基于抗震性能设计简介徐永基中国建筑西北设计研究院二○一二年十月目录一、基于抗震性能设计的概述二、结构抗震性能目标设计（一）结构抗震性能控制目标的制定1、地震动水准的确定2、结构抗震性能目标的划分3、四级性能目标及五类性能水准（二）结构抗震性能设计1、结构构件对应于不同性能要求的承载力参考指标2、结构构件对应于不同性能要求的层间位移参考指标3、结构构件细部构造对应于不同性能要求的抗震等级。
（三）不同抗震性能水准的结构承载力设计（四）不同抗震性能水准位移控制目标（五）结构抗震性能设计对弹塑性计算分析的要求。
一、基于抗震性能设计的概述（一）基于抗震性能设计的理论，是近十多年来，世界上一些国家开始研究的抗震设计方法。
最早由美国于20世纪90年代开始研究，主要在既有建筑评定、加固中使用了多重目标的概念，并提供了设计方法；以后又提出了新建房屋基于性能的抗震设计理念及设计方法，可较广泛应用于工程建设中。
随后日本、澳大利亚、欧洲混凝土协会及我国也展开了这项研究，提出了相应的设计规范。
我国目前已批准的《建筑抗震设计规范》及《高层建筑混凝土结构设计规程》在近几年科研与工程实践的基础上，已开始纳入性能目标设计的内容，由于该项技术尚处于起步阶段，不少问题需进一步研究，如地震作用的不确定性、结构分析模型和参数的选用存在不少经验因素、模型试验和震害资料较少等，但随着在工程中的不断应用，将会逐渐完善成熟。
（二）基于抗震性能设计方法的特点是：使抗震设计从宏观定性目标具体量化，建设单位或设计者可选择性能目标，然后对确定的性能目标进行深入的分析论证再通过专家的审查。
这一方法可适用于一些目前现行标准规范中尚未涉及的复杂结构体系，为推广应用新体系、新材料、新技术，提供了技术可能，是目前抗震设计中研究的热点，预期会成为一种新的发展趋势。
（三）结构设计是否需要采用抗震性能设计方法的主要依据，是在分析结构方案在房屋高度、规则性、结构类型、场地条件或抗震设防标准等方面的特殊要求的基础上确定的。
结构方案特殊性的分析中要注意分析结构方案不符合抗震概念设计的情况和程度。
国内外历次震害经验说明抗震概念设计是决定结构抗震性能的重要因素。
需要要求采用抗震性能设计的工程一般表现为不能完全符合抗震概念设计的要求。
在此情况下，结构工程师应根据概念设计的规定与建筑师协商，改进结构方案，尽量减少结构不符合概念设计的情况和程度，不应采用严重不规则的结构方案。
对于特别不规则结构可按本节规定进行抗震性能设计，但需慎重选用抗震性能目标，并通过深入的分析论证。
（四）改革开放以来，我国经济得到突飞猛进的发展，建筑业的形势尤为突出。
高层、超高层建筑、复杂结构体系的建筑日益增多。
许多工程已超越目前规范、规程所涉及的范围，使工程技术人员无技术法规可依。
为适应国家建设的需要，并确保工程设计的可靠与安全，2002年由建设部发布了第111号部长令——《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》，成立了《全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会》，（2009年已进入第四届），制定了《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》等文件，凡需要设计超限高层建筑工程的项目需根据111号部长令的要求，由设计单位在初步设计阶段进行仔细分析，明确超限内容，并提出相应的加强措施，完成审查技术要点规定的内容，报专家委员会论证审查，必要时尚需进行模型试验。
近年来，这项工作对确保复杂超限工程质量发挥了重要作用，在执行部长令审查超限工程的过程中开始逐步涉及到基于抗震性能设计的理念与方法，2009年颁布的《关于加强超限高层建筑工程抗震设防审查技术把关的建议》中明确提出了对复杂和超限高层建筑，应明确其抗震性能目标，即为实现“大震不倒”所选择的加强措施。
目前在复杂和超限高层建筑中已逐步开始应用基于性能的抗震设计相信在不断应用的过程中，该项设计理念及方法将会日趋成熟完善。
二、结构抗震性能目标设计（一）结构抗震性能控制目标的制定1、地震动水准的确定（1）89规范提出的“小震不坏，中震可修、大震不倒”是属于一般情况的性能设计目标，其地震动水准可按《抗规》规定的多遇地震（小震）、设防烈度地震（中震）和罕遇地震（大震）的地震作用选定。
（2）《抗规》2001第12.2.2条规定，对处于发震断裂两侧10Km以内的结构，应计入近场影响，若地震动参数未计入近场影响，5Km以内宜乘以增大系数1.5；5Km以外宜乘以不小于1.25的增大系数。
（3）对设计使用年限超过50年的结构，其地震作用需作适当调整，取值需经专门研究提出后，报规定的权限部门批准后采用。
其值可参考《建筑工程抗震性态设计通则（试用）》附录A。
具体调整系数大体是：设计使用年限70年，取1.15-1.2、100年取1.3-1.4。
2、结构抗震性能目标的划分（1）《抗规》2001 1.0.1条规定：进行抗震设计的建筑，其抗震设防目标是：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。
与上述要求配套的地震破坏分级定性划分，在《建筑地震破坏等级划分标准》（建设部90建抗字377号）中，分为五级作了较详细的描述，见表1。
表1 各类房屋的地震破坏分级和损失估计注：1、个别指5%以下，部分指30%以下，多数指50%以上；2、中等破坏变形参考值，大致取规范弹性和弹塑性位移角限值的平均值，轻微损坏取1/2平均值。
（2）由于结构方案属于特别不规则的结构不符合抗震概念设计的要求或建筑物有特殊需要，可根据抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素，选用高于一般情况的性能控制目标，目前已批准的《抗规》和《高规》，将这类结构的预期性能控制目标分为A、B、C、D四个等级，结构抗震性能又分为1、2、3、4、5五个水准，每个性能目标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相对应（表2）。
表2 结构抗震性能目标对应的抗震性能水准3、四级性能目标及五类性能水准（1）四级性能目标性能化设计方法，自上世纪90年代初提出已二十多年，最早见于美国ATC40与FEMA273等文件中对抗震性能化目标提出的抗震设计方法与要求：我国在多年研究对破坏性地震建筑的调查及对超限结构抗震审查工作的基础上，在本次《抗规》、《高规》的修订中提出了结构抗震性能化设计目标、要求及计算方法。
《高规》将结构的抗震性能目标分为A、B、C、D四级，又划分为1、2、3、4、5级性能水准。
《抗规》将结构的抗震性能目标分为1、2、3、4级，与《高规》A、B、C、D级是一致的。
在设定的地震（多遇地震、设防烈度地震及预估罕遇地震）地面运动下，对应于结构抗震性能水准的预期的震后的性能状况见表3。
表3 各种性能水准结构预期的震后性能状况注：1、“普通竖向构件”是指“关键构件”之外的竖向构件；2、“关键构件”是指该构件的失效可能引起结构的连续破坏或危及生命安全的严重破坏，如：水平转换构件及其支承构件、大跨连体结构的连接体及其支承结构、大悬挑结构的主要悬挑构件、加强层伸臂和周边环带结构中的某些关键构件及其支承结构、长短柱在同一楼层且数量相当时该层各长短柱、细腰型平面很窄的连接楼板、扭转、变形很大部位的竖向（斜向）构件等。
3、“耗能构件”包括框架梁、剪力墙连梁及耗能支撑等。
由于地震地面运动的不确定性及对结构在强震作用下非线性分析方法存在不少经验因素，对结构抗震性能的判断难以十分确切，尤其对长周期超高层结构及特别不规则的复杂结构更难判断，因此在选用性能目标时，宜偏安全些。
如：a、特别不规则的房屋高度超过B级高度很多的高层建筑或处于不利地段的特别不规则结构，可选用A级性能目标。
b、房屋高度超过B级高度较多或不规则性超过《高规》适用范围很多时，可考虑选用B级或C级性能目标。
c、房屋高度超过B级高度或不规则性超过适用范围较多时，可选用C级性能目标。
d、房屋高度超过A级高度或不规则性超过适用范围较少时，可选用C级或D级性能目标。
e、结构方案中仅有部分结构布置较多复杂，可仅对较复杂的部位进行性能设计。
如：（a）底部加强部位的重要竖向构件。
（b）水平转换构件及与其相连的竖向构件。
（c）大跨连体结构的连接体及与其相连的竖向构件。
（d）大悬挑结构的悬挑构件。
（e）加强层伸臂和周边环带结构的竖向支撑构件。
（f）承托上部多个楼层柱的腰桁架。
（g）长短柱。
（h）斜向构件等。
对比表1与表3，表3《高规》规定的建筑地震的破坏等级划分主要参考了1990建抗字第377号文规定原则（本文表1），两者有一定的对应关系。
（a）表1的第一类“完好、基本完好”在表3中分为两项，即水准1：“完好，无损坏”；水准2：“基本完好，轻微损坏。
（b）表1的第二类“轻微损伤”，在表3中为水准3：“轻度损坏”。
（c）表1的第三类“中等破坏”，在表3中为水准4：“中度损坏”。
（d）表1的第四类“严重破坏”，在表3中为水准5：“比较严重损坏”。
性能A、结构构件在预期大震下仍基本处于弹性状态，因此其细部构造仅需要满足最基本的构造要求。
实例表明，采用隔震、减震技术或低烈度设防且风力很大时有可能实现；条件许可时，可对某些关键构件提出这个性能目标。
性能B、结构构件在中震下完好，在预期大震下可能屈服、其细部构造满足低延性的要求。
如某6度设防的外框—核心筒结构，其风力是小震的2.4倍，风载层间位移是小震的2.5倍。
结构所有构件的承载力和层间位移均可满足中震（不计入风载效应组合）的设计要求；考虑水平构件在大震下损坏使刚度降低和阻尼加大，按等效线性化方法估算，竖向构件的最小极限承载力仍可满足大震下的验算要求，结构总体上可达到性能B 要求。
性能C 、在中震下已有轻微塑性变形，大震下有明显的塑性变形，其细部构造需满足中等延性的构造要求。
性能D 、在中震下的损坏已大于性能C ，结构总体的抗震承载力仅略高于一般情况，其细部构造需满足高延性要求。
（2）五类性能水准表2内4个等级的性能目标，涉及到五种破坏状态，《高规》将其称为抗震性能的五个水准（1、2、3、4、5）。
a 、第1抗震性能水准——完好，即所有构件保持弹性状态。
全部构件的抗震承载力设计值（拉、压、弯、剪、压弯、拉弯、稳定等）满足弹性设计的要求RE R S γ/<；层间变形（以弯曲变形为主的结构宜扣除整体弯曲变形）满足规范小震下的位移角限值[]e u ∆；这是各种预期性能目标在多遇地震下的基本要求——满足规范规定的承载力和弹性变形要求。
结构构件的抗震等级不宜低于《抗规》、《高规》的有关规定，需要特别加强的构件可适当提高抗震等级，已为特一级的不再提高。
