建筑结构抗震性能化设计

张丽

（广东省建科建筑设计院有限公司，广东 广州 510000）

1 概述

建筑是满足人们生活、生产的空间。对于个人，建筑提供了一个抵御自然灾害与恶劣环境的居所、提供一个宜居的环境、丰富了精神世界；对于社会，建筑标准化工业化提高了生产效率、提供了精神约束与引导、提供了人类社会活动的场地基础等。因此，建筑质量与人们的生命安全、财产安全及文化传承有着直接的联系。

中国处于亚欧板块与太平洋地震带的交界处，地震活动有着震级等级强度大、范围广、频率高的特点。地震发生具有偶然性，具体什么时候发生，目前还没有技术能够准确地预测到。如果地震发生，建筑物受到地震的破坏是巨大的，它会造成财产和人员的损失。因此，抗震设计是结构设计中的关键组成部分，也是结构设计整个设计过程的重点。《建筑抗震设计规范》中提到，“由于地面运动的不确定性、地震的破坏效应和结构地震破坏机制的复杂性，以及结构计算模型的假设与实际存在不同的情况，至此，根据规定的地震作用对结构进行抗震验算，无论计算理论和计算工具发展到什么程度，计算方法有多严格，但是计算结果总是相对粗略的估计”。虽然目前国内的抗震设计验算结果比较粗略，但从工程灾害的角度来看，这种抗震验算是科学有效的，要重视。其既提高了建筑物的抗震能力，同时又保障了人民群众的生命财产安全。

2 抗震设计

2.1 抗震概念设计

由于地震作用的不确定性以及自身的一些复杂因素，使得结构计算难以完全反映真实的地震运动和结构在地震中的反应。因此根据实际震害和工程经验、科学和试验研究等形成基本设计原则和设计理念，建筑物和构筑物的总体布局和详细结构应做好准备，避免不利于结构抗震的设计方案。结构设计应考虑结构体系选择、场地选择、建筑平面造型布局、建筑立面造型，细部设计做到强柱弱梁、强剪弱弯、楼梯抗震等。

抗震概念设计中选择有利于抗震的建筑场地，是减轻地震灾害的第一道工序。要求建筑物的选址应基于工程需要、地震活动、工程地质和地震地质，尽量选择有利于建筑物抗震的位置，避开不利的危险地段。为减弱地面运动传递给上层建筑的地震破坏力，平均剪切波速较大的固体场地为首选，并且薄的场地土覆盖层可以减少柔性建筑的地震损伤。

建筑物的动态性能基本上取决于建筑物的形状和布局，科学的建筑形状和布局可以增强建筑的抗震性能。因此，合理的建筑形状和布局在抗震设计中至关重要。在抗震设计中平面和立面的简单对称是抗震性能最好。应采用规则的建筑平面、刚度变化均匀的立面和竖向剖面。应采用平面和立面的外形尺寸以及抗侧向力构件规则布置、质量分布规则布置。当采用不规则建筑按相关规范进行加固，对特殊不规则建筑加强研究与论证必要时进行超限分析，采取特别的加强措施，不应使用严重不规则的建筑物。

结构体系抗震是抗震设计中的一个核心问题。结构体系应基于建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基基础、建筑材料及施工工艺技术，通过技术、经济和使用条件等的综合比较。抗震设计要求结构体系有明确的传力路径、多道抗震防线、抗震承载能力、良好的变形能力、耗能能力、合理的刚度分布、合理的承载能力分布、规则的平面布置、均匀的立面布置等。

抗震设计中提高结构延性，增强结构的变形能力，防止地震作用下结构倒塌。结构良好的延性可以减弱地震对建筑物的作用，减少地震能量的传递，使建筑物不倒塌。构件破坏的形态和塑性化过程，决定了结构延性和耗能大小。受弯构件的延性远远大于受剪构件的延性，并且构件弯曲破坏需要的能量远远大于构件剪切破坏需要的。因此，设计遵循“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点，弱锚固”的原则[1]。

2.2 抗震性能化设计

据我国《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》的规定，对满足规范适用条件的建筑结构采用“三水准，两阶段”的抗震设计方法，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准设防目标；第一阶段为承载力和刚度，第二阶段为通过罕遇地震下结构薄弱层（部位）弹塑性变形验算及构造措施以满足“大震不倒”的两阶段设计。

“三水准，两阶段”这是一项旨在确保人身安全的抗震设防标准。由于城市建设不断发展，城市人口密度增加、城市设施建筑物日益复杂。单纯的“三水准”抗震设防标准只能保证建筑物地震发生后不倒塌，没有办法保证建筑物继续使用，无法减少经济损失。因此，应该根据社会和业主对建筑抗震性能多层次需求，控制地震对建筑物和设备破坏程度，保证建筑经历过地震后能恢复正常的生活生产功能，减少震害对于社会经济带来的损失。抗震设计中，要求建筑物抗震设防要高于或不低于“三水准，两阶段”的基本设防目标，满足社会和业主对建筑抗震性能的要求。

建筑抗震性能化设计根据工程的具体情况，确定合理的抗震性能目标、采取恰当的计算和抗震措施，实现抗震性能目标的要求。抗震设防目标不得低于“三水准，两阶段”的设防目标。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）规定，结构抗震性能设计应分析结构方案高度、平立面规则性、结构体系、场地条件、建筑重要性等特殊性，选择合适的结构抗震性能目标，并采取相应的抗震措施。结构的抗震性能目标分为四个级别：A、B、C、D（表1），结构的抗震性能分为五个水准：1、2、3、4、5（表2），每个性能目标对应于指定地震地面运动下的一组结构地震性能水准。不同的抗震性能目标，对结构构件的设计要求不同。小震不坏，所有构件处于弹性阶段；中震大震根据不同性能水准构件处于弹性、不屈服、屈服或者破坏状态。具体设计要求详见表3[2-4]。

表1 结构抗震性能目标

表2 不同性能水平下结构的预期震后性能

表3 结构抗震性能目标

2.3 抗震概念设计与抗震性能化设计

抗震概念设计主要通过抗震措施和建筑的平面、立面和剖面规则、结构体系、内力调整、多道防线等让建筑达到“三水准，两阶段”基本设防目标。

概念设计中不能直接验算中震，通过设防烈度降低对建筑的弹性承载力和弹性变形验算。用“规则性控制+弹性计算+内力调整+构造措施”，间接实现中震可修和大震不倒。抗震概念设计中，大震不倒，不适用于要求震后连续使用的生命线工程，对超限工程也没有具体设计方法。尽管根据建筑的重要性分为甲乙丙丁类，但弹性设计的本质没变。传统设计法是高延性大变形，尽管避免了倒塌保存了结构，但附属设施破坏严重，对于使用功能不能中断的建筑是不可行的。

对于复杂工程抗震性能设计是主要设计手段。抗震性能设计目标是大于或等于最基本的抗震性能目标“三水准，两阶段”。现行的“四目标，五水准”的性能设计具有多级性、全面性、灵活性的特点[5]。

多级性，性能设计对五个性能水准进行组合。要求不同构件在小震、中震和大震作用下结构性能不同。多级抗震性能设计可以有选择性地控制建筑震后是否能够继续使用，控制地震造成的经济损失。此外，非结构构件及其内部设施的损坏或破坏占经济损失的非常大比例，在设计中也将进行综合分析。

全面性，结构的性能目标选定，可不用直接选择结构规范中的性能指标，可按照实际需要、业主要求和建筑经济价值等方面的原因。通过科学论证选取合理的性能目标，这样设计能够预测在地震发生时建筑物的抗震能力和震后建筑的破坏程度。

灵活性，重要的参数有取值区间，如层间位移和地震作用，给设计者和业主提供了更大的灵活性。设计者能在满足性能目标的基础上有选择地采用不同的设计方案。因此，有利于新材料和新技术的实际应用。

2.4 实现抗震性能目标

根据抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型和不规则，建筑使用功能和附属设施功能的要求、投资大小、震后损坏和修复难易程度等，经技术及经济可行性综合分析和论证后确定。

由于房屋的重要性程度及建筑使用功能不同结构或结构构件的抗震设防目标不一致，按照具体情况具体分析，采取适当的抗震措施。根据工程的需要和可行性，可针对整个结构，也可针对部分或关键构件，灵活使用各种抗震措施，以实现预期的抗震性能目标，提高结构抗震能力，满足使用功能要求。考虑到强震作用下结构非线性分析方法计算模型选择和参数的设置，目前还缺乏从强震记录、设计和施工资料到实际震害的验证，难以准确判断结构性能。因此，性能目标的选择应侧重于安全考虑。

为了达到性能目标要求，需要构件达到在不同地震等级（中、大震）下的承载力、变形和结构等具体指标。设计中有两种抗震的思路。第一种仅增加承载力时，安全性相应提高，但变形能力可能不满足，即“高弹性，低延性”；第二种仅增加变形能力，结构在小中地震作用下的损坏程度不会发生变化，反而提高了结构在大地震作用下的抗倒塌能力，即“高延性，低弹性”。两种设计思路各有优缺点，设计中往往侧重于提高承载能力，推迟构件进入塑性工作阶段。必要时需要提高刚度增加结构变形能力，可以根据结构及其构件在中震、大震下进入弹塑性的程度加以调整。

各项性能目标，为了保证结构的完整性，楼盖体系必须有足够安全的承载能力，在地震中楼板均处于弹性状态。否则，应采取相应的措施。为了避免发生脆性破坏，要求“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点，弱锚固”。性能目标中抗震构和混凝土抗震构造措施对应，“基本要求”对应四级抗震构造要求，低、中、高和特种延性要求对应三、二、一和特一级抗震等级构造要求。考虑到抗震的不确定性，设计中适当提高建筑延性。

抗震性能化设计就是在刚度、强度、变形能力和实现成本之间寻求最佳的平衡点。

3 结语

抗震设计是结构设计中重要一环，保证了建筑的安全性。抗震概念设计和性能化设计是优势互补，相得益彰，不是谁优谁劣，谁取代谁。目前，在非线性计算模型和参数的选择中仍然存在经验不足因素，并且难以准确地判断结构性能，且相关设计经验不多，基于性能的设计有效性缺乏从强震记录、设计和施工数据到实际地震破坏的验证，所以说抗震概念设计法依然是适用面最广的可靠的抗震设计主流方法。