【结构设计】几个要点掌握结构抗震性能设计

几个要点掌握结构抗震性能设计
结构抗震性能化设计已经成为日常设计不可或缺的一部分内容，抗震规范与高规都对这部分有专门的介绍，主要是关注设防烈度地震和罕遇地震作用。

关于结构性能评估内容均是基于整体层面和构件层面。

建筑抗震设计规范（简称抗震规范）附录M对结构性能采用层间位移角控制；对构件性能分为性能1~4四种工况，分别对应弹性1（考虑地震效应调整）；弹性2（不考虑地震效应调整）；不屈服；极限承载力。

高层混凝土结构设计规程（简称高规）中对结构划分为四个性能目标A、B、C和D。

每个性能目标分别包含结构在小震、中震和大震下的性能状态和损伤程度。

整体层面是关注结构层间位移角，以及更具经验的剪重比；构件层面分别为关键构件、普通竖向构件以及耗能构件的性能状态，及性能状态分布。

现常见的关注点还有构件屈服的次序及塑性分布、塑性铰部位钢筋或钢材受拉塑性应变、混凝土受压损伤程度、结构薄弱部位及结构承载力下降比例等。

高规的抗震性能设计相当于操作细则，抗震规范类似总纲。

为理清性能化设计，性能目标、构件层面以高规的内容为主、整体层面以抗震规范为主（注：高规暂无该部分内容）。

一、四个性能目标A、B、C和D
（一）性能目标要求
A、B、C、D四级性能目标的结构，在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；在中震或大震作用下，四种性能目标所要求的结构抗震性能水准有较大的区别。

A级性能目标是最高等级，中震作用下要求结构达到第1抗震性能水准，大震作用下要求结构达到第2抗震性能水准，即结构仍处于基本弹性状态；
B级性能目标，要求结构在中震作用下满足第2抗震性能水准，大震作用下满足第3抗震性能水准，结构仅有轻度损坏；
C级性能目标，要求结构在中震作用下满足第3抗震性能水准，大震作用下满足第4抗震性能水准，结构中度损坏；
D 级性能目标是最低等级，要求结构在中震作用下满足第4抗震性能水准，大震作用下满足第5性能水准，结构有比较严重的损坏，但不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。

（二）性能目标确定范例
A 级性能目标：特别不规则的、房屋高度超过
B 级高度很多的高层建筑或处于不利地段的特别不规则结构；
B 级性能目标：房屋高度超过B 级高度较多或不规则性超过本规程适用范围很多时；
C 级性能目标：房屋高度超过B 级高度较多或不规则性超过本规程适用范围很多（或较多）时、房屋高度超过A 级高度或不规则性超过适用范围较少时；
D 级性能目标：房屋高度超过A 级高度或不规则性超过适用范围较少时；
结构方案中仅有部分区域结构布置比较复杂或结构的设防标准、场地条件等特殊性，使设计人员难以直接按本规程规定的常规方法进行设计时，可考虑选用C 级或D 级性能目标。

二、整体性能目标
抗震规范3.10条、附录M 对不同性能状态的层间位移给出参考，如下表所述。

表中数字编号对应不同的结构体系，字母编号对应不同的损伤状态，表中数值为各自结构体系下不同损伤程度对应的层间位移限值，△ue 为弹性限值，△up 为弹塑性限值。

将表1用图1表达。

名称完好轻微破坏I
中度破坏II
不严重破坏III 倒塌IV 结构体系编号△ue 1/4（△ue+△up）1/2（△ue+△up）0.9△up △up 框架
1△ue 3△ue 6△ue 10△ue 11△ue 框架-抗震墙板柱-抗震墙框架-核心筒2△ue 2.25△ue 4.5△ue 7.2△ue 8△ue 钢筋混凝土抗震墙、筒中筒
3△ue 2.33△ue 4.67△ue 7.5△ue 8.3△ue 多、高层钢结构4△ue 1.5△ue
3△ue
4.5△ue 5△ue 抗规条文说明5△ue (1.5~2)△ue (3~4)△ue <0.9△up >△up 附录M
6
△ue
2△ue
4△ue
0.9△up
△up
表1不同结构体系下对应的各类损伤对应的层间位移角关系
图1各结构体系不同损伤程度对应的层间位移状态
三、构件层面
构件层面考察，有几个方面内容，首先需要理清构件在整体结构扮演的角色，如关键构件、普通竖向构件和耗能构件；需要明确不同重要程度构件需要满足的性能状态，以内力和抗力为衡量参数。

(1)构件重要程度区别
关键构件：底部加强部位的重要竖向构件、水平转换构件及与其相连竖向支承构件、大跨连体结构的连接体及与其相连的竖向支承构件、大悬挑结构的主要悬挑构件、加强层伸臂和周边环带结构的竖向支承构件、承托上部多个楼层框架柱的腰桁架、长短柱在同一楼层且数量相当时该层各个长短柱、扭转变形很大部位的竖向(斜向)构件、重要的斜撑构件等普通竖向构件：除了关键构件之外的竖向构件；
耗能构件：框架梁、连梁和楼板
(2)构件需要满足的性能状态
高规中对结构性能分为A~D四个目标，这四个目标对应的构件层面有5种性能目标，依次为性能目标1~5。

下面对这五种构件性能目标分各重要构件查看其需满足的内力和抗力要求。

构件性能目标关键构件竖向构件耗能构件
抗剪抗弯抗剪抗弯抗剪抗弯
性能目标1a a a a a a
性能2a a a a a b
性能3a b a b b C
性能4b b b c h d
性能5b b h d h e
a基本弹性：完好
b不屈服：基本完好
c部分屈服：轻度破坏
d大部分屈服：破坏
e极限限制承载力
h截面条件
四、小结
结构性能化设计的重点是深入的计算分析和工程判断，找出结构有可能出现的薄弱部位，提出有针对性的抗震加强措施，分析论证结构可达到预期的抗震性能目标。

一般需要进行如下工作：
1)分析确定结构超过本规程适用范围及不规则性的情况和程度；
2)认定场地条件、抗震设防类别和地震动参数；
3)深入的弹性和弹塑性计算分析(静力分析及时程分析)并判断计算结果的合理性；
4)找出结构有可能出现的薄弱部位以及需要加强的关键部位，提出有针对性的抗震加强措施；
5)必要时还需进行构件、节点或整体模型的抗震试验，补充提供论证依据，例如对本规程未列入的新型结构方案又无震害和试验依据或对计算分析难以判断、抗震概念难以接受的复杂结构方案；
6)论证结构能满足所选用的抗震性能目标的要求。