結構性能化設計要點

文/劉昌、楊霄 同圓設計集團有限公司 山東濟南 250101

1、引言

隨著抗震技術的發展基于性能的抗震設計方法，是建筑結構抗震設計的一個重要的發展方向。它的特點是，使抗震設計從宏觀定性的目標向具體量化的多重目標過度，設計者可選擇所需要的性能目標，有利于針對不同設防烈度、場地條件及建筑重要性采用不同的性能目標和抗震措施。

2、《高規》規定

02版《高規》提出的“三階段、兩水準”設計方法，實際上是性能化設計的雛形，只是沒有量化。10版《高規》3.11節根據抗震設防類別、設防烈度、場地條件、建造費用等把性能目標分為A、B、C、D四個等級，結構抗震性能五個水準，每個性能目標均與一組制定地面運動的性能水準對應。雖然說性能目標更細化，但操作起來比較麻煩。

3、性能化目標設計流程

通常我們所說的性能化目標有小震彈性、中震彈性、中震不屈服/不屈曲、大震彈性、大震不屈服/不屈曲。主要做法如下表所示。

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在做中震不屈服和大震不屈服的時候，往往忽略的一個問題是，連梁剛度折減需要重新定義，因此，相應地震力也會減小一些，因為連梁最先出現塑性鉸，剛度會減弱。

結構設計的一般流程，根據單工況的力，然后要進行一系列內力調整。主要步驟如下：

1）剪重比。對超高層來說，剪重比不容易滿足，一項重要的工作是增剛度、減重量，新《高規》要求，剪重比只要一層不滿足規范要求，全樓都需放大。另外，通過放大地震力的方法解決剪重比不滿足的問題時，請注意，如果相差比較小（比如5%），可以采用；但相差比較大（10%～20%），不宜采用，需要調整結構方案。

表1 某地區文化中心性能目標取值

表2 某超高層建筑性能目標取值

2）薄弱層

新《高規》和新《抗規》在薄弱層的放大系數上存在一點不同，《高規》規定是放大1.25倍，而《抗規》放大一個不小于1.15的系數，具體放大多少沒有說，根據結構實際情況確定。另外，新《高規》對薄弱層的判斷也有了變化，對除框架外的結構需采用層高修正的剛度比（也就是相鄰兩層剛度/位移角的比值的比較）。

3）0.2Q0調整

調整剪重比、薄弱層后，再進行0.2Q0調整。這里存在一個爭議的問題，0.2Q0調整是為了解決二道防線的問題，但中震是否進行0.2Q0調整？一般需要進行調整，但有時中震彈性調整，地震力放大倍數比較大。

4）時程調整

《高規》提出，要時程與反應譜設計值取包絡。實際上可以根據時程計算樓層剪力與反應譜計算樓層剪力比較，比值大于1，反應譜需要乘此系數。時程分析的結果由于鞭梢效應，在高區往往比反應譜的結果大，設計時，需要特別注意。

5）墻柱弱梁、強剪弱彎、角柱等地震內力調整

經過前四項的調整，最后，按規范進行梁、柱內力調整。

4、性能目標選取

結構設計性能化是根據結構高度、規則性（平面、立面）及結構的重要性，來增強結構（構件）延性，使結構延性破壞。實際上結構抗震設計的一個重要紐帶是抗震等級，通過調整抗震等級，來增強結構的抗震措施和抗震構造措施，規范一系列規定，都是圍繞此進行。歸根結底，是增強結構的延性設計。采用性能化設計的方法，需要考慮結構的不規則程度、超高超限的情況、所在地區的烈度和經濟因素，對結構薄弱部位、關鍵部位（比如加強層）、主要抗側力構件，采取提高抗震承載力或提高結構變形能力，確定合理的性能目標，提高結構的延性。

（1）如果結構超過現行《高規》B級高度很多，比如說結構高度超過200m（6度區），結構需要設置加強層時，其薄弱部位（加強層及其上下一層）、重要部位和關鍵構件（腰桁架、伸臂桁架、豎向抗側力構件）按中震彈性設計，并且要控制剪力墻的軸壓比，有條件地可以在剪力墻角部，縱橫墻連接處設置部分型鋼（根據情況，甚至可以設置鋼板剪力墻），墻內型鋼設置高度可以根據軸壓比的情況確定。底部加強區、加強層及其上下各一層（抗震等級提高一級）框架柱按中震彈性進行設計，其它區域框架可以按中震不屈服進行設計；加強層中伸臂桁架、腰桁架按中震彈性、大震不屈服進行設計，同時控制桁架的應力比；加強層樓板因為要傳遞水平力，需要單獨進行受力分析，板厚加厚，鋼筋需要雙層雙向拉通，并需要加強，必要時在樓板處設計水平支撐（特別是布置伸臂桁架），連梁抗剪按中震彈性、抗彎按不屈服（必要時在連梁里設計鋼板，提高其抗剪性能，但抗彎性能沒有增強）。

（2）如果結構超B級高度，但超過不太多，不超過200m（一般不需要設計加強層，除非核心筒高寬比非常大，達到20，這樣可以按第（1）取性能目標），剪力墻需要進行中震抗剪彈性進行設計，底部加強區需要進行抗彎中震彈性設計，非底部加強區需要進行抗彎不屈服進行設計。框架可以按中震不屈服進行設計，連梁按中震不屈服、部分允許進行塑性。

（3）如果超A級高度，但不超過B級高度，有時超限專家也會提性能化目標。筆者認為可以，剪力墻、框架可以取中震不屈服等略低的性能目標進行設計。

另外，需要注意的是，當風荷載很大，但處于低烈度區，有時不屈服會比小震（考慮風荷載）結果小，這是因為風荷載起控制作用，地震不起控制作用，中震還不用乘一些調整系數。

下面給出兩個性能化設計目標的取值，供參考。表1是某地區文化中心，結構高度200m，沒有加強層。表2某超高層建筑，結構高度248m，設有一道加強層（腰桁架）。

因此，綜合考慮結構的不規則程度、超高超限情況、所在地區的烈度和經濟因素，基于結構性能化設計的抗震設計方法對于復雜超限高層結構及其他超限復雜結構是一個必要的補充，能夠更好的把握結構設計的薄弱環節進行對應加強。