建筑结构基于性能的抗震设计

任立鹏

摘要：在性能设计中核心的思路就是按照建筑的实际情况和客户需求，并参考国标设定建筑的抗震设防的目标，并按照结构的性能特性计算出结构所需要的基本参数，以此获得较好的抗震效果，同时结合经济性指标是项目达到安全和经济的双赢。

关键词：性能特性;抗震设计;抗震设防;防震目标

一、基于性能特性研究的抗震设计理论概述

1.基于性能的结构抗震设计含义

建筑设计中基于性能的抗震设计的理论形成于1992年，是由美国的学者最先提出的，随后经过理论的拓展和总结由美国的权威组织给出了明确的定义和描述。概括的说就是：基于性能的抗震理论以结构抗震的性能分析为理论基础，针对不同的抗震作用水准，将结构的抗震性能划分为不同的顶级，设计者根据结构的重要性和实际的用途和业主及使用者的特殊要求，采用合理的抗震性能目标和适应性结构抗震措施进行设计。

2.基于性能的抗震理论特征

2.1 支持采用多级设防的目标，我现行的是“小震不坏、中震可修、大震不倒”基本抗震原则，主要的目标是确保人身安全，这时抗震的根本思路和目标，无法避免大型地震中的巨大经济损失。基于性能抗震设计理论提出了多级目标设计的理念，此种分级 方式即考虑到了生命安全也从经济性上考虑，最大限度的降低业主和社会的损失，保证在其可承受的范围内，以此为基础更加注重非结构件和内部设施的保护，将经济效益的机制引入到了設计中，利用经济决策方式通过进行费用效率分析，在可靠和经济之间需求平衡，以确定最佳的抗震方案，达到优化设计的目的。

2.2 扩展空间，体现设计的个性化。现行的抗震设计主要是按照规范进行一成不变的设计，因此设计缺乏灵活性，结构设计者总是在被动的情况下进行进行设计，而基于性能的抗震设计除了需要满足共性规范外，也更加注重个性设计的需求，增加了业主和设计人员的交流范围，在根据结构的用途和业主需求确定结构性能的目标后，设计人员就可以在此性能目标的基础上选择设计方法，采用相应的构造措施，而此种设计更加的灵活，对调的设计积极性和新材料、新技术、新工艺等的应用打开了方便之门，同时结构的抗震能力是在抗震性能的目标下形成的，也是的建筑的抗震能力可以预见。

二、基于性能的抗震结构设计的内容

1.地震设防的水准设定

地震设防的标准是指设定未来可能作用在建筑上的地震等级和作用效果，美国工程师协会曾提出，基于结构性设计理论追求能控制结构所可能发生的各种地震破坏的水准，因此需要根据不同的重现期选择可能发生的对应不同的地震动参数。在协会的报告中指出四个地震设防的水准：1）无损伤的正常状态，即结构只受到轻微损伤，不需要进行修理就可继续使用而不带有隐患;2）结构出现损伤但可修复，此种情况下结构仍然发挥效应，但是在次要部位出现损伤，需要进行修复。

2.结构抗震的性能目标设定

此项内容就是针对某种地震设防的水准而设定期望达到的抗震性能的等级，抗震设防目标德尔建立需要综合考虑地质、功能、重要性、投资、效益、震后损失、重建、历史和文化价值、社会效应、业主要求等因素。从地震设防的角度看，规范提出的抗震目标实际上是最低的设防标准，而结构抗震设计则是根据业主需求采用的设防标准，其要高于规范设定的范围。

3.基于性能的结构设计实施

此项内容就是要求将结构的性能要求转化为合理的性能参数以此形成具体的指导设计的基础性数据。为了达到这一目标，需要配合合理的处理和分析方法，将前面的目标转化为与性能指标相关量化数据，使之作为指导设计的具体指标。

三、高层建筑结构基于性能的抗震设计

1.工程基本情况

某城市的高层建筑，按照建筑的整体设计要求，工程项目地下结构为三层，地上为三层裙楼，主要塔楼设计为45层，从工程的高度超过了150m。项目的主体采用的是混凝土框架加核心筒的结构形式。按照业主的需要，建筑的设计使用年限为50年，整体钢筋混凝土结构为二级，根据地域情况，此建筑为丙级，抗震设防为7。

2.对结构性能的目标选择

通过对工程具体情况的分析，设计人员通过对工程的具体情况的把握，并与业主方进行了沟通，取得了一致意见，选定此工程的抗震性能目标为以下具体几项：1）小震情况下满足的要求是：结构在地震的影响下保持完好结构不出现明显的损伤，震后不需要修复也可使用，且在震后不需要对人员安全采取任何保护措施。2）中震的情况下结构应当满足要求：在中等强度的地震中，建筑相对脆弱的部位和重要结构件出现轻微的裂缝，属于轻度损坏，而在设定的部位后者延性部位则允许出现中度的损坏，条件是出现明显的裂缝，构件受损程度为进入屈服阶段。震后需要进行维修方可继续使用。

3.性能目标的实现措施

3.1 小震目标。工程在结构设计的过程中，设计人员通常采用的是计算机辅助设计，即利用软件将性能目标和实际的结构的参数联系起来，从而获得可以指导工程建设的具体结构参数。在计算中主要遵循的是高层建筑结构空间的有限元分析和计算方法，利用三维建模的方式进行模拟分析。

3.2 中等地震的目标实现。结合前面的设计参数，对中等地震中所要达成的目标进行细化，并在基础数据的基础上对某些参数进行修正，使之到达设计的目标。根据目标要求，中震情况下，地震对结构件的影响使之超过了弹性变形范围，结构的损坏将出现硬性的结构损伤，但是其范围是可以修复，此时的重点就是通过结构的合理设计保护重点结构的安全，即舍弃某些结构件的完整，而保护主体框梁的安全。在此设计的思路上对整个设计的参数进行细部调整。

3.3 大震情况的目标实现。在设计中，与中震目标实现相似，在利用软件进行分析和比对的时候，将其设定的范围进一步扩大，模拟在罕见的高烈度地震的影响下结构所产生的应力改变和相互作用，实际上就是将结构所产生的水平和竖向位移设定为最大，并以此对结构参数进行调整，使之达到：结构不出现扭转的效果。

四、构造设计的措施

还以前面的工程项目为例，在结构设计中按照参数要求，结构中采用的水泥等级为60号，在初级抗震的轴压比要求下，剪跨比在1.5就可以满足性能要求，但是这样就出现了剪跨比小于2的情况，因此在结构设计中应当对此情况进行调整，以适应中等地震的要求，具体措施有：调整轴压比，在规范的基础上通过模拟计算进行逐级调整，使之达到保证柱体延性的需求。

五、结束语

总之，基于性能的结构抗震设计理论是一种概念性的设计方式，根据建筑的抗震设防目标，利用性能分析形成具体的结构性参数，最终应用在设计中。同时基于性能的抗震设计还具有经济性特征，设计中将性能目标和经济合理性结合起来，以此完成对结构设计的优化。

参考文献：

[1]张新培.基于性能的抗震结构设计理论在高层建筑中的应用[J].四川建筑科学研究，2009，（01）.

[2]李应，刘庆轩.基于结构性能的抗震设计理论研究与展望[J].地震工程与工程振动，2008，（04） .