基于性能的建筑結構抗震設計分析

陳超 周達威

關鍵詞：建筑結構;抗震設計;性能目標;工程案例

1 引言

隨著城市的發展，為提高土地的使用效率，現代建筑越來越朝著超高層、大跨度、結構復雜的方向發展，這也給建筑結構設計帶來了更多的挑戰。而同時，地震對建筑的破壞往往會造成大量的經濟損失甚至人員傷亡，為了在建筑結構不斷發展的同時減少地震災害，需要對建筑抗震設計理論方法有更多的科學研究。本文主要圍繞基于性能的建筑結構抗震設計展開分析。

2 基于性能的抗震設計理論的提出

現代建筑結構抗震設計的設計理念和方法，經歷了從一開始的靜力法理論到目前基于性能的抗震設計理論的一系列發展。從 20 世紀初，日本提出了一種相對簡單的靜力法的抗震設計思想。到 20 世紀中葉，美國學者提出了反應譜法抗震設計方法，并在反應譜法的基礎上產生了“小震不破壞、中震可修、大震不倒塌”的設計思想。而后隨著計算機技術的發展，時程分析法也不斷得到更多的應用。到了 20 世紀 90 年代及 21 世紀，對結構抗震設計進一步的細化和個性化，產生了基于性能的抗震設計理論（ Performance Based Seismic Design，即PBSD），使建筑結構抗震設計步入了一個新的發展階段?；谛阅艿目拐鹪O計的概念，主要按照建筑物重要性、用途或業主的要求明確抗震性能目標，并提出不同的抗震設防等級，對結構設計進行定量的性能評價看其結構是否能達到性能指標要求，使結構在以后的地震中具備設計目標所希望達到的功能。所以，基于性能的抗震設計，其實質是一種對建筑結構抗震性能實行定制化設計的抗震設計理論方法，強調性能控制與資源最優化的設計觀念，本文主要圍繞此展開詳細分析。

3 基于性能的建筑結構抗震設計方法與基本流程

3.1設計方法

基于性能的抗震設計時，各類建筑結構所需要的抗震性能目標往往不同，需要控制各類因素，對各類結構的地震反應參數的控制要求往往因建筑抗震需求的不同而不同。例如有些結構以承載力指標控制為主，有些則以位移指標控制為主。目前，基于性能的抗震設計方法包括基于承載力、能量、位移、可靠度分析以及損傷等幾種。

3.2設計基本流程

基于性能的抗震設計，總體流程大致包括性能目標的設定，設計方案的選擇、論證、評價等，流程如圖1所示。

4.1工程概況

本工程為住宅項目，項目總用地面積105566.0m2，本期用地面積17152.95m2，總建筑面積62059.42m2，地下建筑面積16026.54m2。本工程由2#、7#、12#、S3#配電房、地庫組成。2號樓為29層單元式住宅，7號樓為34層單元式住宅，12號樓為31層單元式住宅，S3#配電房（5.200m）為一層框架結構，地下室共一層，地下一層為機動車庫、非機動車庫、設備用房。2#、7#、12#樓建筑最大高度為98.600m，是一個A級高度鋼筋混凝土高層剪力墻建筑。

4.2抗震性能分析與設計措施

根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質 [2015]67 號）的規定，需進行結構高度、一般不規則性、特別不規則抗震超限檢查。綜合三項超限檢查結果，本工程存在 1 項一般不規則性，無特別不規則，根據 GB50010-2010 第 3.4.1 條，屬于比較規則的 A 級高度不超限高層建筑。針對本工程，依據 GB 50011-2010 和 JGJ 3-2010，主要采取如下分析與設計措施：

（1）參照 GB 50011-2010 第 5.1.2 條，采用時程分析法對多遇地震下進行補充計算。時程分析法時，按照建筑場地類別選擇 2 組實際強震記錄、 1 組人工模擬加速度時程曲線，要求所選的時程曲線平均地震影響系數曲線、振型分解反應譜法采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符;彈性時程分析時，每條時程曲線計算得到的結構底部剪力應超過振型分解反應譜法計算結果 65%，多條時程曲線計算得到的結構底部剪力平均值超過振型分解反應譜法計算結果 80%。樓層地震剪力取時程計算得到的最大值和振型分解反應譜法計算結果進行包絡設計，確保各個構件滿足多遇地震彈性要求。

（2）選用 PKPM 軟件開展罕遇地震靜力彈塑性時程分析，檢查構件和整體結構的損傷情況，針對重要、薄弱部位進行加強;關鍵構件平面布置與編號如圖2所示。

4.3設計加強措施與論證結論

首先采用 SATWE 補充開展多遇地震作用下的彈性時程分析，所選擇的 3 組地震波滿足規范要求，結構設計取用時程分析最大值與振型分解反應譜法的結果實施包絡設計，保證各構件滿足多遇地震彈性要求。然后采用 PKPM 軟件進行罕遇地震靜力彈塑性時程分析，檢查構件和整體結構的損傷情況。結合大震工況下性能點步驟時結構整體損傷情況，對底部加強區損傷嚴重的山墻、樓梯間端部的剪力墻，適當的提高墻體的水平和豎向的配筋率，加強墻體的抗拉和抗剪承載力。

本工程底部加強區剪力墻局部存在錯位，錯位部位上下層的剪力墻 Q7a 和 Q7 的抗震等級提高一級后至一級，剪力墻 Q7a 和 Q7 兩端端柱和連接剪力墻 Q7a 和 Q7 的框支梁的抗震等級提高一級后至一級。同時相關區域的樓板板厚加強至200，實際計算時按照彈性膜考慮，最小配筋率按照雙層雙向 0.25% 控制。

5 結語

綜上所述，近年來基于性能的抗震設計理論方法被越來越廣泛的研究和應用。近些年來的工程實踐已積累一定經驗，本工程結構分析模型準確，參數選擇符合規范要求、工程現場條件;根據分析結果，針對性進行局部加強、對錯位處的框梁進行有限元分析，確?？拐鹦阅軡M足規范要求，且承載、變形能力均存在一定富余。

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作者簡介：陳超（1990-），男，湖南郴州人，工程師，碩士研究生，工作方向：巖土工程、結構工程。