淺析高層建筑抗震性能化設計要點

（南通職業大學 建筑工程學院，江蘇 南通 226007）

1 抗震性能化設計

1.1 基本概念

所謂的建筑抗震性能化設計，內容包括兩個方面:一是確定抗震性能目標，二是采取適宜的計算和抗震措施。[1]～[3]

對于抗震設防目標，抗震性能化設計時應高于或等于規范的基本抗震性能目標。建筑抗震性能化設計屬于抗震概念設計。

對于復雜的結構問題，如復雜結構、超限建筑工程的結構設計，抗震性能化設計是基本而有效的方法。通過計算及構造等抗震性能化設計手段，采用包絡設計的方法解決工程設計中的復雜技術問題是抗震性能化設計的核心內容。[1]～[3]

1.2 設計思路

“高延性，低彈性承載力”或“低延性，高彈性承載力”是抗震性能設計的基本思路。

提高結構的抗震性能，可以通過提高結構或構件的抗震承載力和變形能力實現。由于受到現在地震研究現狀限制，無法單獨提高抗震承載力，而應該是通過提高結構整體或構件的變形能力同時提高抗震承載力的方式實現抗震性能的提高。[1]～[3]

1.3 構件調整

抗震性能化設計時主要是設計豎向抗側力構件，根據抗震性能要求調整放大豎向構件的內力，與之相連的水平構件如框架梁、連梁等一般不調，以更有利于實現抗震性能目標。

抗震性能化設計第一步，要正確區分構件類型，即構件屬于關鍵構件、普通豎向構件還是耗能構件。其中，普通豎向構件即“關鍵構件”之外的豎向構件；耗能構件即框架梁、剪力墻連梁及耗能支撐。

筆者根據設計專家的建議，將關鍵構件類型總結如下，以便設計時參考。

關鍵構件：[2]

（1）底部加強部位的重要豎向構件(底部加強區剪力墻、框架柱)

（2）水平轉換構件及與其相連豎向支承構件(轉換梁、框支柱)

（3）大跨連體結構的連接體及與其相連的的豎向支承構件

（4）大懸挑結構的主要懸挑構件

（5）加強層伸臂和周邊環帶結構的豎向支承構件

（6）承托上部多個樓層框架柱的腰桁架

（7）長短柱在同一樓層內數量相當時該層各個長短柱

（8）扭轉變形很大部位的豎向(斜向)構件

（9）重要的斜撐構件

2 中震彈性與中震不屈服設計

我國目前的抗震設計是以小震為設計基礎的，對于中震設計的內容僅在抗震規范總則中提到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標，并通過地震力的調整系數和各種抗震構造措施來保證中震和大震的抗震性能。[4]～[7]

目前，對于結構的中震設計有兩種方法即“中震彈性設計”和“中震不屈服設計”，設計基本原理如公式（1）至公式（5）所示。[1]～[3]

對于大震主要通過提高結構的變形能力，來提高結構的抗震性能，并適當提高結構的抗震承載力，推遲結構進入彈塑性工作階段以減少彈塑性變形，因此，抗震性能設計中不提出過高的抗震承載力要求。

2.1 中震彈性設計

中震彈性設計：[2]

公式中：Rd、γRE為構件承載力設計值、承載力抗震調整系數；γG、SGE、γEh、γEv分別為重力荷載分項系數、重力荷載代表值的效應、水平地震作用分項系數、豎向地震作用分項系數；SE*hk、SE*vk分別為不考慮與抗震等級有關的增大系數的水平、豎向地震作用標準值的構件內力。

2.2 中震不屈服設計

中震不屈服設計，如公式（2）、（3）所示：[2]

中震不屈服設計時，不考慮分項系數、地震作用調整系數以及與抗震等級有關的增大系數。

2.3 截面剪壓比計算[2]

VGE重力荷載代表值作用下的構件剪力；

地震作用標準值的構件剪力，不需考慮與抗震等級有關的增大系數；

fck、fak、fspk分別為混凝土軸心拉壓、剪力墻端部暗柱中型鋼、剪力墻內鋼板的強度標準值；

Aa、Asp剪力墻端部暗柱中型鋼、剪力墻內鋼板的截面面積。

2.4 中震彈性設計和中震不屈服設計內涵

（1） 中震彈性設計[4]～[7]

1）不考慮風荷載參與地震組合

2）不考慮與抗震等級有關的增大系數，即內力調整系數取為1.0(抗震等級改為4 級)

3）其余分項系數均保留

4）地震影響系數按小震的2.8 倍取值(PKPM 中直接修改該參數)

(2)中震不屈服設計[4]～[7]

1)不考底風荷載參與地震組合，

2)不考慮與抗震等級有關的增大系數，即內力調整系數取為1.0。(勾選按中震不屈服做結構設計，程序自動實現)

3)不考慮荷教分項系數，即荷載分項系數取1.0。(PKPM 中直接修改該參數)

4)不考慮承載力抗震調整系數，即抗震調整系數取1.0。(勾選按中震不屈服做結構設計，程序自動實現)

5)材料強度中震時為標準值(勾選按中震不屈服做結構設計，程序自動實現混凝土的強度，但鋼筋及鋼材強度要手動修改)，大震時為極限值

3 抗震性能化設計方法

結構抗震性能設計主要三個步驟，即:分析結構方案的特殊性，選用結構抗震性能目標、采取抗震性能設計措施。

3.1 方案分析

結構方案的分析，首先判斷結構是否需要采用抗震性能化設計方法，即主要分析房屋規則性、場地條件、高度、結構類型和抗震設防標準五個方面的要求，并根據分析結果選用性能目標。

3.2 目標的確定

結構抗震性能目標分A、B、C、D 四級，目標選擇時需根據工程的特殊情況，由超限審圖專家、業主等商量確定，規范[1]將其總結如表1所示，供初步設計人員選擇結構抗震性能目標時參考。

表1 結構抗震性能目標[2]

3.3 水準的確定

綜合考慮結構抗震性能目標即A、B、C、D 四級以及地震三水準即多遇地震、設防烈度地震和罕遇地震，確定結構抗震性能1、2、3、4、5 五水準。

3.4 抗震性能化設計措施

完成結構類型分析，確定抗震性能目標及抗震性能后，按照表格2 選擇對應的設計措施。

表2 構件性能設計措施

中震2公式1彈性公式1彈性公式1彈性公式1 彈性公式2 不屈服 公式1 彈性 公式1彈性公式1彈性——大震3公式2不屈服公式1彈性公式2不屈服公式1 彈性 可屈服 公式2 不屈服 公式2、3不屈服公式1彈性滿足彈塑性層間位移角限制小震1公式1彈性公式1彈性公式1彈性公式1 彈性公式1 彈性 公式1 彈性 公式1彈性公式1彈性滿足彈性層間位移限值 C 中震3公式2不屈服公式1彈性公式2不屈服公式1 彈性 可屈服 公式2 不屈服 公式2、3不屈服公式1彈性——大震4公式2不屈服公式2不屈服部分可屈服公式4、5保證抗剪截面 部分可屈服 可屈服 公式2、3不屈服公式2、3不屈服滿足彈塑性層間位移角限制震1公式1彈性小公式1彈性公式1彈性 公式1 彈性 公式1 彈性 公式1彈性公式1彈性滿足彈性層間位移限值 D 中震4公式2不屈服公式2不屈服部分可屈服公式4、5保證抗剪截面 部分可屈服 可屈服 公式2、3不屈服公式2、3不屈服——大震5公式2不屈服公式2不屈服部分可屈服公式4、5保證抗剪截面 部分可屈服 可屈服————滿足彈塑性層間位移角限制

4 結語

1.抗震性能化設計時，首先確定目標、其次確定性能水準、最后按照表2采取措施；

2.中震彈性設計與小震彈性設計區別是前者忽略與抗震等級有關的內力增大系數；

3.中震彈性設計，保留了荷載分項系數，取消內力調整的經驗系數，即保留了結構的安全度和可靠度，中震不屈服設計則去掉了所有安全度。

4.按照表格1 確定抗震性能設計措施時，正確區分構件類型及性能標準。