建筑結構設計中抗震性能化設計要點探討

秦成林

（山東省建筑設計研究院有限公司泰安分院，山東泰安271000）

1 引言

在地震作用下，建筑結構會出現損傷，導致建筑被破壞。因此，建筑的設計過程中，應加強抗震設計。建筑性能化設計主要研究建筑構造的延性，即地震作用力下建筑的不斷裂性。基于此，本文通過分析結構設計，闡述建筑的延性在抗震性設計中的作用，分析提高建筑抗震性能化設計的要點。

2 對抗震性能化設計的理解

2.1 抗震性能化設計概念的提出

目前，建筑行業對抗震性能化設計的理解尚不統一。部分學者認為，以結構物的變形需求為結構設計控制依據的設計形式就可以稱之為抗震性能化設計；也有學者認為，以減少經濟損失、結構損傷作為性能目標進行設計，并對其進行驗證與分析的過程被稱為抗震性能化設計。實際上，建筑結構抗震性能化設計是抗震設計一步步發展、完善的結果。美國加州結構工程師學會、美國應用化工技術局、美國聯邦緊急救援組織最早提出基于結構性能的抗震設計概念，即根據建筑物的重要性、用途、業主要求來確定性能目標，因此，提出不同的抗震設防水準，并且進行抗震結構設計。最后，對設計方案進行評估，檢驗其是否滿足性能目標的要求，以及能否滿足建筑結構在未來地震中具備的功能。在設計過程中，對結構使用靜力彈性、動力彈塑性時程分析法分析結構的抗震性能，驗證建筑結構是否可以達到設計性能目標。

2.2 抗震性能化設計的目的、內容

抗震性能設計的目的是在建筑結構壽命周期內，在一定條件下，提高建筑結構抵御地震災害的能力，在地震作用下，減輕結構的破壞程度，從而減少人員傷亡、經營中斷、再次修建等損失。因此，抗震性能化設計是一種“多級抗震設防”的方式，是對抗震設計的深化與細化。具體設計內容包括地震設防水準、性能目標確定、結構抗震性能水平的確定、結構抗震性能分析評估4個方面。在所有的設計內容中，需要考慮2個基本方向：地震需求與結構能力[1]。結構性能設計的最終目的是使設計的建筑結構部件的抗震能力達標，強于地震需求指標且費用最低。

抗震性能化設計，就是一種建立在概念設計基礎上的抗震設計新發展。抗震性能化設計仍然是以現有的抗震設計水平和經濟條件為前提，從受力體對性能目標進行理解的設計過程，主要是采取各種設計方法和裝置，使整個結構或者是某些部位、關鍵構件在地震作用過程中，產生的破壞最小。在外力方面，在地震作用下，首先評估結構設計使用壽命內可能發生的地震等級。GB 50011—2016《建筑抗震設計規范》（以下簡稱《抗規》）中詳述的地震的3個水準是小震、中震和大震。實際上性能化設計還需要考慮近場效應的影響。在《抗規》中規定，處于發震斷層周圍10 km以內的結構的振動參數，如振幅、頻率、持續時間等都應計入近場影響中，這有利于對地震效應的計算與充分考慮。這種考慮方式也是在具體形式上具體分析的個性化手段。性能目標不再是一個籠統概念，而是在構件破壞狀態、功能保留狀態上高于三水準設計要求的目標設置。

3 結構抗震性能水準

建筑結構的抗震性能水準見表1，具體分析如下：

表1 結構抗震性能水準

1）完好。小震作用下全部構件抗震承載能力均滿足彈性設計要求，抗拉、抗壓、抗彎、壓彎等方面的性能均滿足小震作用下對建筑結構的要求。層間變形滿足相關規范中位移角的限值。中震作用下，構件承載力滿足彈性設計要求。

2）基本完好。小震作用下構件保持基本彈性狀態，層間位移超過變形限值極少。中震與大震作用下，建筑結構保持基本彈性狀態，層間位移超過彈性變形限值。

3）輕度損壞。小震同上，中震與大震作用下，建筑結構構件出現輕微塑性變形，但尚未達到屈服狀態，建筑整體結構進入彈塑性狀態，部分耗能構件進入屈服階段，剪力墻剛度折減。大震作用下，建筑結構薄弱部分最大層間位移角滿足規范。

4）中度破壞。小震同上，中震與大震作用下結構發生明顯變形，大部分建筑構件進入屈服狀態，但是鋼筋混凝土構建、混凝土組合剪力墻結構不應不發生脆性破壞。

5）嚴重破壞。小震同上，中震與大震作用下結構出現明顯塑性變形，大部分耗能構件進入屈服階段，不允許同一樓層的豎向構件全部屈服，控制整體結構承載力不發生下降。

4 提高建筑抗震性能設計的途徑

4.1 砌體結構設計

建筑的柱體結構與圈梁砌筑墻體部分會因為受到水平地震荷載與豎直地震荷載的作用下而出現裂縫，將墻體劃分為多個塊體。在水平地震荷載的作用下，建筑結構會產生水平方向的位移，逐漸向外移動，導致結構裂縫的開裂程度越來越大，破壞墻體的整體性，使墻體承壓面積逐漸減小。當其承載力無法達到設計承載要求時，就會出現坍塌，墻體承載能力也逐漸消失。基于這種情況，應重視結構柱和圈梁的設計，提高結構的彈性，從而消耗一部分地震作用力，避免建筑墻體的剛度快速衰退從而發生坍塌現象，或者延緩這種問題的發生，使建筑即使在中震與大震情況下，也不會出現快速坍塌。

4.2 鋼筋混凝土結構設計

建筑的塑性變形大小需要通過鋼筋混凝土結構來控制，因此，鋼筋混凝土結構應滿足相關規范對其抗拉與屈服強度的要求，鋼筋混凝土結構的其他參數指標也應在合理范圍內，并且鋼筋混凝土結構的變形能力和屈服強度應有余量。因此，設計框架梁、柱結構時，應強化梁柱之間的結構延性，以提高其抗震性能。

另外，仍有少部分人認為，鋼筋混凝土強度高就代表性能好，在設計中需要避開這一誤區，應因地制宜地根據實際情況合理設計與分析。比如，混凝土強度越高，結構的脆性越強，相對應的結構的延性則越低，越不利于消耗地震作用[2]。因此，結合抗震性能設計指標，如果抗震設防烈度為9度，混凝土強度最高采用C60；如果抗震設防烈度為8度，混凝土強度最高采用C70。在實際設計中，還要根據混凝土受壓構建的軸壓比進行調整、控制，確保結構設計符合相關規范的要求。

在鋼筋施工中，控制好箍筋的質量，對箍筋進行優化也可以取得理想的抗震效果。具體的優化途徑是：增強箍筋的抗變形能力、極限強度、耗能能力，可以根據箍筋的形式、間距、數量等充分考慮。

5 結語

綜上所述，在建筑結構設計中，進行抗震性能化設計，做好建筑結構延性設計，將其作為抗震性能的重要指標，可以提高建筑抗震性能。因此，為保證建筑抗震性能，降低財產損失，應重視建筑結構的延性設計，實現建筑的抗震性能化設計。