浅析高层建筑结构设计的中震设计概念

浅析高层建筑结构设计的中震设计概念

摘要：对于普通建筑物的结构抗震设计，目前我国是以小震为设计基础，中震

和大震则是通过地震力的调整系数和各种抗震构造措施来保证的。但是对于较重

要的、超高的、超限的建筑物则需要进行中震和大震的抗震计算。本文主要阐述

了中中震设计的原理、设计方法及软件操作，并提出一些个人见解以供参考。

关键词：中震设计概念；地震影响系数；荷载

《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001 2008年版)(下简称《抗规》)中对中震

设计仅在总则中提到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，但没有

给出中震设计的设计要求和判断标准。

首先我们了解一下现行《抗规》存在几个问题：

1规范未对结构存在的薄弱构件进行分析并作出专门的设计规定，仅对框架

类剪切型结构适用的薄弱层作了一些规定；

2在中震作用下，规范仅提出“中震可修”的概念设计要求，没有具体的抗震设计方法；

3“中震可修”的技术经济问题：可修的标准决定工程¬¬¬¬造价、破坏损失、震

后修复费用。

随着时代的进步，现在的建筑物体型复杂，结构新颖，超高超限越来越多，

因此要求对结构进行中震的设计也越来越多。

2 中震设计

2.1 为何要进行中震设计呢？

《抗规》条文说明1.0.1条指出，对大多数结构，可只进行第一阶段设计（即小震下的弹性计算），而通过概念设计和抗震构造措施来实现“中震可修和大震不倒”的设计要求，但前提是建筑物的体型常规、合理，经验上一般能满足大中震的抗震要求。反之对于一些体型很不好的甚至超限的建筑物，在大震下的结构反应

和小震完全不同，不进行相应的中震和大震计算是没法保证结构安全的。

为达到各阶段抗震要求，须对于上述体型异常、刚度变化大、超高超限等类

型建筑物进行中震抗震设计，其余类型建筑物建议可按中震抗震进行验算。

2.2 中震设计的基本概念

抗震设计要达到的目标是在不同频数和强度的地震时，要求建筑物具有不同

的抵抗能力。中震设计就是为了使建筑物满足该地区的基本设防烈度，即能够抵

抗50年限期内可能遭遇超越概率为10％的地震烈度。

中震设计和大震设计都可称为性能设计。基于性能的抗震设计是建筑结构抗

震设计的一个新的重要发展，它的特点是使抗震设计从宏观性、规范指定的目标

向具体量化的多重目标过渡，业主（设计者）可选择所需的性能目标，而不仅仅

是按现行规范通过分项系数、内力调整系数、抗震构造措施等粗略、定性的手段

来满足中震和大震的设防要求。针对本工程的结构特点，设定本结构的抗震性能

目标。对超限结构而言，利用这些指标能更合理地判断整体结构在中震、大震作

用下的性能表现，给超限设计提供可靠的判断依据。

2.3 中震设计的分类

中震设计就是结构在地震影响系数按小震的2.875倍（αmax=0.23）取值下进

行验算。目前工程界对于结构的中震设计有两种方法，第一种按照中震弹性设计，第二种是按照中震不屈服设计。

首先明确一点，中震弹性和中震不屈服是两个完全不同的概念，两者所采用

的设计方法与设防目的均不相同。中震弹性设计，设计中取消《抗规》要求的各

项地震组合内力调整系数，保留材料、荷载等分项系数，对应地保留了结构的安

全度和可靠度，结构仍属于弹性阶段，属正常设计。中震不屈服设计，设计中除

了地震内力不作调整，同时也取消了材料、荷载等分项系数，对应地不考虑结构

的安全度和可靠度，结构已经处于弹塑性阶段，属承载力极限状态设计，是一种

基于性能的设计方法。由此可见，中震弹性设计接近于平常的小震弹性设计，而

中震不屈服设计则与大震设计同属于基于性能的设计。

3 基本方法及应用

根据中震设计的分类，以下分别阐述中震弹性及中震不屈服的具体设计方法，介绍如何在satwe、etabs、midas等软件中实现中震设计。

3.1 中震不屈服设计

3.3.1 不同抗震烈度下的各级屈服控制

若场地安评报告提供实际的地震影响系数，则应取用所提供的多遇地震、设

防烈度地震下相应的地震影响系数，屈服判别地震作用1、2 的地震影响系数可

相应插值求得。

3.3.2 SAWTE计算：地震信息中抗震等级均为四级；αmax按表3取值；总信

息中风荷载不参加计算；勾选地震信息中的按中震（或大震）不屈服做结构设计

选项；其它设计参数的定义均同小震设计。

3.3.3 MIDAS/Gen计算：主菜单→设计→钢筋混凝土构件设计参数→定义抗震

等级：四级；主菜单→荷载→反应谱分析数据→反应谱函数：定义中震反应谱，

在相应的小震反应谱基础上输入放大系数β即可，β值按表3计算所得；总信息

中风荷载不参加计算；主菜单→结果→荷载组合：将各项荷载组合中的地震作用

分项系数取为1.0；主菜单→设计→钢筋混凝土构件设计参数→材料分项系数：将

材料分项系数取为1.0；其它同小震。

3.3.4 ETABS计算：选项→首选项→混凝土框架设计→定义抗震设计等级：四级；定义→反应谱函数→Add Chinese 2002 Spectrum→定义中震反应谱，地震影响

系数最大值αmax取值，其余参数按《抗规》；静荷载工况中不定义风荷载作用；定义→荷载组合→各项荷载比例系数均取为荷载分项系数1.0x荷载组合系数φ；

定义→材料属性→填写各材料的强度标准值其它同小震。

4 工程算例

4.1 示范算例

4.1.1 基本参数：二十二层框支剪力墙结构，三层楼面转换，无地下室，首、

二层4.5米，标准层3.5米，总高79m。结构平面布置如图一所示。结构高宽比3.76，长宽比1.22；抗震参数，7 度，第一组，0.10g；场地II类；风荷载100年

一遇为0.9kN/㎡。

三层转换层结构布置图图一标准层结构布置图

4.1.2 由《抗规》查得，该结构抗震等级除框支框架为一级外，其余均为二级。

5 中震设计的存疑

5.1 中震设计，暂时只是一种业界约定，并未形成规范规程，相关参数选项不

同的设计单位有不同的设置，对结果的判定方法也不统一，缺乏统一标准。

5.2 中震计算，构件存在小震弹性、中震不屈服、中震弹性三种配筋结果，如

何确定选取那一种计算结果应用到实际工程？三者关系如何？

5.3 中震设计取消了相应的地震组合内力调整系数(即强柱弱梁、强剪弱弯调

整系数)，这一设计理念与规范相左，可能使得结构不安全。