浅谈钢结构方面基于性能的抗震设计研究

陈 伟

（上海现代建筑景观规划设计研究院有限公司，上海 200021）

1 基于性能的抗震设计方法

1.1 抗震性能目标设定和选用

结构的超限程度会直接影响结构的延性变形能力。抗震性能目标是指在预期的设定地震中对建筑结构造成的预期性影响。所以应该运用结构的不规则程度对复杂超限高层建筑的抗震设计从提高延性变形能力、增强承载力两方面考虑合适的手段保证安全。建筑业主要向设计者提供此建筑物的抗震强度、对于业主的重要程度以及震后的修复难度等多方面选择抗震性能目标，而设计要向业主给予经济和技术上的分析。这些目标的选定要在方案设计和结构安全两方面之间进行。

在此本文结合我国的抗震规范针对混凝土基于性能的抗震设计方法，对结构构件提出五种性能水准：

1.1.1 小震弹性

在小震作用下，建筑结构的抗震承载力要满足规范要求，结构的层间位移也要在规范位移范围之内。在设计构件时也要让构件满足抗震设计规范。

1.1.2 中震弹性

在中震作用下不考虑中震组合内力调整系数时构件要满足抗震设计规范。

1.1.3 中震不屈服

在中震作用下不考虑中震组合内力调整系数和结构的抗震承载系数，构件所用材料的抗震系数和强度都要满足标准要求，结构的阻尼比也可以进行适当的增加。在中震作用下结构的一些薄弱部分和重要部分要满足抗震设计规范也可以达到屈服状态，但是构件不能发生破坏不能被剪切；构造还要满足抗震延性的要求。

1.1.4 大震不屈服

在大震作用下结构的一些薄弱部分和重要部分要满足抗震设计规范也可以达到屈服状态，但是构件不能发生破坏不能被剪切；构造还要满足抗震延性的要求。

1.1.5 大震可屈服

对于竖直放置的构件不能发生脆性破坏；局部构造在大震下可以达到屈服阶段，构件发生的变形值要在要求范围之内；构都要满足高抗震延性规范的要求。

1.2 不同水准地震对性能的影响

不同的地震对构件的性能造成不同的影响，在此我们要在不同水准地震下的基于性能的抗震设计对结构的性能进行计算，以保证能够实现其性能目标。在此就要相应的计算上文提到的小震弹性、中震弹性、中震不屈服、大震不屈服、大震可屈服作用下结构的性能。

1.3 小震对构件作用下的性能分析

在小震作用前提下运用弹性反应谱，计算出对构件最不利影响下的载荷组合，计算时要想到构件的调整系数、构件设计时的载荷分布系数、构建的内力增大系数，其表达式为：

S≦R或S≦R/r（只有竖直方向的小地震作用时，r取1.0）

1.4 中震对构件作用下的性能分析

在中震作用前提下，运用平常的弹性分析软件对拟弹塑性结构的弹性进行计算，并对其进行检验，其构件分别按照弹性或不屈服进行分析。

（1）在中震作用下构件的薄弱部分和一些重要部分，计算时不用考虑地震组合内力调整系数，但构件材料的抗震设计承载力的系数和材料的分布系数要考虑在内，载荷组合的分项系数是rRE。

在这种情况下的分析设计表达式是：

S≦R/r

（2）对于不考虑地震组合内力系数，对性能目标设定成中震不屈服的构件，它的载荷分项系数均取1.0，不考虑材料的抗震承载力和分项系数r。

在这种情况下分析设计表达式为：

S≦R

R是在构件材料标准值情况下计算出来的承载力标准值。

1.5 大震对构件作用时性能分析

大震作用下构件进入弹塑性阶段，某些性能目标位大震不屈服的重要部位或薄弱部位应采用非线性计算方法。

静力弹塑性设计表达式：

S≦R

R是在构件材料标准值情况下计算出来的承载力标准值。

大震条件下动力弹塑性设计表达式：

对抗剪承载力进行检测：

S=r（D+0.5L+E）=1.2（D+0.5L+E）≦ R

对抗弯承载力进行检测：

S=r（D+0.5L+E）=1.0（D+0.5L+E）≦ R

rv为强剪弱弯调差系数。

对在大震条件下可屈服的构件变形时进行控制：

▽=（D+0.5L+E）≦δ

在此指出：在ASCE-41和FEMA356两种构件的变形控制设计中，考虑到强度大地震时构件发生剪切小地震时构件发生弯曲的抗震概念，对构件发生剪切下的变形控制已经比发生弯曲变形的控制更加的严格，在此我们不再使用强剪弱弯调整系数rv。ASCE-41构件变形控制指标再经过中国规范换算。

2 结构分析方法与评估

2.1 运用弹性反应谱进行分析

采用弹性反应谱分析方法对在小震和中震作用下的结构性能进行分析，按照我国现行的《钢筋混凝土结构设计规范》/《建筑结构荷载规范》/《抗规》对结构性能进行分析，现行的结构抗震调整规范系数也降低一个级别使用。在大震条件作用下时，我们可以使用常用的拟弹塑性分析方法对结构的性能进行分析，也可采用预期的结构开裂刚度退化的情形对原有的结构刚度进行折减。

2.2 动力弹塑性时程分析

可以用动力弹塑性时程分析方法对结构在大震阶段的层间发生的位移值进行计算，在小震和中震阶段的层间变形位移也可以采用动力弹塑性时程分析的方法，另外也可以采用静力弹塑性分析方法，在中震和大震阶段可以采用动力弹塑性时程分析法计算层间发生的位移值。

3 地震波的调整和选取

以上在不同水准地震作用下我们采用的动力弹塑性时程分析方法，画出地震的加速度时程曲线，应该选择一组不少于两条场地人工波和不能少于五条具体实际检测到的地震波，我们选取采用的地震波应该在震中距离、地震级别、活跃周期、地震来源跟我们研究的建筑物所在的场所环境很相似，而且要考虑来自两个方向地震波的作用。

我们要从所研究建筑物所在场所的安全评估报告中找到实测的时程曲线和人工模拟曲线中挑选出我们需要的时程曲线,最后将规范振型反应谱产生的小震下基底剪力与时程分析得到的小震下基底剪力作对比，小震下基底剪力的时程分析计算值应该要比反应谱计算结果大65%，整个基底剪力的时程分析值要比反应谱给出结果大80%。

在此我们运用下面的方法对我们所需地震波进行调整：把研究建筑所在场地作为是目标谱，在周期不大于3.0s时，它的0.05阻尼比的反应谱比目标谱周期点不大于15%，在周期大于3.0s时不大于20%，总体的平均差异不大于10%。然后把我们记录的所愿地震波加速度的最大值整理到所选目标及速度的最大值，把时程分析的设计加速度计算出来。

4 抗震评估

当全部结构的构件都能满足构件性能目标需求，但是既有建筑却不能满足层间位移性能目标时，结构可以不用加固抗震。

如果原建筑的建筑结构能满足层间位移性能的目标时，每层都有超过90%的梁、抗震墙抗弯性能够达到目标要求，楼盖和基础都满足性能规范，构件可以不用进行必要的加固。

在除去上述两种条件的情况下都要进行对结构进行抗震加固，而且加固后构件的性能要满足全部构件的性能目标和层间位移目标。

5 结语

本篇文章通过引用世界上先进的基于性能的抗震设计思想，结合我国现在使用的抗震设计规范体系的特点，通过对国外广泛应用的先进抗震设计规范实例的调查研究，设计研究出适合我们国家工程实践的既有混凝土建筑结构基于性能的抗震设计方法，向更经济、更安全、更舒适的抗震设计理想迈出了坚实的一步。

[1] 黄超，季静，韩小雷，等.基于性能的既有钢筋混凝土建筑结构抗震评估与加固技术研究[J].地震工程与工程震动，2007,27（5）.