般不需要专门限制。■结构满足大震下弹性或基本弹性设计要求，大震下结构可不考虑地震内力调整系数，但应采用作用分项系数。■各构件的细部抗震构造仅需满足最基本的构造要求（如采取抗震等级为四级的构造措施），结构具有最基本的延性性能。3.2.6性能目标2■结构构件在中震下完好，在预期大震下可能屈服（图2-1中OBB′至OCC′之间）。■例如：某6度设防的钢筋混凝土框架-核心筒结构，其风力是小震的2.4倍，在风荷载作用下的层间位移是小震的2.5倍。结构的层间位移和所有构件的承载力均可满足按中震（不计风荷载效应）的设计要求。考虑水平构件在大震下的损坏使刚度降低和阻尼加大，竖向构件的最小极限承载力仍可满足大震下的验算要求。因此，总体结构可达到性能目标2的要求。■结构的薄弱部位或重要部位构件的抗震承载力（正截面承载力和抗剪承载力）满足大震弹性设计要求。■整个结构按非线性分析计算。■允许某些选定的部位接近屈服（如部分受拉钢筋屈服），但不发生如剪切等脆性破坏。■各构件的细部抗震构造需满足低延性要求（相当于混凝土结构中三级抗震等级的构造要求）。3.2.7性能目标3■在中震下已有轻微塑性变形，大震下有明显塑性变形（图2-1中OCC′至ODD′之间）。3.2.8性能目标4■在中震下的损坏已大于性能目标3，结构总体的承载力略高于一般情况（图2-1中ODD′至OEE′之间）。■结构应进行非线性分析。■结构的薄弱部位或重要部位构件在大震下允许达到屈服阶段，但满足选定的变形限值（如除框架结构以外的混凝土结构，在大震下的层间弹塑性变形控制在1/500~1/300）。■竖向构件不发生剪切等脆性破坏。■各构件的细部抗震构造应满足高延性的要求（相当于混凝土结构中一级抗震等级的构造要求）。3.2.9性能目标5■对应于图2-1中OEE′。■结构应进行非线性分析。■结构的薄弱部位或重要部位构件在大震下允许达到屈服阶段，满足现行规范在大震下的弹塑性变形要求。■竖向构件不发生剪切等脆性破坏。■各构件的细部抗震构造应满足特种延性的要求（相当于混凝土结构中特一级抗震等级的构造要求）。3.3确定中震或大震下的抗震性能水准为实现性能目标要求，需要落实各个地震水准（中震或大震）下构件的承载力、变形和细部构造的具体指标。3.3.1仅提高承载力时，安全性有相应的提高，但使用上变形要求不一定能满足；3.3.2仅提高变形能力，则结构在小震、中震下的损坏情况大致没有改变，但抵御大震倒塌的能力提高。3.3.3性能化设计往往侧重于通过提高承载力，推迟结构进入塑性工作阶段并减少塑性变形，必要时还需同时提高刚度以满足使用功能的变形要求，而变形能力的要求可根据结构及其构件在中震、大震下进入弹塑性的程度加以调整。3.3.4性能设计寻求的是结构或构件在承载力及变形能力的合理平衡点：■当承载能力提高幅度较大时，可适当降低延性要求；■而当承载力水平提高幅度较小时，可相应提高结构或构件的延性（也即当延性指标的实现有困难时，可通过提高结构或构件的承载力加以弥补；而当提高结构或构件的承载力有困难时，可通过提高结构或构件的延性加以弥补）。3.3.5对各项性能目标，结构的楼盖体系必须有足够安全的承载力，以保证结构的整体性，一般应使楼板在地震中基本处于弹性状态，否则，应采取适当的加强措施。3.3.6为避免发生脆性破坏，设计中应控制混凝土结构构件的受剪截面面积，满足规范对剪压比的限值要求。3.3.7性能目标中的抗震构造“基本要求”相当于混凝土结构中四级抗震等级的构造要求，低、中、高和特种延性要求，大致相当于混凝土结构中三、二、一和特一级抗震等级的构造要求。考虑地震作用的不确定性，对工程设计中的延性要求宜适当提高。4.抗震性能化设计工程实例及分析抗震性能化设计可以是对全工程也可以是对某一特殊构件（高规第8.1.3条要求，对少量剪力墙的框架结构进行抗震性能化设计）序号工程情况结构关键部位设计建议说明1超B级高度的特别不规则结构性能目标1应进行抗震超限审查2超B级高度的一般不规则结构性能目标2应进行抗震超限审查3超B级高度的规则结构性能目标3应进行抗震超限审查4超A级高度但不超B级高度的特别不规则结构性能目标2应进行抗震超限审查5超A级高度但不超B级高度的一般不规则结构性能目标3应进行抗震超限审查6超A级高度但不超B级高度的规则结构性能目标4应进行抗震超限审查7A级高度的特别不规则结构性能目标4应进行专门研究8A级高度的一般不规则结构按一般情况设计可直接按《抗震规范》设计9大跨度复杂结构根据复杂情况确定相应的性能目标应进行抗震超限审查抗震性能指标确定的一般原则表3.10.3-6情况分类要求说明抗剪大震剪应力控制大震下抗震墙的剪压比≤0.15确保大震下抗震墙不失效中震弹性按中震要求进行抗侧力结构的抗剪控制，与抗震等级相对应的调整系数均取1.0中震不屈服按中震不屈服要求进行抗侧力结构的抗剪控制，抗力及效应均采用标准值，与抗震等级相对应的调整系数均取1.0由于抗力和效应均采用标准值，及与抗震等级相对应的调整系数均取1.0，其计算结果需与小震弹性设计比较取大值设计抗震性能设计的常见做法表3.10.3-7抗弯大震不屈服按大震不屈服要求进行结构的抗弯设计，抗力及效应均采用标准值，与抗震等级相对应的调整系数均取1.0一般不要求大震完全弹性中震弹性按中震弹性要求进行结构的抗弯设计，与抗震等级相对应的调整系数均取1.0中震不屈服按中震不屈服要求进行结构的抗弯设计，抗力及效应均采用标准值，与抗震等级相对应的调整系数均取1.0由于抗力和效应均采用标准值，及与抗震等级相对应的调整系数均取1.0，其计算结果需与小震弹性设计比较取大值设计其他剪力调整应根据不同结构体系确定相应目标取0.25Q0及1.8Vfmax的较大值多用于钢框架-支撑结构，且较不容易实现取0.2Q0及1.5Vfmax的较大值用于钢筋混凝土框架-核心筒结构，且较不容易实现取0.25Q0及1.8Vfmax的较小值用于混合结构，且较容易实现提高抗震等级根据抗震性能目标确定适当提高结构的抗震等级提高抗震构造措施延性要求设置型钢、芯柱等提高抗震构造措施性能水准要求理解与应用1中震时，结构构件的正截面承载力及受剪