高層住宅工程抗震性能化設計

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1 性能化設計的提出

長期以來，各國的抗震設計規范采用三水準抗震設防指標。這種理論在保證生命安全具有一定的可靠性，但較模糊，一是設計師無法掌握破壞損失，其二地震是隨機現象，預期的設防可能失效。其三，業主對有更高的設計期望。

20世紀90 年代美國人提出基于結構性能的抗震設計（performancebasedseismic design 簡稱PBSD）概念。2010版的抗規將抗震設計分為基本目標和性能目標兩大類。基本目標為性能化設計雛形，為最基本的要求，必須達到；性能化目標針對到具體的每個工程，以當代經濟技術的可能條件，提出具體、定量的量化目標。《JGJ3-2010》的抗震性能設計相當于操作細則，《抗規》類似總綱。

1.1 性能目標的理解

對于受力體：具體工程，可以對整個結構，也可以對某些部位或關鍵構件（如底部加強區的剪力墻，框支柱等）設定應該達到的破壞（彈性極限或者塑性極限）和變形（水平位移或者轉角）的定量極限。對于外力：未來遇到地震效應，首先必須估計在結構設計使用年限內可能的各種水準，就是規范中所指的三水準，即小震，中震，大震。但性能化設計中還當考慮近場效應的影響。《抗規》認為，處于發震斷裂2 側10 公里以內的結構，地震動參數（幅值、頻率特性和持續時間）應當計入近場影響，5 公里以內放大1.5 倍，以外放大1.25 倍以上，從而對地震效應的上限有一定提高（可靠度更高）。實際上也是考慮到具體結構的具體形式作出的更個性化的提高。性能目標不再是一個籠統的概念，而是對構件破壞狀態以及破壞后的繼續使用性都是可以量化。據此，在充分考慮地震破壞可能性上，根據業主需要和結構破壞后的損失，合理的對破壞狀態和功能性保留作出高于三水準設計要求的目標設置。

1.2 性能化量化指標

實際操作性能化設計時，需要三個要素兩個必要性，三要素是指設計者必須提前布局：合理的結構模型，恰當的分析方法進行受力分析，代表性的表述性能目標的變量（具體的設計指標）。兩個必要是指，選取的指標必須合理具體，這些指標必須能控制結構或者關鍵部位的承載力，變形能力；選取的指標必須可以根據不同的地震作用而相應改變（其實也是從受體和外力2 個方面來實現）。具體的推薦參數如下：變形微觀，如應變，截面曲率；宏觀位移，如：構件端部轉角，層間位移、頂點位移；力，如底部剪力；延性系數，能量耗散指標（較難實現，關系到具體的模型和分析方法）等。概括就是四個方面：承載力指標，延性系數指標，位移指標，能量耗散指標。

（1）承載力指標，國內規范已經全面應用，比如小震不壞，中震可修，大震不倒。對于性能化設計中的應用，可以具體按照抗震規范表M.1.1-1 使用。

（2）延性系數指標，主要是具體的各種抗震構造措施，比如體積配箍率等。這些都是對構造措施進行定量分析，實際使用時，只需要針對各自的抗震構造等級，加減烈度參數而重新選用。

（3）位移指標，最為各國認可的就是層間位移角，比如，結構良好的使用，[θ]=1/500；保證人身安全[θ]=1/200，防止倒塌[θ]=1/50。這種指標對于同一種材料的建筑物是可信的，是很有潛力應用的一種性能指標。

1.3 性能目標的確定

建筑的性能目標一般可分為四個等級，即從性能目標1（多遇地震下結構完好；設防烈度下結構完好，可以正常使用；罕遇地震下基本完好，檢修后可以正常使用）到性能目標4（多遇地震下結構完好；設防烈度下輕微至中等損壞；罕遇地震下接近嚴重破壞，大修后可以正常使用），其中以性能目標1的承載力要求最高而延性要求最低，性能目標4 的承載力要求最低而延性要求最高。

2 抗震性能設計的實際應用

抗震性能設計貫穿于結構抗震設計的始終，我們結構設計中的許多工作其實就是抗震性能設計的具體內容，此處舉例說明如下：

2.1《抗震規范》中的三水準設防目標，就是一種性能目標。明確要求大震下不發生危及生命的嚴重破壞即“大震不倒”，就是最基本的抗震性能目標；

2.2 對起疏散作用的樓梯，提出采取加強措施，使之成為“抗震安全島”的要求，確保大震下能具有安全避難和逃生通道的具體目標和性能要求；

2.3 對特別不規則結構、復雜建筑結構、根據具體情況對抗側力結構的水平構件和豎向構件提出相應的性能目標要求，提高結構或關鍵部位結構的抗震安全性；對水平轉換構件，為確保大震下自身及相關構件的安全提出大震下的性能目標等，如：

（1）對框支柱按“中震”設計。由于框支柱承托上部結構，為重要的結構構件，因此按“中震”彈性或“中震”不屈服設計。對應的性能目標就是在設防烈度地震狀態。

（2）重要結構的門廳柱按“中震”設計。由于門廳柱數層通高，且作為上部樓層豎向荷載的主要支撐構件，屬于重要的結構構件，因此按“中震”彈性或“中震”不屈服設計。

（3）對錯層處的錯層框架柱和錯層剪力墻按“中震”設計。由于錯層的影響，錯層處的框架柱成為短柱，錯層處的剪力墻成為短墻，其延性大為降低并承擔很多的地震作用。因此，需要適當提高錯層框架柱及錯層剪力墻的承載力，滿足強剪弱彎要求并采取更嚴格的抗震措施，一般按抗剪滿足中震彈性要求，抗彎滿足中震不屈服要求設計。

（4）對水平轉換構件按“大震”不屈服設計。由于轉換構件承托上部結構重量，為重要的結構構件，因此，常需要按”大震”不屈服設計，并應采用在重力荷載下不考慮上部墻體共同作用的計算模型復核。

（5）對承受較大拉力的樓面梁按“中震”設計。受斜柱的影響樓面梁常承受較大水平力，考慮鋼筋混凝土樓板開裂后承載能力降低，按“零剛度”樓板假定并按“中震”設計。

（6）對少量剪力墻的框架結構，當考慮框架和剪力墻協同工作，計算的彈性層間位移角不滿足規范對框架-剪力墻結構的位移限值時，應按照抗震性能設計的要求。

3 結語

高層住宅的抗震性能化設計工作中，依據差異化的性能需求構件承載力驗算方程，劃分成設計值復核，標準值復核以及極限值復核。在設計過程中，針對中震和大震的性能化設計就不考慮地震效應和風荷載效應的結合。在運用規范表達式對其進行表達時尤其是要提升對分項系數材料強度值的重視程度。

性能化設計的重中之重是精準判定出高層住宅結構可能的脆弱部位，設計的重點是判斷結構可能的薄弱部位，從而采取合理的措施對其進行強化，使高層住宅建筑能夠實現預期設計的抗震性能指標。具體的實施步驟如下：（1）分析確定結構超過《高規》適用范圍及不規則性的情況和程度；（2）分析施工場地狀況、建筑需要達到的抗震性能級別以及地震的相關參數；（3）計算分析，并對計算結果進行驗證和分析；（4）尋找出建筑最有可能的薄弱結構，并提出科學合理的措施來進行加強。（5）如果有必要，在實際工作中還應該對一些關鍵部位實施模擬抗震試驗，以便于確保結構設計的合理性。

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[2]潘忠貴.高層建筑物結構抗震性能優化設計研究[J].建筑知識,2016(3).

[3]袁方.基于性能的超限框架-核心筒結構的抗震性能分析與設計[D].青島理工大學, 2015.