綠色建筑基于性能的抗震設計要點

閆新，孟磊

（1煤炭工業合肥設計研究院有限責任公司，安徽 合肥 230041；2安徽省金田建筑設計咨詢有限責任公司，安徽 合肥 230051）

0 引言

近日合肥市建委印發了“合肥市城鄉建設局關于進一步加強全市房屋建筑工程抗震管理的通知”合建〔2019〕255號。對房屋建筑工程抗震管理作出了更明確的要求，其中二.(四)款對綠色建筑工程的性能化設計作出明確要求：“綠色建筑宜采用基于性能的抗震設計并合理提高建筑的抗震性能。二星級綠色建筑，其關鍵構件的抗震承載力應不低于“中震不屈服”，豎向構件的受剪截面應滿足“中震截面限制條件”，或采取減震隔震技術。三星級綠色建筑，其關鍵構件和普通豎向構件的正截面承載力、耗能構件的受剪承載力均應不低于“中震不屈服”抗震性能水平，或采取減震隔震技術”。為了便于執行上述規定，本文重點對一些概念和實施方法進行論述，供設計參考。

1 綠色建筑星級評價

在全壽命期內，節約資源、保護環境、減少污染，為人們提供健康、適用、高效的使用空間，最大限度地實現人與自然和諧共生的高質量建筑為綠色建筑。涉及建筑安全耐久、健康舒服、生活便利、資源節約（節地、節能、節水、節材）和環境宜居等方面的綜合性能。綠色建筑劃分為基本級、一星級、二星級、三星級四個等級。根據《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378-2019）第4.2.1條規定：“采用基于性能的抗震設計并合理提高建筑的抗震性能，評價分值為10分?！?.2.1條文說明中明確為：采用基于性能的抗震設計并適當提高建筑的抗震性能指標要求，如采用“中震不屈服”以上的性能目標，或者為滿足使用功能而提出比現行標準要求更高的剛度要求等，可以提高建筑的抗震安全性及功能性；采用隔震、消能減震設計，是提高建筑物的設計類別或提高其抗震性能要求時的有效手段?？梢钥闯鼍G色建筑工程基于性能的抗震設計要求與合建〔2019〕255號文較為一致，設計時對合肥地區的房屋建筑工程需按合建〔2019〕255號要求執行。

2 關鍵構件、普通豎向構件、耗能構件

關鍵構件：《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）指該構件的失效可能引起結構的連續破壞或危及生命安全的嚴重破壞。在性能化設計時，通常將以下三類構件設定為關鍵構件:推遲結構進入屈服階段的構件，如底部加強區核心筒剪力墻；二是可能引起較大內力重分布的構件，如抬柱梁；三是可能引起結構連續倒塌的構件，如大懸挑桁架的弦桿和腹桿。關鍵構件舉例及相應最低性能水準要求見表1。普通堅向構件：指“關鍵構件”之外的其他豎向構件。耗能構件：一般框架梁、剪力墻連梁、偏心支撐的耗能梁、耗能支撐、耗能阻尼裝置等屬于耗能構件。

表1 關鍵構件舉例及相應最低性能水準要求

3 抗震性能化設計原則

抗震性能化設計是指預先設定具體量化的不同地震水準下建筑的不同性能目標(地震反應和損傷程度)，通過深入的計算分析、試驗等進行論證，調整結構布置，采取有針對性的加強措施，使得建筑結構滿足設計預期的性能目標要求。抗震性能化設計可以滿足社會和業主對建筑抗震性能的多層次要求；可以解決由于采用現行規范或標準中還未明確規定的新結構體系、新技術、新材料帶來的設計依據缺失問題；對于超限高層建筑工程，由于其超出相關規范要求的抗震概念設計要求，需要通過性能化設計了解不同地震水準下建筑結構抗震性能。

抗震性能化設計基本原則如下：①抗震性能化設計是在我國規范“小震不壞、中震可修和大震不倒”的抗震設防準則基礎上，進一步提高建筑結構抗震能力的設計方法，通過細化中、大震作用下的抗震設計，是對兩階段抗震設計方法的補充和完善。②抗震性能化設計主要目標是提高結構抗震安全度。抗震安全度體現在以下方面:結構具有合理的屈服機制和耗能機制；構件在中、大震下具有相應的抗震承載能力或損傷處于受控狀態；構件變形控制在合理程度。③抗震性能化設計通過以下過程完成：建立符合實際情況的計算模型，進行比較精細化的計算分析，選擇合理的設防目標并加以復核驗證，采取有針對性的對薄弱部位和環節的加強措施。在彈塑性分析前應進行符合實際的施工模擬分析。

性反應譜分析法。應對計算結果的合理性、正確性進行分析和判斷。⑤彈塑性計算模型應采用得到試驗驗證的、國內外公認的材料層次、構件層次以及結構層次彈塑性模型。⑥結構的計算模型應真實反映進入非線性狀態后結構質量和剛度的空間分布。所有的非線性反應均應考慮P-△效應。⑦彈塑性計算需采用國內外公認的結構彈塑性計算軟件。

4 中震(大震)彈性、中震(大震)不屈服

結構在中、大震作用下，由于部分結構構件已經屈服，結構的整體阻尼比和周期均增加，從加速度反應譜曲線可以看出，結構阻尼和周期的增加均會減小結構的地震力。等效彈性分析方法通過增加阻尼比和折減連梁剛度的方法來近似考慮結構阻尼的增加和結構剛度的退化。為方便設計，中震和大震采用等效彈性方法計算豎向構件及關鍵部位構件的組合內力，計算中適當考慮結構阻尼比的增加以及剪力墻連梁剛度的折減。

中震(大震)彈性、中震(大震)不屈服指在設防地震(罕遇地震)水準下，通過等效彈性計算復核特定構件承載力是否滿足彈性或不屈服狀態。中震(大震)彈性設計:取消內力調整系數但保留荷載分項系數、承載力抗震調整系數，材料強度按設計強度取值。構件既在中震(大震)作用下處于彈性狀態，又保留了結構的安全度和可靠度。中震(大震)不屈服設計:取消內力調整系數，荷載分項系數、承載力抗震調整系數取為1.0，材料強度取標準值。構件已經達到彈性狀態的極限狀態即將進入屈服階段。表2為某超限高層等效彈性分析參數，可供參考。將等效彈性反應譜法與時程分析法的計算結果進行比較，可驗證等效彈性反應譜計算模型中損傷位置構件折減剛度取值的合理性。采用等效彈性反應譜計算的底部地震剪力與彈塑性時程計算的底部剪力比值宜為1.0～1.2。彈塑性時程計算的底部地震剪力3條波時取最大值，7條波時取平均值。

表2 等效彈性分析參數

5 中、大震構件承載力計算

按照《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）(2016年版）附錄M.1推薦的抗震性能設計的方法，結構構件實現抗震性能要求可以從構件承載力、變形能力和構造的抗震等級三個方面來實現，軟件通過計算主要實現構件承載力方面的性能設計要求。構件承載力計算公式《抗規》及《高規》對比列于表3。

表3 設防地震構件承載力計算

對比《抗規》《高規》的構件承載力計算公式可以發現兩者之間存在一定聯系，但無法嚴格對位，比如《抗規》采用的標準組合不考慮《高規》的0.4系數，《抗規》對于大震不屈服項采用材料強度極限值，而《高規》無論中震、大震，對不屈服項均采用材料標準值計算。由于《抗規》性能設計可以分別對構件的正、斜截面進行性能類型指定，因此兩者之間有一定的相似性，以下列出一些相似的情況：

①《抗規》中震斜截面彈性、正截面彈性≈《高規》普通構件性能2；

②《抗規》中震斜截面彈性、正截面不屈服≈《高規》普通構件性能3；

③《抗規》中震斜截面不屈服、正截面不屈服≈《高規》關鍵構件能4。

6 減震隔震技術

消能減震原理：在建筑結構的某些部位設置消能（阻尼）器，在地震作用下，消能器產生摩擦、彎曲、剪切、扭轉彈塑（黏彈）性滯回變形來耗散或吸收地震輸入結構中的能量，以減少主體結構的地震反應。常用的方法有四種：①增大阻尼比（阻尼法）；②延長結構周期（隔震法）；③改變地震作用的分布（剛度法）；④以上方法的組合。減隔震技術對比見表4。

表4 減隔震技術對比

7 結語

需要注意的是綠色建筑工程中的性能化設計要求較超限工程的設計不能等同，綠色建筑工程視綠建星級確定性能化目標。而超限工程需根據抗震設防烈度、抗震設防分類、場地類別、超限項類型及超限程度、建造費用、震后修復難易程度等根據《高規》或《抗規》有關性能化設計要求選定相應的抗震性能目標。

綠色建筑的評價是對建筑全壽命期內的建筑安全耐久、健康舒服、生活便利、資源節約和環境宜居等性能進行綜合評價。綠色建筑以“四節一環保”為基本約束，以“以人為本”為核心要求，對場地的風、聲、光、熱環境應加以組織和利用。對安全評分項的基于性能的抗震設計在合理和經濟性上宜充分結合地方情況綜合確定。