建筑结构设计中抗震性能化设计要点探讨

秦成林

（山东省建筑设计研究院有限公司泰安分院，山东泰安271000）

1 引言

在地震作用下，建筑结构会出现损伤，导致建筑被破坏。因此，建筑的设计过程中，应加强抗震设计。建筑性能化设计主要研究建筑构造的延性，即地震作用力下建筑的不断裂性。基于此，本文通过分析结构设计，阐述建筑的延性在抗震性设计中的作用，分析提高建筑抗震性能化设计的要点。

2 对抗震性能化设计的理解

2.1 抗震性能化设计概念的提出

目前，建筑行业对抗震性能化设计的理解尚不统一。部分学者认为，以结构物的变形需求为结构设计控制依据的设计形式就可以称之为抗震性能化设计；也有学者认为，以减少经济损失、结构损伤作为性能目标进行设计，并对其进行验证与分析的过程被称为抗震性能化设计。实际上，建筑结构抗震性能化设计是抗震设计一步步发展、完善的结果。美国加州结构工程师学会、美国应用化工技术局、美国联邦紧急救援组织最早提出基于结构性能的抗震设计概念，即根据建筑物的重要性、用途、业主要求来确定性能目标，因此，提出不同的抗震设防水准，并且进行抗震结构设计。最后，对设计方案进行评估，检验其是否满足性能目标的要求，以及能否满足建筑结构在未来地震中具备的功能。在设计过程中，对结构使用静力弹性、动力弹塑性时程分析法分析结构的抗震性能，验证建筑结构是否可以达到设计性能目标。

2.2 抗震性能化设计的目的、内容

抗震性能设计的目的是在建筑结构寿命周期内，在一定条件下，提高建筑结构抵御地震灾害的能力，在地震作用下，减轻结构的破坏程度，从而减少人员伤亡、经营中断、再次修建等损失。因此，抗震性能化设计是一种“多级抗震设防”的方式，是对抗震设计的深化与细化。具体设计内容包括地震设防水准、性能目标确定、结构抗震性能水平的确定、结构抗震性能分析评估4个方面。在所有的设计内容中，需要考虑2个基本方向：地震需求与结构能力[1]。结构性能设计的最终目的是使设计的建筑结构部件的抗震能力达标，强于地震需求指标且费用最低。

抗震性能化设计，就是一种建立在概念设计基础上的抗震设计新发展。抗震性能化设计仍然是以现有的抗震设计水平和经济条件为前提，从受力体对性能目标进行理解的设计过程，主要是采取各种设计方法和装置，使整个结构或者是某些部位、关键构件在地震作用过程中，产生的破坏最小。在外力方面，在地震作用下，首先评估结构设计使用寿命内可能发生的地震等级。GB 50011—2016《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗规》）中详述的地震的3个水准是小震、中震和大震。实际上性能化设计还需要考虑近场效应的影响。在《抗规》中规定，处于发震断层周围10 km以内的结构的振动参数，如振幅、频率、持续时间等都应计入近场影响中，这有利于对地震效应的计算与充分考虑。这种考虑方式也是在具体形式上具体分析的个性化手段。性能目标不再是一个笼统概念，而是在构件破坏状态、功能保留状态上高于三水准设计要求的目标设置。

3 结构抗震性能水准

建筑结构的抗震性能水准见表1，具体分析如下：

表1 结构抗震性能水准

1）完好。小震作用下全部构件抗震承载能力均满足弹性设计要求，抗拉、抗压、抗弯、压弯等方面的性能均满足小震作用下对建筑结构的要求。层间变形满足相关规范中位移角的限值。中震作用下，构件承载力满足弹性设计要求。

2）基本完好。小震作用下构件保持基本弹性状态，层间位移超过变形限值极少。中震与大震作用下，建筑结构保持基本弹性状态，层间位移超过弹性变形限值。

3）轻度损坏。小震同上，中震与大震作用下，建筑结构构件出现轻微塑性变形，但尚未达到屈服状态，建筑整体结构进入弹塑性状态，部分耗能构件进入屈服阶段，剪力墙刚度折减。大震作用下，建筑结构薄弱部分最大层间位移角满足规范。

4）中度破坏。小震同上，中震与大震作用下结构发生明显变形，大部分建筑构件进入屈服状态，但是钢筋混凝土构建、混凝土组合剪力墙结构不应不发生脆性破坏。

5）严重破坏。小震同上，中震与大震作用下结构出现明显塑性变形，大部分耗能构件进入屈服阶段，不允许同一楼层的竖向构件全部屈服，控制整体结构承载力不发生下降。

4 提高建筑抗震性能设计的途径

4.1 砌体结构设计

建筑的柱体结构与圈梁砌筑墙体部分会因为受到水平地震荷载与竖直地震荷载的作用下而出现裂缝，将墙体划分为多个块体。在水平地震荷载的作用下，建筑结构会产生水平方向的位移，逐渐向外移动，导致结构裂缝的开裂程度越来越大，破坏墙体的整体性，使墙体承压面积逐渐减小。当其承载力无法达到设计承载要求时，就会出现坍塌，墙体承载能力也逐渐消失。基于这种情况，应重视结构柱和圈梁的设计，提高结构的弹性，从而消耗一部分地震作用力，避免建筑墙体的刚度快速衰退从而发生坍塌现象，或者延缓这种问题的发生，使建筑即使在中震与大震情况下，也不会出现快速坍塌。

4.2 钢筋混凝土结构设计

建筑的塑性变形大小需要通过钢筋混凝土结构来控制，因此，钢筋混凝土结构应满足相关规范对其抗拉与屈服强度的要求，钢筋混凝土结构的其他参数指标也应在合理范围内，并且钢筋混凝土结构的变形能力和屈服强度应有余量。因此，设计框架梁、柱结构时，应强化梁柱之间的结构延性，以提高其抗震性能。

另外，仍有少部分人认为，钢筋混凝土强度高就代表性能好，在设计中需要避开这一误区，应因地制宜地根据实际情况合理设计与分析。比如，混凝土强度越高，结构的脆性越强，相对应的结构的延性则越低，越不利于消耗地震作用[2]。因此，结合抗震性能设计指标，如果抗震设防烈度为9度，混凝土强度最高采用C60；如果抗震设防烈度为8度，混凝土强度最高采用C70。在实际设计中，还要根据混凝土受压构建的轴压比进行调整、控制，确保结构设计符合相关规范的要求。

在钢筋施工中，控制好箍筋的质量，对箍筋进行优化也可以取得理想的抗震效果。具体的优化途径是：增强箍筋的抗变形能力、极限强度、耗能能力，可以根据箍筋的形式、间距、数量等充分考虑。

5 结语

综上所述，在建筑结构设计中，进行抗震性能化设计，做好建筑结构延性设计，将其作为抗震性能的重要指标，可以提高建筑抗震性能。因此，为保证建筑抗震性能，降低财产损失，应重视建筑结构的延性设计，实现建筑的抗震性能化设计。