《建筑抗震設計規范》和《高層建筑混凝土結構設計規程》抗震性能化設計規定的分析對比

摘" 要" 《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010，2016版）和《高層建筑混凝土結構設計規程》（JGJ 3—2010）均有抗震性能化設計的規定且略有不同，工程師在執行中可不避免地產生困惑。本文分析兩本規范抗震性能化設計的規定，從荷載-位移曲線的角度闡述性能目標、性能水準的含義，并對比兩本規范的設計參數。列舉29個采用性能化設計方法的工程實例，分析位移指標的取值依據。根據上述兩方面分析，總結兩本規范性能化設計規定的不同點，并給出設計建議。

關鍵詞" 抗震性能化設計， 性能目標， 性能水準， 變形

收稿日期： 2023-06-14

* 聯系作者： 陳 嶸，男，講師，主要從事抗震設計研究。E-mail： 49264334@qq.com

Comparative Analysis of Seismic Performance-Based Design Provisions in Code for Seismic Design of Buildings and Technical Specification for Concrete Structures of Tall Building

CHEN Rong*

（Beijin University of Civil Engineering and Architecture， Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Civil Engineering Structure and Renewable Material， Beijing 100044， China）

Abstract" The code for Seismic Design of Buildings （GB 50011—2010， 2016 edition） and the Technical Specification for Concrete Structures of Tall Buildings （JGJ 3—2010） both have provisions for performance-based seismic design， albeit with slight differences. Engineers， in their execution， may inevitably encounter confusion due to these variations. This paper analyzes the provisions of both codes regarding seismic performance design， and explains the meanings of seismic performance objectives and seismic performance levels from the perspective of load-displacement curves. It also compares the design parameters of the two codes. By listing 29 engineering cases adopting performance-based design methods， this study analyzed the basis for determining displacement indicators. Based on the analyses of these two aspects， the differences in the specifications regarding performance-based design are summarized， and design recommendations are provided.

Keywords" performance-based seismic design， seismic performance objective， seismic performance level， displacement

0" 引" 言

抗震性能化設計由美國加利福尼亞結構工程師協會（SEAOC，1960）提出建議，并由波特蘭水泥協會（PCA，1961）發布了一份出版物。1964年Alaska地震、1971年San Fernando地震、1989年Loma Prieta地震和1994年Northridge地震的震害導致規范不斷修訂，震害表明美國抗震設計規范相對有效地保護了使用者的生命安全，但經濟損失巨大，因此需要確定性能目標說明經濟風險—破壞程度。1995年SEAOC編寫了《基于性能的建筑抗震工程》，1996年應用技術委員會（ATC）發布了《混凝土建筑抗震改造方法》（ATC 40），1997年聯邦緊急事務管理局（FEMA）制定的文件（FEMA 273）引入了性能化設計。之后，國際規范理事會（ICC）頒布了適用于建筑和設施的性能化規范（ICC 2003a）—一種完全基于性能的建筑規范。［1-2］

當研究不同性能化設計方法后可以發現，相同點遠多于不同點，它們的設計框架基本相同而具體參數有一些變化。《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010，2016版）［3］（簡稱《抗規》）和《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）［4］（簡稱《高規》）均有抗震性能化設計的規定，具體規定略有不同。本文結合性能化設計理論分析兩本規范規定，從荷載-位移曲線的角度梳理邏輯關系、分析對比，再依據工程實例給出設計建議。

1" 《抗規》抗震性能化設計分析

《抗規》3.10.3條指出抗震性能化設計的主要工作是確定性能目標、地震動水準和性能水準，選定建筑在不同地震動水準下的性能水準就是確定性能目標，它是對建筑經歷不同地震動水準后的破壞狀態或使用功能的預測。

1.1 性能目標和地震動水準

性能目標就是多遇地震、設防地震、罕遇地震（地震動水準）與不同性能水準（破壞狀態或使用功能的預期）的組合。《抗規》將性能目標劃分為4個級別，根據相關規定可把性能目標、地震動水準和性能水準三者關系總結為表1。

《抗規》3.10.3條1款規定了50年設計使用年限結構的“小震、中震、大震”計算參數，并對其他情況給出建議。

1.2 性能水準及指標

性能化設計是一種靈活的設計方式，可以由業主和工程師協商完成，為了讓兩者方便交流，又能明確結構在特定地震作用下的破壞狀態，需要兩類標準并能夠相互轉換。

（1） 對于非專業人員（業主）用定性的表達方法：完好、輕微、中等和嚴重破壞、倒塌等。

（2） 對于專業人員用定量的表述方法：承載力、位移、延性、耗能等。

《抗規》3.10.3條及附錄M給出①完好、②基本完好、③輕微損壞、④輕～中等破壞、⑤中等破壞、⑥接近嚴重破壞（不嚴重破壞）的定義，并以承載力、變形能力（位移）、延性構造三項指標給出各級性能水準的具體參數，這樣實現了不同表達方式之間的等效關系，這種關系可總結為表2。

表2中由上至下延性構造和變形能力逐步提高，而承載力逐步降低，各級性能水準的承載力和延性構造關系是：高承載力、低延性構造，低承載力、高延性構造。

1.3 性能水準、性能目標與荷載-位移曲線的關系

六級性能水準實質上是對結構或構件在地震作用下破壞狀態的劃分，也是對荷載-位移曲線的劃分，因此可用圖1表示。性能水準①～⑥表示結構或構件整個受力過程的某一階段，性能目標1～4表示結構或構件受力過程曲線的終點位置。需要說明，各性能目標曲線的豎向坐標即屈服荷載是變化的，圖中曲線代表一系列不同性能目標曲線。

1.4 彈塑性分析方法

《抗規》按照結構整體進入彈塑性程度的不同，給出不同的分析方法（圖2）：結構總體上處于開裂階段或剛剛進入屈服階段，可取等效剛度和等效阻尼按等效線性方法估算，AB段；結構總體上處于承載力屈服至極限階段宜采用靜力或動力彈塑性分析方法估算，BC段；結構總體上處于承載力下降階段應采用計入下降段參數的動力彈塑性分析方法估算，CD段。

2" 《高規》抗震性能化設計分析

《高規》3.11.1條指出，結構抗震設計主要工作是：分析結構方案；選用抗震性能目標；計算分析和工程判斷。地震動水準劃分服從《抗規》規定。

2.1 性能目標

《高規》3.11.1條將性能目標分為A、B、C、D四級，性能目標的劃分及要求見表3，表中編號1～5表示五級性能水準。

2.2 性能水準及指標

性能水準分為五級：1.完好、無損壞；2.基本完好、輕微損壞；3.輕度損壞；4.中度損壞；5.比較嚴重損壞。考慮到高層建筑各個構件作用不同，例如轉換梁比剪力墻連梁更重要，將構件分類并限定其破壞程度。構件分三類：關鍵構件——失效可能引起結構的連續破壞或危及生命的嚴重破壞；普通豎向構件——關鍵構件之外的豎向構件；耗能構件——框架梁、剪力墻連梁及耗能支撐等。與《抗規》類似，每級性能水準規定了承載力和位移要求。表4總結了《高規》性能水準的規定，表中小注所列公式編號見《高規》。

注：彈性—小震時常規設計，中震時符合式（3.11.3-1）；彈性*—滿足彈性層間側移角限值要求，3.7.3條；彈塑性—結構薄弱部位滿足彈塑性層間位移角限值要求，3.7.5條。不屈服—應符合式（3.11.3-2）；不屈服*—除滿足（3.11.3-2）外，還應滿足（3.11.3-3）；截面限制—混凝土構件應符合式（3.11.3-4），這是防止構件發生脆性受剪破壞的最低要求；宜不屈服—宜符合式（3.11.3-2）；較多屈服—同一樓層的普通豎向構件不宜全部屈服；性能水準4—整體結構的承載力不發生下降；性能水準5—整體結構的承載力下降幅度不超過10%。

《高規》3.11.3條條文說明指出，結構的抗震等級不宜低于本規程的有關規定，需要特別加強的構件可適當提高抗震等級，已為特一級的不再提高。這表明《高規》不按高承載力-低延性構造，低承載力-高延性構造的方法調整構造要求，而是提高了高層結構的安全儲備以應對地震的不確定性，也提高了造價。

2.3 性能水準、性能目標與荷載-位移曲線的關系

《高規》各級性能水準、性能目標也可以荷載-位移曲線表示，如圖3所示。

3" 《高規》與《抗規》抗震性能化設計對比

圖4表明，《高規》《抗規》抗震性能化設計的框架基本相同，四級性能目標、三級地震動水準。性能水準略有不同：《高規》性能水準分五級，表4表明位移限值僅分兩級：彈性限值（3.7.3條）和彈塑性限值（3.7.5條），抗震等級不宜降低，特別構件可適當提高；《抗規》性能水準分六級，表2表明位移限值分六級，延性構造隨承載力的提高而降低。

對比發現，《高規》要求抗震等級不宜降低，那么對應的構造要求也不降低，這點比《抗規》嚴格。《高規》位移限值僅分兩級，實際上僅對小震和大震進行控制，沒有中震的位移限值，這點沒有《抗規》嚴格。

4" 工程實例分析

表5統計了近期29個實際工程，性能化設計步驟基本按照圖4完成：根據結構的不規則性、復雜性確定性能目標→明確各地震動水準下構件的性能水準→驗算指標。

上述工程性能目標均為C或D級，部分工程未明確性能目標以“—”表示，實際設計參數處于C～D級之間。從位移指標來看，25項工程僅采用《高規》規定的小震、大震位移限值，4項工程規定了小震、中震、大震位移限值，中震限值引用《抗規》指標。彈塑性分析方法以Push-Over法為主，例如第1、8項工程采用Push-Over法給出傾覆曲線。

根據文獻［1-2］總結的性能化設計思想，當結構設計已基本保障生命安全后還應明確經濟風險。表5中25項工程未明確中震時的位移限值，應補充中震位移限值完善設計指標，且大震位移限值僅有一個指標《高規》3.7.5條，不夠靈活，沒有體現性能化設計是一種更高的要求。

5" 結論和建議

根據《抗規》、《高規》抗震性能化設計規定的分析對比和工程實例統計，給出如下結論和建議：

（1） 《抗規》性能水準的延性構造要求可隨著承載力的提高而降低，《高規》要求抗震等級不宜降低，特別構件可適當提高，《高規》要求更高。

（2） 《高規》沒有給出中震時的位移限值，無法明確中震后的破壞狀態，若設計時引用《抗規》中震位移限值作為設計指標，能更全面地控制結構在各地震動水準下的狀態。

（3） 《高規》大震位移指標只有一個，3.7.5條彈塑性位移角限值，若設計時引用《抗規》不同性能水準的位移限值能更好地控制大震破壞狀態。

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