基于性能的建筑结构抗震设计分析

陈超 周达威

关键词：建筑结构;抗震设计;性能目标;工程案例

1 引言

随着城市的发展，为提高土地的使用效率，现代建筑越来越朝着超高层、大跨度、结构复杂的方向发展，这也给建筑结构设计带来了更多的挑战。而同时，地震对建筑的破坏往往会造成大量的经济损失甚至人员伤亡，为了在建筑结构不断发展的同时减少地震灾害，需要对建筑抗震设计理论方法有更多的科学研究。本文主要围绕基于性能的建筑结构抗震设计展开分析。

2 基于性能的抗震设计理论的提出

现代建筑结构抗震设计的设计理念和方法，经历了从一开始的静力法理论到目前基于性能的抗震设计理论的一系列发展。从 20 世纪初，日本提出了一种相对简单的静力法的抗震设计思想。到 20 世纪中叶，美国学者提出了反应谱法抗震设计方法，并在反应谱法的基础上产生了“小震不破坏、中震可修、大震不倒塌”的设计思想。而后随着计算机技术的发展，时程分析法也不断得到更多的应用。到了 20 世纪 90 年代及 21 世纪，对结构抗震设计进一步的细化和个性化，产生了基于性能的抗震设计理论（ Performance Based Seismic Design，即PBSD），使建筑结构抗震设计步入了一个新的发展阶段。基于性能的抗震设计的概念，主要按照建筑物重要性、用途或业主的要求明确抗震性能目标，并提出不同的抗震设防等级，对结构设计进行定量的性能评价看其结构是否能达到性能指标要求，使结构在以后的地震中具备设计目标所希望达到的功能。所以，基于性能的抗震设计，其实质是一种对建筑结构抗震性能实行定制化设计的抗震设计理论方法，强调性能控制与资源最优化的设计观念，本文主要围绕此展开详细分析。

3 基于性能的建筑结构抗震设计方法与基本流程

3.1设计方法

基于性能的抗震设计时，各类建筑结构所需要的抗震性能目标往往不同，需要控制各类因素，对各类结构的地震反应参数的控制要求往往因建筑抗震需求的不同而不同。例如有些结构以承载力指标控制为主，有些则以位移指标控制为主。目前，基于性能的抗震设计方法包括基于承载力、能量、位移、可靠度分析以及损伤等几种。

3.2设计基本流程

基于性能的抗震设计，总体流程大致包括性能目标的设定，设计方案的选择、论证、评价等，流程如图1所示。

4.1工程概况

本工程为住宅项目，项目总用地面积105566.0m2，本期用地面积17152.95m2，总建筑面积62059.42m2，地下建筑面积16026.54m2。本工程由2#、7#、12#、S3#配電房、地库组成。2号楼为29层单元式住宅，7号楼为34层单元式住宅，12号楼为31层单元式住宅，S3#配电房（5.200m）为一层框架结构，地下室共一层，地下一层为机动车库、非机动车库、设备用房。2#、7#、12#楼建筑最大高度为98.600m，是一个A级高度钢筋混凝土高层剪力墙建筑。

4.2抗震性能分析与设计措施

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质 [2015]67 号）的规定，需进行结构高度、一般不规则性、特别不规则抗震超限检查。综合三项超限检查结果，本工程存在 1 项一般不规则性，无特别不规则，根据 GB50010-2010 第 3.4.1 条，属于比较规则的 A 级高度不超限高层建筑。针对本工程，依据 GB 50011-2010 和 JGJ 3-2010，主要采取如下分析与设计措施：

（1）参照 GB 50011-2010 第 5.1.2 条，采用时程分析法对多遇地震下进行补充计算。时程分析法时，按照建筑场地类别选择 2 组实际强震记录、 1 组人工模拟加速度时程曲线，要求所选的时程曲线平均地震影响系数曲线、振型分解反应谱法采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符;弹性时程分析时，每条时程曲线计算得到的结构底部剪力应超过振型分解反应谱法计算结果 65%，多条时程曲线计算得到的结构底部剪力平均值超过振型分解反应谱法计算结果 80%。楼层地震剪力取时程计算得到的最大值和振型分解反应谱法计算结果进行包络设计，确保各个构件满足多遇地震弹性要求。

（2）选用 PKPM 软件开展罕遇地震静力弹塑性时程分析，检查构件和整体结构的损伤情况，针对重要、薄弱部位进行加强;关键构件平面布置与编号如图2所示。

4.3设计加强措施与论证结论

首先采用 SATWE 补充开展多遇地震作用下的弹性时程分析，所选择的 3 组地震波满足规范要求，结构设计取用时程分析最大值与振型分解反应谱法的结果实施包络设计，保证各构件满足多遇地震弹性要求。然后采用 PKPM 软件进行罕遇地震静力弹塑性时程分析，检查构件和整体结构的损伤情况。结合大震工况下性能点步骤时结构整体损伤情况，对底部加强区损伤严重的山墙、楼梯间端部的剪力墙，适当的提高墙体的水平和竖向的配筋率，加强墙体的抗拉和抗剪承载力。

本工程底部加强区剪力墙局部存在错位，错位部位上下层的剪力墙 Q7a 和 Q7 的抗震等级提高一级后至一级，剪力墙 Q7a 和 Q7 两端端柱和连接剪力墙 Q7a 和 Q7 的框支梁的抗震等级提高一级后至一级。同时相关区域的楼板板厚加强至200，实际计算时按照弹性膜考虑，最小配筋率按照双层双向 0.25% 控制。

5 结语

综上所述，近年来基于性能的抗震设计理论方法被越来越广泛的研究和应用。近些年来的工程实践已积累一定经验，本工程结构分析模型准确，参数选择符合规范要求、工程现场条件;根据分析结果，针对性进行局部加强、对错位处的框梁进行有限元分析，確保抗震性能满足规范要求，且承载、变形能力均存在一定富余。

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作者简介：陈超（1990-），男，湖南郴州人，工程师，硕士研究生，工作方向：岩土工程、结构工程。