建筑結構抗震性能化設計

張麗

（廣東省建科建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510000）

1 概述

建筑是滿足人們生活、生產的空間。對于個人，建筑提供了一個抵御自然災害與惡劣環境的居所、提供一個宜居的環境、豐富了精神世界；對于社會，建筑標準化工業化提高了生產效率、提供了精神約束與引導、提供了人類社會活動的場地基礎等。因此，建筑質量與人們的生命安全、財產安全及文化傳承有著直接的聯系。

中國處于亞歐板塊與太平洋地震帶的交界處，地震活動有著震級等級強度大、范圍廣、頻率高的特點。地震發生具有偶然性，具體什么時候發生，目前還沒有技術能夠準確地預測到。如果地震發生，建筑物受到地震的破壞是巨大的，它會造成財產和人員的損失。因此，抗震設計是結構設計中的關鍵組成部分，也是結構設計整個設計過程的重點?！督ㄖ拐鹪O計規范》中提到，“由于地面運動的不確定性、地震的破壞效應和結構地震破壞機制的復雜性，以及結構計算模型的假設與實際存在不同的情況，至此，根據規定的地震作用對結構進行抗震驗算，無論計算理論和計算工具發展到什么程度，計算方法有多嚴格，但是計算結果總是相對粗略的估計”。雖然目前國內的抗震設計驗算結果比較粗略，但從工程災害的角度來看，這種抗震驗算是科學有效的，要重視。其既提高了建筑物的抗震能力，同時又保障了人民群眾的生命財產安全。

2 抗震設計

2.1 抗震概念設計

由于地震作用的不確定性以及自身的一些復雜因素，使得結構計算難以完全反映真實的地震運動和結構在地震中的反應。因此根據實際震害和工程經驗、科學和試驗研究等形成基本設計原則和設計理念，建筑物和構筑物的總體布局和詳細結構應做好準備，避免不利于結構抗震的設計方案。結構設計應考慮結構體系選擇、場地選擇、建筑平面造型布局、建筑立面造型，細部設計做到強柱弱梁、強剪弱彎、樓梯抗震等。

抗震概念設計中選擇有利于抗震的建筑場地，是減輕地震災害的第一道工序。要求建筑物的選址應基于工程需要、地震活動、工程地質和地震地質，盡量選擇有利于建筑物抗震的位置，避開不利的危險地段。為減弱地面運動傳遞給上層建筑的地震破壞力，平均剪切波速較大的固體場地為首選，并且薄的場地土覆蓋層可以減少柔性建筑的地震損傷。

建筑物的動態性能基本上取決于建筑物的形狀和布局，科學的建筑形狀和布局可以增強建筑的抗震性能。因此，合理的建筑形狀和布局在抗震設計中至關重要。在抗震設計中平面和立面的簡單對稱是抗震性能最好。應采用規則的建筑平面、剛度變化均勻的立面和豎向剖面。應采用平面和立面的外形尺寸以及抗側向力構件規則布置、質量分布規則布置。當采用不規則建筑按相關規范進行加固，對特殊不規則建筑加強研究與論證必要時進行超限分析，采取特別的加強措施，不應使用嚴重不規則的建筑物。

結構體系抗震是抗震設計中的一個核心問題。結構體系應基于建筑的抗震設防類別、抗震設防烈度、建筑高度、場地條件、地基基礎、建筑材料及施工工藝技術，通過技術、經濟和使用條件等的綜合比較?？拐鹪O計要求結構體系有明確的傳力路徑、多道抗震防線、抗震承載能力、良好的變形能力、耗能能力、合理的剛度分布、合理的承載能力分布、規則的平面布置、均勻的立面布置等。

抗震設計中提高結構延性，增強結構的變形能力，防止地震作用下結構倒塌。結構良好的延性可以減弱地震對建筑物的作用，減少地震能量的傳遞，使建筑物不倒塌。構件破壞的形態和塑性化過程，決定了結構延性和耗能大小。受彎構件的延性遠遠大于受剪構件的延性，并且構件彎曲破壞需要的能量遠遠大于構件剪切破壞需要的。因此，設計遵循“強柱弱梁，強剪弱彎，強節點，弱錨固”的原則[1]。

2.2 抗震性能化設計

據我國《建筑抗震設計規范》和《高層建筑混凝土結構技術規程》的規定，對滿足規范適用條件的建筑結構采用“三水準，兩階段”的抗震設計方法，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準設防目標；第一階段為承載力和剛度，第二階段為通過罕遇地震下結構薄弱層（部位）彈塑性變形驗算及構造措施以滿足“大震不倒”的兩階段設計。

“三水準，兩階段”這是一項旨在確保人身安全的抗震設防標準。由于城市建設不斷發展，城市人口密度增加、城市設施建筑物日益復雜。單純的“三水準”抗震設防標準只能保證建筑物地震發生后不倒塌，沒有辦法保證建筑物繼續使用，無法減少經濟損失。因此，應該根據社會和業主對建筑抗震性能多層次需求，控制地震對建筑物和設備破壞程度，保證建筑經歷過地震后能恢復正常的生活生產功能，減少震害對于社會經濟帶來的損失。抗震設計中，要求建筑物抗震設防要高于或不低于“三水準，兩階段”的基本設防目標，滿足社會和業主對建筑抗震性能的要求。

建筑抗震性能化設計根據工程的具體情況，確定合理的抗震性能目標、采取恰當的計算和抗震措施，實現抗震性能目標的要求。抗震設防目標不得低于“三水準，兩階段”的設防目標?！陡邔咏ㄖ炷两Y構技術規程》（JGJ 3—2010）規定，結構抗震性能設計應分析結構方案高度、平立面規則性、結構體系、場地條件、建筑重要性等特殊性，選擇合適的結構抗震性能目標，并采取相應的抗震措施。結構的抗震性能目標分為四個級別：A、B、C、D（表1），結構的抗震性能分為五個水準：1、2、3、4、5（表2），每個性能目標對應于指定地震地面運動下的一組結構地震性能水準。不同的抗震性能目標，對結構構件的設計要求不同。小震不壞，所有構件處于彈性階段；中震大震根據不同性能水準構件處于彈性、不屈服、屈服或者破壞狀態。具體設計要求詳見表3[2-4]。

表1 結構抗震性能目標

表2 不同性能水平下結構的預期震后性能

表3 結構抗震性能目標

2.3 抗震概念設計與抗震性能化設計

抗震概念設計主要通過抗震措施和建筑的平面、立面和剖面規則、結構體系、內力調整、多道防線等讓建筑達到“三水準，兩階段”基本設防目標。

概念設計中不能直接驗算中震，通過設防烈度降低對建筑的彈性承載力和彈性變形驗算。用“規則性控制+彈性計算+內力調整+構造措施”，間接實現中震可修和大震不倒?？拐鸶拍钤O計中，大震不倒，不適用于要求震后連續使用的生命線工程，對超限工程也沒有具體設計方法。盡管根據建筑的重要性分為甲乙丙丁類，但彈性設計的本質沒變。傳統設計法是高延性大變形，盡管避免了倒塌保存了結構，但附屬設施破壞嚴重，對于使用功能不能中斷的建筑是不可行的。

對于復雜工程抗震性能設計是主要設計手段?？拐鹦阅茉O計目標是大于或等于最基本的抗震性能目標“三水準，兩階段”?，F行的“四目標，五水準”的性能設計具有多級性、全面性、靈活性的特點[5]。

多級性，性能設計對五個性能水準進行組合。要求不同構件在小震、中震和大震作用下結構性能不同。多級抗震性能設計可以有選擇性地控制建筑震后是否能夠繼續使用，控制地震造成的經濟損失。此外，非結構構件及其內部設施的損壞或破壞占經濟損失的非常大比例，在設計中也將進行綜合分析。

全面性，結構的性能目標選定，可不用直接選擇結構規范中的性能指標，可按照實際需要、業主要求和建筑經濟價值等方面的原因。通過科學論證選取合理的性能目標，這樣設計能夠預測在地震發生時建筑物的抗震能力和震后建筑的破壞程度。

靈活性，重要的參數有取值區間，如層間位移和地震作用，給設計者和業主提供了更大的靈活性。設計者能在滿足性能目標的基礎上有選擇地采用不同的設計方案。因此，有利于新材料和新技術的實際應用。

2.4 實現抗震性能目標

根據抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構類型和不規則，建筑使用功能和附屬設施功能的要求、投資大小、震后損壞和修復難易程度等，經技術及經濟可行性綜合分析和論證后確定。

由于房屋的重要性程度及建筑使用功能不同結構或結構構件的抗震設防目標不一致，按照具體情況具體分析，采取適當的抗震措施。根據工程的需要和可行性，可針對整個結構，也可針對部分或關鍵構件，靈活使用各種抗震措施，以實現預期的抗震性能目標，提高結構抗震能力，滿足使用功能要求?？紤]到強震作用下結構非線性分析方法計算模型選擇和參數的設置，目前還缺乏從強震記錄、設計和施工資料到實際震害的驗證，難以準確判斷結構性能。因此，性能目標的選擇應側重于安全考慮。

為了達到性能目標要求，需要構件達到在不同地震等級（中、大震）下的承載力、變形和結構等具體指標。設計中有兩種抗震的思路。第一種僅增加承載力時，安全性相應提高，但變形能力可能不滿足，即“高彈性，低延性”；第二種僅增加變形能力，結構在小中地震作用下的損壞程度不會發生變化，反而提高了結構在大地震作用下的抗倒塌能力，即“高延性，低彈性”。兩種設計思路各有優缺點，設計中往往側重于提高承載能力，推遲構件進入塑性工作階段。必要時需要提高剛度增加結構變形能力，可以根據結構及其構件在中震、大震下進入彈塑性的程度加以調整。

各項性能目標，為了保證結構的完整性，樓蓋體系必須有足夠安全的承載能力，在地震中樓板均處于彈性狀態。否則，應采取相應的措施。為了避免發生脆性破壞，要求“強柱弱梁，強剪弱彎，強節點，弱錨固”。性能目標中抗震構和混凝土抗震構造措施對應，“基本要求”對應四級抗震構造要求，低、中、高和特種延性要求對應三、二、一和特一級抗震等級構造要求。考慮到抗震的不確定性，設計中適當提高建筑延性。

抗震性能化設計就是在剛度、強度、變形能力和實現成本之間尋求最佳的平衡點。

3 結語

抗震設計是結構設計中重要一環，保證了建筑的安全性?？拐鸶拍钤O計和性能化設計是優勢互補，相得益彰，不是誰優誰劣，誰取代誰。目前，在非線性計算模型和參數的選擇中仍然存在經驗不足因素，并且難以準確地判斷結構性能，且相關設計經驗不多，基于性能的設計有效性缺乏從強震記錄、設計和施工數據到實際地震破壞的驗證，所以說抗震概念設計法依然是適用面最廣的可靠的抗震設計主流方法。