基于不同设防水准的抗震对比分析

陈 波 楼映珠 蒋佳琪

（1.中国联合工程有限公司，浙江 杭州 310051；2.浙江省建筑设计研究院，浙江 杭州 310051；3.浙江五洲工程项目管理有限公司，浙江 杭州 310053）

建筑结构抗震设计的核心是满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准设防目标。为了实现三水准设防目标，我国采取两阶段设计步骤，第一阶段设计，多遇地震下的承载力验算和弹性变形校核，即小震不坏的第一水准目标；第二阶段设计，罕遇地震下的弹塑性变形验算，针对特殊建筑或薄弱不规则建筑的关键部位进行弹塑性变形分析，以满足大震不倒的第三设计水准目标。中震可修的第二水准目标，以小震不坏为前提，通过抗震概念设计和构造措施加以保证[1]。

针对某些特殊建筑，“三水准设计”不能满足建筑全寿命周期的最优成本要求。中震弹性和中震弹塑性是对此类建筑最常用的中震性能选择，了解中震下各性能水准，有利于合理地进行性能目标选择。

1 抗震设计基本思路

我国现阶段抗震设计方法是小震作用下的静力弹性分析方法，根据现行的抗震设计研究和材料本构关系，通过数值模拟分析获取各工况下结构内力组合及变形结果参数，对设计结果进行评估分析，判断结构是否满足小震弹性的性能水准要求。

中震弹性和中震弹塑性是中震水准下的两种常见设计方法，在满足小震弹性的基础上，选择合适的地震波和人工模拟波进行时程分析，通过包络设计验算多组时程分析和小震设计的承载力及变形，达到中震预期的性能目标要求。

结构抗震性能是强度、刚度和延性的综合体现，可以通过结构变形校核和构件承载力验算保证水准下的建筑抗震性能。

2 结构变形校核

由结构动力学原理可知，建筑物水平自振周期与结构侧向刚度的平方根成反比关系，而自振周期越短，结构水平地震作用力数值越大。因此，结构抗侧向刚度的选择不宜过大，应从根本上减小结构水平地震作用力。结构抗侧向刚度也不应过小，较小的侧向刚度虽然减少了水平地震力，但是过大的侧向位移形成重力二阶效应，加重了结构构件的破坏程度，影响建筑舒适性。考虑以上因素，抗震设计通过“七大基本参数”对建筑延性和变形进行校核，其中，层间位移角是变形校核的重要控制指标之一。

层间位移角是层间构件相对变形与构件高度的比值，弹性阶段近似为构件变形的正切值。层间位移角的大小和构件抗侧向刚度密切相关，能够很好地反映构件的抗变形能力和震后损坏程度，是进行变形校核和鉴定结构损伤的重要指标之一。

参照我国地震破坏等级划分[2]和各抗震设计规范，最大层间位移角控制目标参考值如表1所示。

表1 最大层间位移角控制目标参考值

地震破坏分级标准为：

（1）完好。受力构件完好，处于弹性变形状态，个别非受力构件出现轻微裂缝，是构件弹性位移角的限值参考值，震后不影响承载力和正常使用。

（2）轻微损坏。个别受力构件出现轻微裂缝，处于基本弹性状态，部分非受力构件明显裂缝，震后稍加维修即可正常使用。

（3）中等破坏。部分受力构件出现明显裂缝，属于保证人身安全水准的参考值，多数非受力构件明显破坏，震后经一般维修可以适当使用。

（4）严重破坏。多数受力构件出现破坏，耗能构件优先进入屈服状态，是极限变形状态参考值。多数非受力构件破坏明显，震后需要进行修复或者加固才能正常使用。

对比结构最大层间位移角，可以分析建筑物在设防水准下具备的抗变形能力和震后损坏程度是否满足预期目标下的延性要求。

3 承载力验算

小震下的承载力验算是抗震设计保证建筑安全的基本要求，对于超限项目或功能特殊性项目还需要满足更高的性能要求，中震性能设计方法包括中震弹性和中震弹塑性，在设计方法和概念上与小震具有较大不同。文章选取框架结构和框架-剪力墙结构两种结构体系，初步分析小震和中震条件下竖向构件的综合内力放大系数。

（1）内力影响参数。小震不坏的第一水准要求建筑结构在小震作用中处于弹性设计阶段，地震影响系数最大值αmax按照多遇地震取值，按规范需要考虑竖地震计算内力调整系数、材料强度调整系数、地震荷载分项系数以及承载力抗震调整系数[3]。

中震作用下，地震影响系数最大值αmax按照抗震设防烈度取值。中震弹性设计考虑材料强度调整系数、地震荷载分项系数以及承载力抗震调整系数，但不考虑地震计算内力调整系数，保留构件承载力的安全余量。其中，中震弹塑性设计属于中震条件下的承载能力极限设计，上述所有内力调整系数均不考虑[3]。小震和中震条件下内力影响参数如表2所示。

表2 小震和中震条件下内力影响参数

（2）水平地震影响系数最大值αmax。依据《建筑抗震设计规范》[4]，水平地震影响系数最大值αmax如表3所示。由表3可知，中震作用下的地震影响系数αmax为小震作用下2.81～3.00倍，综合内力调整系数讨论中，比例关系取2.80倍进行计算分析。

表3 水平地震影响系数最大值αmax

（3）内力调整系数。根据抗震概念设计，竖向构件内力计算需要进行“强柱弱梁”和“强剪弱弯”的内力调整，其中“强剪弱弯的最终剪力”调整需在“强柱弱梁的弯矩”调整基础上迭代进行。

剪力墙底部加强部位弯矩无须调整，非底部加强部位针对一级抗震等级进行放大计算[5]。竖向构件地震内力调整系数如表4所示。

表4 竖向构件地震内力调整系数

（4）综合内力调整系数。结合抗震设计思路，以方案一为基准方案，计算各设防水准下综合内力调整系数：各水准下的内力调整系数=水平地震影响系数最大值×地震计算内力调整系数×材料强度调整系数×荷载分项系数×承载力抗震调整系数；综合内力调整系数=（相应水准下总内力调整系数）/（方案一总内力调整系数）。

中震弹性工况较基准方案，仅水平地震影响系数最大值αmax不同，剪力墙和框架柱综合内力调整系数均为2.8；中震弹塑性工况较基准方案，表2中五项参数均不同，框架柱和剪力墙综合内力调整系数分别为2.8/(1.4×1.3×0.8)=1.92和2.8/(1.4×1.3×0.85)=1.81。小震工况较基准方案，仅地震内力调整系数不同，结合表4竖向构件地震内力调整系数，小震弹性、中震弹性以及中震弹塑性的综合内力调整系数如表5所示。

表5 小震弹性、中震弹性以及中震弹塑性的综合内力调整系数

对比综合内力调整系数可以发现，中震弹性设计综合内力调整明显，高于一级抗震条件下的小震地震承载力极限状态；中震弹塑性设计内力调整在高抗震等级下放大倍数可能小于小震弹性设计，尤其是框架结构和框架剪力墙结构下的框架柱构件。在高抗震等级时，应合理选择性能设计目标；框架-剪力墙结构中的框架柱作为第二道抗震防线，在同一抗震等级下内力放大系数较框架结构有所降低。

4 结语

“三水准设防目标”是结构设计核心准则，也是抗震设计的最低设防要求，但是针对某些特殊建筑，地震灾害所引起的功能关闭和后期维修会引起重大的经济损失，此时以生命安全作为唯一目标的“三水准设计”并不全面。因此，有必要采取高于基本抗震目标的设计手段，对小震、中震条件下的变形校核和承载能力验算能够有效反映小、中震选择下的抗震能力基本水平，为合理进行抗震性能设计提供参考。