《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》抗震性能化設(shè)計(jì)規(guī)定的分析對(duì)比

摘" 要" 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010，2016版）和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 3—2010）均有抗震性能化設(shè)計(jì)的規(guī)定且略有不同，工程師在執(zhí)行中可不避免地產(chǎn)生困惑。本文分析兩本規(guī)范抗震性能化設(shè)計(jì)的規(guī)定，從荷載-位移曲線的角度闡述性能目標(biāo)、性能水準(zhǔn)的含義，并對(duì)比兩本規(guī)范的設(shè)計(jì)參數(shù)。列舉29個(gè)采用性能化設(shè)計(jì)方法的工程實(shí)例，分析位移指標(biāo)的取值依據(jù)。根據(jù)上述兩方面分析，總結(jié)兩本規(guī)范性能化設(shè)計(jì)規(guī)定的不同點(diǎn)，并給出設(shè)計(jì)建議。

關(guān)鍵詞" 抗震性能化設(shè)計(jì)， 性能目標(biāo)， 性能水準(zhǔn)， 變形

收稿日期： 2023-06-14

* 聯(lián)系作者： 陳 嶸，男，講師，主要從事抗震設(shè)計(jì)研究。E-mail： 49264334@qq.com

Comparative Analysis of Seismic Performance-Based Design Provisions in Code for Seismic Design of Buildings and Technical Specification for Concrete Structures of Tall Building

CHEN Rong*

（Beijin University of Civil Engineering and Architecture， Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Civil Engineering Structure and Renewable Material， Beijing 100044， China）

Abstract" The code for Seismic Design of Buildings （GB 50011—2010， 2016 edition） and the Technical Specification for Concrete Structures of Tall Buildings （JGJ 3—2010） both have provisions for performance-based seismic design， albeit with slight differences. Engineers， in their execution， may inevitably encounter confusion due to these variations. This paper analyzes the provisions of both codes regarding seismic performance design， and explains the meanings of seismic performance objectives and seismic performance levels from the perspective of load-displacement curves. It also compares the design parameters of the two codes. By listing 29 engineering cases adopting performance-based design methods， this study analyzed the basis for determining displacement indicators. Based on the analyses of these two aspects， the differences in the specifications regarding performance-based design are summarized， and design recommendations are provided.

Keywords" performance-based seismic design， seismic performance objective， seismic performance level， displacement

0" 引" 言

抗震性能化設(shè)計(jì)由美國(guó)加利福尼亞結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(huì)（SEAOC，1960）提出建議，并由波特蘭水泥協(xié)會(huì)（PCA，1961）發(fā)布了一份出版物。1964年Alaska地震、1971年San Fernando地震、1989年Loma Prieta地震和1994年Northridge地震的震害導(dǎo)致規(guī)范不斷修訂，震害表明美國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范相對(duì)有效地保護(hù)了使用者的生命安全，但經(jīng)濟(jì)損失巨大，因此需要確定性能目標(biāo)說(shuō)明經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)—破壞程度。1995年SEAOC編寫(xiě)了《基于性能的建筑抗震工程》，1996年應(yīng)用技術(shù)委員會(huì)（ATC）發(fā)布了《混凝土建筑抗震改造方法》（ATC 40），1997年聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局（FEMA）制定的文件（FEMA 273）引入了性能化設(shè)計(jì)。之后，國(guó)際規(guī)范理事會(huì)（ICC）頒布了適用于建筑和設(shè)施的性能化規(guī)范（ICC 2003a）—一種完全基于性能的建筑規(guī)范。［1-2］

當(dāng)研究不同性能化設(shè)計(jì)方法后可以發(fā)現(xiàn)，相同點(diǎn)遠(yuǎn)多于不同點(diǎn)，它們的設(shè)計(jì)框架基本相同而具體參數(shù)有一些變化。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010，2016版）［3］（簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）［4］（簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）均有抗震性能化設(shè)計(jì)的規(guī)定，具體規(guī)定略有不同。本文結(jié)合性能化設(shè)計(jì)理論分析兩本規(guī)范規(guī)定，從荷載-位移曲線的角度梳理邏輯關(guān)系、分析對(duì)比，再依據(jù)工程實(shí)例給出設(shè)計(jì)建議。

1" 《抗規(guī)》抗震性能化設(shè)計(jì)分析

《抗規(guī)》3.10.3條指出抗震性能化設(shè)計(jì)的主要工作是確定性能目標(biāo)、地震動(dòng)水準(zhǔn)和性能水準(zhǔn)，選定建筑在不同地震動(dòng)水準(zhǔn)下的性能水準(zhǔn)就是確定性能目標(biāo)，它是對(duì)建筑經(jīng)歷不同地震動(dòng)水準(zhǔn)后的破壞狀態(tài)或使用功能的預(yù)測(cè)。

1.1 性能目標(biāo)和地震動(dòng)水準(zhǔn)

性能目標(biāo)就是多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震（地震動(dòng)水準(zhǔn)）與不同性能水準(zhǔn)（破壞狀態(tài)或使用功能的預(yù)期）的組合。《抗規(guī)》將性能目標(biāo)劃分為4個(gè)級(jí)別，根據(jù)相關(guān)規(guī)定可把性能目標(biāo)、地震動(dòng)水準(zhǔn)和性能水準(zhǔn)三者關(guān)系總結(jié)為表1。

《抗規(guī)》3.10.3條1款規(guī)定了50年設(shè)計(jì)使用年限結(jié)構(gòu)的“小震、中震、大震”計(jì)算參數(shù)，并對(duì)其他情況給出建議。

1.2 性能水準(zhǔn)及指標(biāo)

性能化設(shè)計(jì)是一種靈活的設(shè)計(jì)方式，可以由業(yè)主和工程師協(xié)商完成，為了讓兩者方便交流，又能明確結(jié)構(gòu)在特定地震作用下的破壞狀態(tài)，需要兩類標(biāo)準(zhǔn)并能夠相互轉(zhuǎn)換。

（1） 對(duì)于非專業(yè)人員（業(yè)主）用定性的表達(dá)方法：完好、輕微、中等和嚴(yán)重破壞、倒塌等。

（2） 對(duì)于專業(yè)人員用定量的表述方法：承載力、位移、延性、耗能等。

《抗規(guī)》3.10.3條及附錄M給出①完好、②基本完好、③輕微損壞、④輕～中等破壞、⑤中等破壞、⑥接近嚴(yán)重破壞（不嚴(yán)重破壞）的定義，并以承載力、變形能力（位移）、延性構(gòu)造三項(xiàng)指標(biāo)給出各級(jí)性能水準(zhǔn)的具體參數(shù)，這樣實(shí)現(xiàn)了不同表達(dá)方式之間的等效關(guān)系，這種關(guān)系可總結(jié)為表2。

表2中由上至下延性構(gòu)造和變形能力逐步提高，而承載力逐步降低，各級(jí)性能水準(zhǔn)的承載力和延性構(gòu)造關(guān)系是：高承載力、低延性構(gòu)造，低承載力、高延性構(gòu)造。

1.3 性能水準(zhǔn)、性能目標(biāo)與荷載-位移曲線的關(guān)系

六級(jí)性能水準(zhǔn)實(shí)質(zhì)上是對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在地震作用下破壞狀態(tài)的劃分，也是對(duì)荷載-位移曲線的劃分，因此可用圖1表示。性能水準(zhǔn)①～⑥表示結(jié)構(gòu)或構(gòu)件整個(gè)受力過(guò)程的某一階段，性能目標(biāo)1～4表示結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受力過(guò)程曲線的終點(diǎn)位置。需要說(shuō)明，各性能目標(biāo)曲線的豎向坐標(biāo)即屈服荷載是變化的，圖中曲線代表一系列不同性能目標(biāo)曲線。

1.4 彈塑性分析方法

《抗規(guī)》按照結(jié)構(gòu)整體進(jìn)入彈塑性程度的不同，給出不同的分析方法（圖2）：結(jié)構(gòu)總體上處于開(kāi)裂階段或剛剛進(jìn)入屈服階段，可取等效剛度和等效阻尼按等效線性方法估算，AB段；結(jié)構(gòu)總體上處于承載力屈服至極限階段宜采用靜力或動(dòng)力彈塑性分析方法估算，BC段；結(jié)構(gòu)總體上處于承載力下降階段應(yīng)采用計(jì)入下降段參數(shù)的動(dòng)力彈塑性分析方法估算，CD段。

2" 《高規(guī)》抗震性能化設(shè)計(jì)分析

《高規(guī)》3.11.1條指出，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)主要工作是：分析結(jié)構(gòu)方案；選用抗震性能目標(biāo)；計(jì)算分析和工程判斷。地震動(dòng)水準(zhǔn)劃分服從《抗規(guī)》規(guī)定。

2.1 性能目標(biāo)

《高規(guī)》3.11.1條將性能目標(biāo)分為A、B、C、D四級(jí)，性能目標(biāo)的劃分及要求見(jiàn)表3，表中編號(hào)1～5表示五級(jí)性能水準(zhǔn)。

2.2 性能水準(zhǔn)及指標(biāo)

性能水準(zhǔn)分為五級(jí)：1.完好、無(wú)損壞；2.基本完好、輕微損壞；3.輕度損壞；4.中度損壞；5.比較嚴(yán)重?fù)p壞。考慮到高層建筑各個(gè)構(gòu)件作用不同，例如轉(zhuǎn)換梁比剪力墻連梁更重要，將構(gòu)件分類并限定其破壞程度。構(gòu)件分三類：關(guān)鍵構(gòu)件——失效可能引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)破壞或危及生命的嚴(yán)重破壞；普通豎向構(gòu)件——關(guān)鍵構(gòu)件之外的豎向構(gòu)件；耗能構(gòu)件——框架梁、剪力墻連梁及耗能支撐等。與《抗規(guī)》類似，每級(jí)性能水準(zhǔn)規(guī)定了承載力和位移要求。表4總結(jié)了《高規(guī)》性能水準(zhǔn)的規(guī)定，表中小注所列公式編號(hào)見(jiàn)《高規(guī)》。

注：彈性—小震時(shí)常規(guī)設(shè)計(jì)，中震時(shí)符合式（3.11.3-1）；彈性*—滿足彈性層間側(cè)移角限值要求，3.7.3條；彈塑性—結(jié)構(gòu)薄弱部位滿足彈塑性層間位移角限值要求，3.7.5條。不屈服—應(yīng)符合式（3.11.3-2）；不屈服*—除滿足（3.11.3-2）外，還應(yīng)滿足（3.11.3-3）；截面限制—混凝土構(gòu)件應(yīng)符合式（3.11.3-4），這是防止構(gòu)件發(fā)生脆性受剪破壞的最低要求；宜不屈服—宜符合式（3.11.3-2）；較多屈服—同一樓層的普通豎向構(gòu)件不宜全部屈服；性能水準(zhǔn)4—整體結(jié)構(gòu)的承載力不發(fā)生下降；性能水準(zhǔn)5—整體結(jié)構(gòu)的承載力下降幅度不超過(guò)10%。

《高規(guī)》3.11.3條條文說(shuō)明指出，結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)不宜低于本規(guī)程的有關(guān)規(guī)定，需要特別加強(qiáng)的構(gòu)件可適當(dāng)提高抗震等級(jí)，已為特一級(jí)的不再提高。這表明《高規(guī)》不按高承載力-低延性構(gòu)造，低承載力-高延性構(gòu)造的方法調(diào)整構(gòu)造要求，而是提高了高層結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備以應(yīng)對(duì)地震的不確定性，也提高了造價(jià)。

2.3 性能水準(zhǔn)、性能目標(biāo)與荷載-位移曲線的關(guān)系

《高規(guī)》各級(jí)性能水準(zhǔn)、性能目標(biāo)也可以荷載-位移曲線表示，如圖3所示。

3" 《高規(guī)》與《抗規(guī)》抗震性能化設(shè)計(jì)對(duì)比

圖4表明，《高規(guī)》《抗規(guī)》抗震性能化設(shè)計(jì)的框架基本相同，四級(jí)性能目標(biāo)、三級(jí)地震動(dòng)水準(zhǔn)。性能水準(zhǔn)略有不同：《高規(guī)》性能水準(zhǔn)分五級(jí)，表4表明位移限值僅分兩級(jí)：彈性限值（3.7.3條）和彈塑性限值（3.7.5條），抗震等級(jí)不宜降低，特別構(gòu)件可適當(dāng)提高；《抗規(guī)》性能水準(zhǔn)分六級(jí)，表2表明位移限值分六級(jí)，延性構(gòu)造隨承載力的提高而降低。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，《高規(guī)》要求抗震等級(jí)不宜降低，那么對(duì)應(yīng)的構(gòu)造要求也不降低，這點(diǎn)比《抗規(guī)》嚴(yán)格。《高規(guī)》位移限值僅分兩級(jí)，實(shí)際上僅對(duì)小震和大震進(jìn)行控制，沒(méi)有中震的位移限值，這點(diǎn)沒(méi)有《抗規(guī)》嚴(yán)格。

4" 工程實(shí)例分析

表5統(tǒng)計(jì)了近期29個(gè)實(shí)際工程，性能化設(shè)計(jì)步驟基本按照?qǐng)D4完成：根據(jù)結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性、復(fù)雜性確定性能目標(biāo)→明確各地震動(dòng)水準(zhǔn)下構(gòu)件的性能水準(zhǔn)→驗(yàn)算指標(biāo)。

上述工程性能目標(biāo)均為C或D級(jí)，部分工程未明確性能目標(biāo)以“—”表示，實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)處于C～D級(jí)之間。從位移指標(biāo)來(lái)看，25項(xiàng)工程僅采用《高規(guī)》規(guī)定的小震、大震位移限值，4項(xiàng)工程規(guī)定了小震、中震、大震位移限值，中震限值引用《抗規(guī)》指標(biāo)。彈塑性分析方法以Push-Over法為主，例如第1、8項(xiàng)工程采用Push-Over法給出傾覆曲線。

根據(jù)文獻(xiàn)［1-2］總結(jié)的性能化設(shè)計(jì)思想，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已基本保障生命安全后還應(yīng)明確經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。表5中25項(xiàng)工程未明確中震時(shí)的位移限值，應(yīng)補(bǔ)充中震位移限值完善設(shè)計(jì)指標(biāo)，且大震位移限值僅有一個(gè)指標(biāo)《高規(guī)》3.7.5條，不夠靈活，沒(méi)有體現(xiàn)性能化設(shè)計(jì)是一種更高的要求。

5" 結(jié)論和建議

根據(jù)《抗規(guī)》、《高規(guī)》抗震性能化設(shè)計(jì)規(guī)定的分析對(duì)比和工程實(shí)例統(tǒng)計(jì)，給出如下結(jié)論和建議：

（1） 《抗規(guī)》性能水準(zhǔn)的延性構(gòu)造要求可隨著承載力的提高而降低，《高規(guī)》要求抗震等級(jí)不宜降低，特別構(gòu)件可適當(dāng)提高，《高規(guī)》要求更高。

（2） 《高規(guī)》沒(méi)有給出中震時(shí)的位移限值，無(wú)法明確中震后的破壞狀態(tài)，若設(shè)計(jì)時(shí)引用《抗規(guī)》中震位移限值作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，能更全面地控制結(jié)構(gòu)在各地震動(dòng)水準(zhǔn)下的狀態(tài)。

（3） 《高規(guī)》大震位移指標(biāo)只有一個(gè)，3.7.5條彈塑性位移角限值，若設(shè)計(jì)時(shí)引用《抗規(guī)》不同性能水準(zhǔn)的位移限值能更好地控制大震破壞狀態(tài)。

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