浅析高层建筑抗震性能化设计要点

（南通职业大学 建筑工程学院，江苏 南通 226007）

1 抗震性能化设计

1.1 基本概念

所谓的建筑抗震性能化设计，内容包括两个方面:一是确定抗震性能目标，二是采取适宜的计算和抗震措施。[1]～[3]

对于抗震设防目标，抗震性能化设计时应高于或等于规范的基本抗震性能目标。建筑抗震性能化设计属于抗震概念设计。

对于复杂的结构问题，如复杂结构、超限建筑工程的结构设计，抗震性能化设计是基本而有效的方法。通过计算及构造等抗震性能化设计手段，采用包络设计的方法解决工程设计中的复杂技术问题是抗震性能化设计的核心内容。[1]～[3]

1.2 设计思路

“高延性，低弹性承载力”或“低延性，高弹性承载力”是抗震性能设计的基本思路。

提高结构的抗震性能，可以通过提高结构或构件的抗震承载力和变形能力实现。由于受到现在地震研究现状限制，无法单独提高抗震承载力，而应该是通过提高结构整体或构件的变形能力同时提高抗震承载力的方式实现抗震性能的提高。[1]～[3]

1.3 构件调整

抗震性能化设计时主要是设计竖向抗侧力构件，根据抗震性能要求调整放大竖向构件的内力，与之相连的水平构件如框架梁、连梁等一般不调，以更有利于实现抗震性能目标。

抗震性能化设计第一步，要正确区分构件类型，即构件属于关键构件、普通竖向构件还是耗能构件。其中，普通竖向构件即“关键构件”之外的竖向构件；耗能构件即框架梁、剪力墙连梁及耗能支撑。

笔者根据设计专家的建议，将关键构件类型总结如下，以便设计时参考。

关键构件：[2]

（1）底部加强部位的重要竖向构件(底部加强区剪力墙、框架柱)

（2）水平转换构件及与其相连竖向支承构件(转换梁、框支柱)

（3）大跨连体结构的连接体及与其相连的的竖向支承构件

（4）大悬挑结构的主要悬挑构件

（5）加强层伸臂和周边环带结构的竖向支承构件

（6）承托上部多个楼层框架柱的腰桁架

（7）长短柱在同一楼层内数量相当时该层各个长短柱

（8）扭转变形很大部位的竖向(斜向)构件

（9）重要的斜撑构件

2 中震弹性与中震不屈服设计

我国目前的抗震设计是以小震为设计基础的，对于中震设计的内容仅在抗震规范总则中提到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，并通过地震力的调整系数和各种抗震构造措施来保证中震和大震的抗震性能。[4]～[7]

目前，对于结构的中震设计有两种方法即“中震弹性设计”和“中震不屈服设计”，设计基本原理如公式（1）至公式（5）所示。[1]～[3]

对于大震主要通过提高结构的变形能力，来提高结构的抗震性能，并适当提高结构的抗震承载力，推迟结构进入弹塑性工作阶段以减少弹塑性变形，因此，抗震性能设计中不提出过高的抗震承载力要求。

2.1 中震弹性设计

中震弹性设计：[2]

公式中：Rd、γRE为构件承载力设计值、承载力抗震调整系数；γG、SGE、γEh、γEv分别为重力荷载分项系数、重力荷载代表值的效应、水平地震作用分项系数、竖向地震作用分项系数；SE*hk、SE*vk分别为不考虑与抗震等级有关的增大系数的水平、竖向地震作用标准值的构件内力。

2.2 中震不屈服设计

中震不屈服设计，如公式（2）、（3）所示：[2]

中震不屈服设计时，不考虑分项系数、地震作用调整系数以及与抗震等级有关的增大系数。

2.3 截面剪压比计算[2]

VGE重力荷载代表值作用下的构件剪力；

地震作用标准值的构件剪力，不需考虑与抗震等级有关的增大系数；

fck、fak、fspk分别为混凝土轴心拉压、剪力墙端部暗柱中型钢、剪力墙内钢板的强度标准值；

Aa、Asp剪力墙端部暗柱中型钢、剪力墙内钢板的截面面积。

2.4 中震弹性设计和中震不屈服设计内涵

（1） 中震弹性设计[4]～[7]

1）不考虑风荷载参与地震组合

2）不考虑与抗震等级有关的增大系数，即内力调整系数取为1.0(抗震等级改为4 级)

3）其余分项系数均保留

4）地震影响系数按小震的2.8 倍取值(PKPM 中直接修改该参数)

(2)中震不屈服设计[4]～[7]

1)不考底风荷载参与地震组合，

2)不考虑与抗震等级有关的增大系数，即内力调整系数取为1.0。(勾选按中震不屈服做结构设计，程序自动实现)

3)不考虑荷教分项系数，即荷载分项系数取1.0。(PKPM 中直接修改该参数)

4)不考虑承载力抗震调整系数，即抗震调整系数取1.0。(勾选按中震不屈服做结构设计，程序自动实现)

5)材料强度中震时为标准值(勾选按中震不屈服做结构设计，程序自动实现混凝土的强度，但钢筋及钢材强度要手动修改)，大震时为极限值

3 抗震性能化设计方法

结构抗震性能设计主要三个步骤，即:分析结构方案的特殊性，选用结构抗震性能目标、采取抗震性能设计措施。

3.1 方案分析

结构方案的分析，首先判断结构是否需要采用抗震性能化设计方法，即主要分析房屋规则性、场地条件、高度、结构类型和抗震设防标准五个方面的要求，并根据分析结果选用性能目标。

3.2 目标的确定

结构抗震性能目标分A、B、C、D 四级，目标选择时需根据工程的特殊情况，由超限审图专家、业主等商量确定，规范[1]将其总结如表1所示，供初步设计人员选择结构抗震性能目标时参考。

表1 结构抗震性能目标[2]

3.3 水准的确定

综合考虑结构抗震性能目标即A、B、C、D 四级以及地震三水准即多遇地震、设防烈度地震和罕遇地震，确定结构抗震性能1、2、3、4、5 五水准。

3.4 抗震性能化设计措施

完成结构类型分析，确定抗震性能目标及抗震性能后，按照表格2 选择对应的设计措施。

表2 构件性能设计措施

中震2公式1弹性公式1弹性公式1弹性公式1 弹性公式2 不屈服 公式1 弹性 公式1弹性公式1弹性——大震3公式2不屈服公式1弹性公式2不屈服公式1 弹性 可屈服 公式2 不屈服 公式2、3不屈服公式1弹性满足弹塑性层间位移角限制小震1公式1弹性公式1弹性公式1弹性公式1 弹性公式1 弹性 公式1 弹性 公式1弹性公式1弹性满足弹性层间位移限值 C 中震3公式2不屈服公式1弹性公式2不屈服公式1 弹性 可屈服 公式2 不屈服 公式2、3不屈服公式1弹性——大震4公式2不屈服公式2不屈服部分可屈服公式4、5保证抗剪截面 部分可屈服 可屈服 公式2、3不屈服公式2、3不屈服满足弹塑性层间位移角限制震1公式1弹性小公式1弹性公式1弹性 公式1 弹性 公式1 弹性 公式1弹性公式1弹性满足弹性层间位移限值 D 中震4公式2不屈服公式2不屈服部分可屈服公式4、5保证抗剪截面 部分可屈服 可屈服 公式2、3不屈服公式2、3不屈服——大震5公式2不屈服公式2不屈服部分可屈服公式4、5保证抗剪截面 部分可屈服 可屈服————满足弹塑性层间位移角限制

4 结语

1.抗震性能化设计时，首先确定目标、其次确定性能水准、最后按照表2采取措施；

2.中震弹性设计与小震弹性设计区别是前者忽略与抗震等级有关的内力增大系数；

3.中震弹性设计，保留了荷载分项系数，取消内力调整的经验系数，即保留了结构的安全度和可靠度，中震不屈服设计则去掉了所有安全度。

4.按照表格1 确定抗震性能设计措施时，正确区分构件类型及性能标准。