高層住宅工程抗震性能化設(shè)計(jì)

（身份證號511526198401260013， 四川 成都 610000）

1 性能化設(shè)計(jì)的提出

長期以來，各國的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用三水準(zhǔn)抗震設(shè)防指標(biāo)。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(shè)計(jì)師無法掌握破壞損失，其二地震是隨機(jī)現(xiàn)象，預(yù)期的設(shè)防可能失效。其三，業(yè)主對有更高的設(shè)計(jì)期望。

20世紀(jì)90 年代美國人提出基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)（performancebasedseismic design 簡稱PBSD）概念。2010版的抗規(guī)將抗震設(shè)計(jì)分為基本目標(biāo)和性能目標(biāo)兩大類。基本目標(biāo)為性能化設(shè)計(jì)雛形，為最基本的要求，必須達(dá)到；性能化目標(biāo)針對到具體的每個工程，以當(dāng)代經(jīng)濟(jì)技術(shù)的可能條件，提出具體、定量的量化目標(biāo)?！禞GJ3-2010》的抗震性能設(shè)計(jì)相當(dāng)于操作細(xì)則，《抗規(guī)》類似總綱。

1.1 性能目標(biāo)的理解

對于受力體：具體工程，可以對整個結(jié)構(gòu)，也可以對某些部位或關(guān)鍵構(gòu)件（如底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻，框支柱等）設(shè)定應(yīng)該達(dá)到的破壞（彈性極限或者塑性極限）和變形（水平位移或者轉(zhuǎn)角）的定量極限。對于外力：未來遇到地震效應(yīng)，首先必須估計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)可能的各種水準(zhǔn)，就是規(guī)范中所指的三水準(zhǔn)，即小震，中震，大震。但性能化設(shè)計(jì)中還當(dāng)考慮近場效應(yīng)的影響?！犊挂?guī)》認(rèn)為，處于發(fā)震斷裂2 側(cè)10 公里以內(nèi)的結(jié)構(gòu)，地震動參數(shù)（幅值、頻率特性和持續(xù)時間）應(yīng)當(dāng)計(jì)入近場影響，5 公里以內(nèi)放大1.5 倍，以外放大1.25 倍以上，從而對地震效應(yīng)的上限有一定提高（可靠度更高）。實(shí)際上也是考慮到具體結(jié)構(gòu)的具體形式作出的更個性化的提高。性能目標(biāo)不再是一個籠統(tǒng)的概念，而是對構(gòu)件破壞狀態(tài)以及破壞后的繼續(xù)使用性都是可以量化。據(jù)此，在充分考慮地震破壞可能性上，根據(jù)業(yè)主需要和結(jié)構(gòu)破壞后的損失，合理的對破壞狀態(tài)和功能性保留作出高于三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)設(shè)置。

1.2 性能化量化指標(biāo)

實(shí)際操作性能化設(shè)計(jì)時，需要三個要素兩個必要性，三要素是指設(shè)計(jì)者必須提前布局：合理的結(jié)構(gòu)模型，恰當(dāng)?shù)姆治龇椒ㄟM(jìn)行受力分析，代表性的表述性能目標(biāo)的變量（具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)）。兩個必要是指，選取的指標(biāo)必須合理具體，這些指標(biāo)必須能控制結(jié)構(gòu)或者關(guān)鍵部位的承載力，變形能力；選取的指標(biāo)必須可以根據(jù)不同的地震作用而相應(yīng)改變（其實(shí)也是從受體和外力2 個方面來實(shí)現(xiàn)）。具體的推薦參數(shù)如下：變形微觀，如應(yīng)變，截面曲率；宏觀位移，如：構(gòu)件端部轉(zhuǎn)角，層間位移、頂點(diǎn)位移；力，如底部剪力；延性系數(shù)，能量耗散指標(biāo)（較難實(shí)現(xiàn)，關(guān)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(biāo)，延性系數(shù)指標(biāo)，位移指標(biāo)，能量耗散指標(biāo)。

（1）承載力指標(biāo)，國內(nèi)規(guī)范已經(jīng)全面應(yīng)用，比如小震不壞，中震可修，大震不倒。對于性能化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可以具體按照抗震規(guī)范表M.1.1-1 使用。

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

（3）位移指標(biāo)，最為各國認(rèn)可的就是層間位移角，比如，結(jié)構(gòu)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(biāo)對于同一種材料的建筑物是可信的，是很有潛力應(yīng)用的一種性能指標(biāo)。

1.3 性能目標(biāo)的確定

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

2 抗震性能設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用

抗震性能設(shè)計(jì)貫穿于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的始終，我們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的許多工作其實(shí)就是抗震性能設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容，此處舉例說明如下：

2.1《抗震規(guī)范》中的三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)，就是一種性能目標(biāo)。明確要求大震下不發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞即“大震不倒”，就是最基本的抗震性能目標(biāo)；

2.2 對起疏散作用的樓梯，提出采取加強(qiáng)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(biāo)和性能要求；

2.3 對特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)、復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)、根據(jù)具體情況對抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的水平構(gòu)件和豎向構(gòu)件提出相應(yīng)的性能目標(biāo)要求，提高結(jié)構(gòu)或關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)的抗震安全性；對水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，為確保大震下自身及相關(guān)構(gòu)件的安全提出大震下的性能目標(biāo)等，如：

（1）對框支柱按“中震”設(shè)計(jì)。由于框支柱承托上部結(jié)構(gòu)，為重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因此按“中震”彈性或“中震”不屈服設(shè)計(jì)。對應(yīng)的性能目標(biāo)就是在設(shè)防烈度地震狀態(tài)。

（2）重要結(jié)構(gòu)的門廳柱按“中震”設(shè)計(jì)。由于門廳柱數(shù)層通高，且作為上部樓層豎向荷載的主要支撐構(gòu)件，屬于重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因此按“中震”彈性或“中震”不屈服設(shè)計(jì)。

（3）對錯層處的錯層框架柱和錯層剪力墻按“中震”設(shè)計(jì)。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(dān)很多的地震作用。因此，需要適當(dāng)提高錯層框架柱及錯層剪力墻的承載力，滿足強(qiáng)剪弱彎要求并采取更嚴(yán)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(shè)計(jì)。

（4）對水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件按“大震”不屈服設(shè)計(jì)。由于轉(zhuǎn)換構(gòu)件承托上部結(jié)構(gòu)重量，為重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因此，常需要按”大震”不屈服設(shè)計(jì)，并應(yīng)采用在重力荷載下不考慮上部墻體共同作用的計(jì)算模型復(fù)核。

（5）對承受較大拉力的樓面梁按“中震”設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)。

（6）對少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)考慮框架和剪力墻協(xié)同工作，計(jì)算的彈性層間位移角不滿足規(guī)范對框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的位移限值時，應(yīng)按照抗震性能設(shè)計(jì)的要求。

3 結(jié)語

高層住宅的抗震性能化設(shè)計(jì)工作中，依據(jù)差異化的性能需求構(gòu)件承載力驗(yàn)算方程，劃分成設(shè)計(jì)值復(fù)核，標(biāo)準(zhǔn)值復(fù)核以及極限值復(fù)核。在設(shè)計(jì)過程中，針對中震和大震的性能化設(shè)計(jì)就不考慮地震效應(yīng)和風(fēng)荷載效應(yīng)的結(jié)合。在運(yùn)用規(guī)范表達(dá)式對其進(jìn)行表達(dá)時尤其是要提升對分項(xiàng)系數(shù)材料強(qiáng)度值的重視程度。

性能化設(shè)計(jì)的重中之重是精準(zhǔn)判定出高層住宅結(jié)構(gòu)可能的脆弱部位，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是判斷結(jié)構(gòu)可能的薄弱部位，從而采取合理的措施對其進(jìn)行強(qiáng)化，使高層住宅建筑能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)的抗震性能指標(biāo)。具體的實(shí)施步驟如下：（1）分析確定結(jié)構(gòu)超過《高規(guī)》適用范圍及不規(guī)則性的情況和程度；（2）分析施工場地狀況、建筑需要達(dá)到的抗震性能級別以及地震的相關(guān)參數(shù)；（3）計(jì)算分析，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和分析；（4）尋找出建筑最有可能的薄弱結(jié)構(gòu)，并提出科學(xué)合理的措施來進(jìn)行加強(qiáng)。（5）如果有必要，在實(shí)際工作中還應(yīng)該對一些關(guān)鍵部位實(shí)施模擬抗震試驗(yàn)，以便于確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

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[3]袁方.基于性能的超限框架-核心筒結(jié)構(gòu)的抗震性能分析與設(shè)計(jì)[D].青島理工大學(xué), 2015.