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结构抗震性能设计-解读 结构抗震性能设计解读 引言：我国建筑抗震设计主要以下三部分组成：一、规范限定的适用条件；二、结构和构件的计算分析；三、结构和构件的构造要求。对于一个新建建筑物的抗震设计，当满足以上三部分要求时，就是符合规范的设计；当不满足第一部分要求时，就被称为?超限?工程，需 要采取比规范第二、三部分更严格的计算和构造，以证明该建筑可以达到抗震设防目标，即?小 震不坏，中震可修，大震不倒?。近年来，随着结构抗震性能设计理论的应用，它实现了结构抗震设计从宏观性的目标向具体量化的多重目标过度。结构抗震性能设计是一种解决?超限?工程抗震设计的基本方法。 结构抗震性能设计定义：以结构抗震性能目标为基准的结构设计方法。抗震性能设计是解决复杂结构抗震设计问题的基本方法，常用于复杂结构、超限建筑工程的结构设计中，结构抗震性能设计着重于通过现有手段（计算措施及构造措施），采用包络设计方法，解决工程设计中的复杂问题。 结构抗震性能设计特点：使抗震设计从宏观性的目标向具体量化的多重目标过度，业主和设计师可以选择所需的性能目标；抗震设计中更强调实施性能目标的深入分析和论证，通过论证可以采用现行规范或标准中还未明确规定的新结构体系、新技术、新材料；有利于针对不同抗震设防要求、场地条件及建筑的重要性采用不同的性能目标和抗震措施。 地震作用：由于建筑结构抗震设计是一个十分复杂的问题，有许多难点，例如：地震地面运动的不确定性；抗震设防水准及对地震作用的预估；地震作用下结构反应分析的正确性；对影响结构抗震性能因素的认识及所采取措施的有效性等。当前世界各国的建筑抗震设计主要采用以下两种方法。 拟静力法- - - 加速度反应谱法。它将影响地震作用大小和分布的各种因素通过加速度反应谱曲线予以综合反映，建筑结构抗震设计时利用反应谱得到地震影响系数，进而得到作用于建筑物的拟静力的水平地震作用。目前此方法接受度比较高，且适合于大多数建筑。此理论虽接受度比较高，也比较适合，但仍存在一些问题。加速度反应谱法的不足。一、反应谱虽然考虑了结构动力特性所产生的共振效应，但在设计中仍然把地震惯性力按照静力来对待，所以反应谱理论只是一种准动力理论；二、地震动的三要素是振幅、频谱和持续时间，在制作反应谱过程中只考虑了地震动的前两个要素振幅和频谱，未能反映地震动持续时间对结构破坏程度的重要影响；三、应谱是根据弹性结构地震反应绘制的，只能笼统地给出结构进入弹塑性状态 的结构整体最大地震反应，不能给出结构地震反应的全过程，更不能给出地震过程中各构件进入弹塑性变形阶段的内力和变形状态，因而也就无法找出结构的薄弱环节。 直接动力法- - - 时程分析法。此方法根据建筑物所在地区的基本烈度、设计分组的判断估计、建筑物所在场地的类别，选择适当数量的比较适合的地震地面运动加速度的记录或人工模拟合成波等时程曲线，通过数值积分求解运动方程，直接求出建筑结构在模拟的地震运动全过程中的位移、速度和加速度的响应，进而进行建筑结构的抗震设计。这种发方法适用于特别重要、特别不规则的建筑及超高层建筑。时程分析注意事项，一、频谱特性相符，所选多组地震波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响曲线在统计意义上相符。 二、计算结果相近，弹性时程的分析结果应与振型分解反应谱法所的结果相近。三、有效峰值和持续时间，加速度的有效峰值按建筑抗震设计规范表512?2 中所列地震加速度最 大值采用，即以地震影响系数最大值除以放大系数( 约2. 25) 得到；有效持续时间一般从首次达到该时程曲线最大峰值的10那一点算起，到最后一点达到最大峰值的10为止；不论是实际的强震记录还是人工模拟波形，有效持续时间一般为结构基本周期的( 510) 倍且不小于15 秒。 性能目标：结构抗震性能设计的基本思路是：?高延性，低弹性承载力?或?低延性，高弹性承载力?。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估为基础。受限于地震研究的现状，应与提高结构或构件的变形能力并同时提高抗震承载力作为抗震性能设计的首选。 根据建筑抗震设计规范和高层建筑混凝土结构技术规程中相关条文规定，结构抗震性能目标分为A、B、C、D 四个等级, 结构抗震性能分为1、2、3、4、5 五个水准。每个性能目标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相对应，详见表一。结构抗震性能水准可按表二进行宏观判断。 表一结构抗震性能目标 G GE Eh Ev d 表二 各性能水准结构预期的震后性能状况 由表一、表二可知A 、B 、C 、D 四级抗震性能目标的结构，应满足下列要求。 1、在多遇地震（小震）作用下均应满足第 1 抗震性能水准，即满足弹性设计要求。 2、在中震和大震作用下，四种性能目标所要求的结构抗震性能水准有较大差别。其中 A 级抗震性能目标是最高等级，D 级抗震性能目标是最低等级。 3、构抗震性能设计应分析结构方案的特殊性、选用适宜的结构抗震性能目标, 并采取满 足预期的抗震性能目标的措施。结构抗震性能目标应综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等各项因素选定。在实际工程中， 需综合各项因素。性能目标选用时，一般需要征求业主和有关专家的意见。 性能设计：不同抗震性能水准的结构可按下列规定进行设计。 1、第 1 性能水准的结构, 应满足弹性设计要求。在多遇地震作用下, 其承载力和变形应符合高层建筑混凝土结构技术规程中有关规定; 在设防烈度地震作用下, 结构构件的抗震承载力应符合下式规定。 S + S * + S * R / ( 3. 11. 3- 1) 式中: R d 、RE - 分别为构件承载力设计值和承载力抗震调整系数 S GE 、G - 分别为重力荷载代表值的效应和重力荷载分项系数 Eh 、Ev - 分别为水平地震分项系数和竖向地震分项系数 Ehk Evk RE S* 、S* - 分别为水平地震作用标准值的构件内力和竖向地震作用标准值的Ehk Evk 构件内力。均不需要考虑与抗震等级有关的增大系数第1 性能水准的结构主要考察结构在中震下的抗震性能，即要求全部构件的正截面承载力和抗剪承载力均应满足?中震弹性?要求。由于规范中未提出大震承载力基本弹性要求，主要着眼于通过提高结构的变形能力来提高结构的抗震性能，并适当提高构件的抗震承载力，推 迟结构进入弹塑性工作阶段以减少弹塑性变形。因此，抗震性能化设计中不提出过高的抗震承 载力要求。 2、第2 性能水准的结构, 在设防烈度地震或预估的罕遇地震作用下, 关键构件及普通竖向构件的抗震承载力宜符合式( 3. 11. 3- 1) 的规定; 耗能构件的受剪承载力宜符合式( 3. 11. 3- 1) 的规定, 其正截面承载力应符合下式规定。 +S*Ehk+0. 4S*EvkR K( 3. 11. 3- 2) S GE 式中: R k - 截面承载力标准值, 按材料强度标准值计算 第2 性能水准的结构主要考察结构在中震或大震下的抗震性能，其设计要求与第1 性能水准结构的差别是，在设防烈度地震和预估的罕遇地震作用下，框架梁、剪力墙连梁等耗能构件的正截面承载力（抗弯承载力）只需要满足式( 3. 11. 3- 2) 的要求，即满足?屈服承载力设 计?要求。 3、第3 性能水准的结构应进行弹塑性计算分析。在设防烈度地震或预估的罕遇地震作用 下, 关键构件及普通竖向构件的正截面承载力应符合式( 3. 11. 3- 2) 的规定, 水平长悬臂结构和 大跨度结构中的关键构件正截面承载力尚应符合式( 3. 11. 3- 3) 的规定, 其受剪承载力宜符合 式( 3. 11. 3- 1) 的规定; 部分耗能构件进入屈服阶段, 但其受剪承载力应符合式( 3. 11. 3- 2) 的 规定。在预估的罕遇地震作用下, 结构薄弱部位的层间位移角应满足高层建筑混凝土结构技 术规程中第3. 7. 5 条的规定。 S GE+0. 4S*Ehk+S*EvkR K( 3. 11. 3- 3) 第3 性能水准的结构主要考察结构在中震或大震下的抗震性能，允许部分框架梁、剪力墙连梁等耗能构件进入屈服阶段，竖向构件及关键构件承载力应满足式( 3. 11. 3- 2) 的要求，即满足?屈服承载力设计?要求。整体结构进入弹塑性状态，应进行弹塑性分析。 4、第4 性能水准的结构应进行弹塑性计算分析。在设防烈度或预估的罕遇地震作用下, 关键构件的抗震承载力应符合式( 3. 11. 3- 2) 的规定, 水平长悬臂结构和大跨度结构中的关键构 件正截面承载力尚应符合式( 3. 11. 3- 3) 的规定; 部分竖向构件以及大部分耗能构件进入屈服 GE Ek ck 0 阶段, 但钢筋混凝土竖向构件的受剪截面应符合式 ( 3. 11. 3- 4) 的规定, 钢- 混凝土组合剪力墙 的受剪截面应符合式 ( 3. 11. 3- 5) 的规定。在预估的罕遇地震作用下, 结构薄弱部位的层间位移 角应符合高层建筑混凝土结构技术规程中第 3. 7. 5 条的规定。 V +V * 0. 15f bh ( 3. 11. 3- 4) （V GE +V * Ek ）- （0. 25f ak A a +0. 5f spk A sp ）0. 15f ck bh 0 ( 3. 11. 3- 5) 式中: V GE - 重力荷载代表值作用下的构件剪力( N) V * Ek- 地震作用标准值的构件剪力( N) , 不需考虑与抗震等级有关的增大系数 f ck - - - - 混凝土轴心拉压强度标准值 ( N/ mm 2) f ak - - - - 剪力墙端部暗柱中型钢的强度标准值 ( N / mm 2 ) A a - - - - 剪力墙端部暗柱中型钢的截面面积 ( mm 2) f spk - 剪力墙墙内钢板的强度标准值( N/ mm 2) A sp - - - - 剪力墙墙内钢板的截面面积 ( mm 2) 第 4 性能水准的结构主要考察结构在中震或大震下的抗震性能，关键构件承载力仍应满 足式（3. 11. 3- 2）的要求，即满足? 屈服承载力设计? 要求。允许部分竖向构件及大部分框架 梁、剪力墙连梁等耗能构件进入屈服阶段，但构件的受剪截面应满足截面限制条件（防止构件发生脆性受剪破坏的最低要求）。结构的抗震性能必须通过弹塑性计算加以深入分析。 5、第 5 性能水准的结构应进行弹塑性计算分析。在预估的罕遇地震作用下, 关键构件的 抗震承载力宜符合式 ( 3. 11. 3- 2) 的规定; 较多的竖向构件进入屈服阶段, 但同一楼层的竖向构 件不宜全部屈服; 竖向构件的受剪截面应符合式 ( 3. 11. 3- 4) 或( 3. 11. 3- 5) 的规定; 允许部分耗能构件发生比较严重的破坏; 结构薄弱部位的层间位移角应符合高层建筑混凝土结构技术规程中第 3. 7. 5 条的规定。 第 5 性能水准的结构主要考察结构在大震下的抗震性能。与第 4 性能水准结构的差别在 于允许比较多的竖向构件进入屈服阶段，并允许部分耗能构件（框架梁、连梁等）发生比较严重的破坏。结构的抗震性能必须通过弹塑性计算加以深入分析。尤其避免同一楼层的全部竖向构件进入屈服并宜控制整体结构的承载力不发生下降。如整体结构的承载力发生下降，也应控 制下降幅度不超过 5%。 中震、大震时计算方法： 1、构件总体上处于开裂阶段或刚刚进入屈服阶段（对应第 3 性能水准）。可采用等效刚度和等效阻尼，按等效线性方法估算，即采用振型分解反应谱法计算地震层间剪力、进行地震 作用效应的调整，计算竖向构件及关键部位构件的组合内力等。计算中应注意以下几点：（1）采用中震或大震时的水平地震影响系数最大值；（2）中震和大震时，适当考虑结构阻尼的增大，增加值一般不大于0. 02；（3）采用构件的等效刚度，考虑框架梁和连梁刚度折减，框架梁刚度可不放大，连梁刚度折减一般不小于0. 3；（4）计算时不考虑抗震等级的影响；（5）实际工程中，根据不同部位抗震性能目标和结构、构件弹塑性程度的不同，可采用分部位、分区域进行分析计算，对不同部位的结构构件分别设计。 2、构件总体上处于承载力屈服至极限阶段（对应第4 性能水准）。宜采用静力或动力弹塑性分析方法估算。 3、构件总体上处于承载力下降阶段（对应第5 性能水准）。应采用计入下降阶段参数的动力弹塑性分析分析方法估算。采用静力或动力弹塑性分析方法，主要在于发现结构在中震和大震下的承载力和变形规律，适合于对结构整体性能的把握，属于对结构的验证方法。 4、静力弹塑性分析方法（常用能力谱法）通过比较简单的分析，可以了解构件的破坏过程、传力途径的变化、结构破坏机构的形成、设计中的薄弱部位等，还可以比较简单的确定结构在地震作用下的目标位移和变形需求，以及相应构件和结构的能力水平等。 5、动力弹塑性分析方法。一种基于结构动力方程的数值方法，可以得到结构在地震作用下的各时刻各质点的位移、速度、加速度和构件内力，给出结构开裂和屈服的顺序，发现应力和变形集中的部位，获得结构的弹塑性变形和延性要求，依此判断结构的屈服机制、薄弱部位和可能的破坏类型等。动力弹塑性分析方法计算时地震波的选取要符合规范中相关要求。 结语：在结构抗震设计中应注重概念设计，轻精度计算；应重视结构的选型和平面、立面布置的规律，加强构造措施，优先选择抗震性能较好且经济合理的结构体系。在抗震设计时，应保证结构的整体抗震性能，使整体结构具有必要的承载力、刚度和延性。 参考文献 JGJ 3- 2022 高层建筑混凝土结构技术规程北京：中国建筑工业出版社，2022. 朱炳寅. 高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析. 北京：北京建筑工业出版社，2022. 徐培福. 傅学怡等. 复杂高层建筑结构设计. 北京：北京建筑工业出版社，2022. 韩小雷. 季静. 基于性能的超限高层建筑结构抗震设计?理论研究与工程应用，中国建筑工业出版社，2022.