结构抗震性能化设计方法浅议

吴涛

[摘要] 复杂结构、不规则结构及超限高层结构在工程设计中经常需要进行抗震性能化设计和验算。本文从抗震性能化分析的概念入手，介绍了结构性能化的基本思路和方法，提出了在实际工程中进行结构性能化设计的方法。

[关键词]性能设计 中震（大震）弹性 中震（大震）不屈服弹塑性分析

中图分类号：S611文献标识码： A

1. 前言

抗震性能化设计是我国建筑结构抗震设计一个新的重要发展，它的特点是使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡，设计者可根据建筑物的重要性采用不同的性能目标和抗震措施。由于现行抗震规范和高层对这部分都有专门的规定，结构抗震性能化设计已经成为结构设计中不可或缺的一部分内容。

2. 结构性能化设计的思路和方法

结构性能化设计的重点是深入的计算分析和工程判断，找出结构有可能出现的薄弱部位，提出有针对性的抗震加强措施，分析论证结构可达到预期的抗震性能目标。为此一般需要进行深入的弹性和弹塑性计算分析(静力分析及时程分析)并判断计算结果的合理性；找出结构有可能出现的薄弱部位以及需要加强的关键部位，提出有针对性的抗震加强措施；论证结构能满足所选用的抗震性能目标的要求。目前结构性能化设计方法主要有结构整体弹塑性分析法和构件弹性分析法，这两种方法均可以采用结构设计软件来实现。

2.1 构件弹性分析法

在不规则结构、复杂结构中，关键构件的抗震性能直接影响到整体结构的抗震性能，所以对关键构件性能的控制有着重要的作用。根据2010年住房和城乡建设部颁布的《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的通知要求，构件抗震性能设计的弹性分析法主要有中震（大震）弹性分析法和中震（大震）不屈服分析法，这两种方法均可以采用软件来准确计算：

（1）中震（大震）弹性分析法：是指在中震（大震）作用下，结构基本完好，即结构构件基本保持弹性状态，各种承载力设计值基本满足规范对抗震承载力的要求。设计时地震最大影响系数取为中震（大震）；内力调整系数取1.0（强柱弱梁，强剪弱弯等）；材料强度取设计值；其余分项系数和组合系数保留；抗震调整系数γRE取同小震。

（2）中震（大震）不屈服分析法：是指在中震（大震）作用下，结构轻微破坏，即结构可能出现轻微的塑性变形，但不达到屈服状态，按材料强度标准值计算的承载力大于地震作用标准组合的效应。设计时地震最大影响系数取为中震（大震）；内力调整系数取1.0（强柱弱梁，强剪弱弯等）；材料强度采用标准值；荷载分项系数均取为1.0，保留组合系数；抗震调整系数γRE取为1.0；

从上述可知，中震（大震）弹性和中震（大震）不屈服是两个概念。中震（大震）弹性是指不考虑内力调整的抗震验算；中震（大震）不屈服是指内力、材料强度均按标准值计算，并且不考虑抗震承载力调整系数。中震弹性要比中震不屈服的要求严的多，对于抗震等级在一级以上的构件，通常按小震弹性计算得到的配筋要比中震不屈服的大，故应加强对中震（大震）不屈服计算结构的判别，以不小于小震弹性为原则。中震不屈服设计已经去掉所有安全度，属于承载力极限状态设计；中震弹性设计取消内力调整的经验系数，保留荷载分项系数，也就是保留了结构的安全度和可靠度，属正常设计，相应的配筋也大得多。

上述两种分析方法都是一种近似的计算方法，强调以概念设计为主，不必追求过高的计算精度。在目前的规范中没有相关的规定，只有在具体提出结构性能化设计要求时，才进行针对性的分析和验算。在目前广泛使用的SATWE（2012版）中，进行上述构件弹性分析时，只需根据需要选择中震（大震）弹性或中震（大震）不屈服选项，同时修改相应的地震影响系数，其余系数SATWE会根据选择自动调整。

2.2 结构整体弹塑性分析法

结构整体弹塑性分析主要考虑大震的情况，验算结构大震下的整体性能，如结构最大弹塑性位移和层间位移角、结构的性能点、抗倒塌验算、楼层屈服系数、薄弱层验算和确定等，以确定结构在大震下的破坏程度。弹塑性分析也可验算中震的情况。弹塑性分析法主要有静力弹塑性分析法（Pushover）和动力弹塑性分析法。静力弹塑性分析法是对结构在罕遇地震作用下进行弹塑性变形分析的一种简化方法，本质上它是一种静力分析方法。具体的说，就是在结构分析模型上施加按某种规定的分布方式模拟地震水平作用惯性力，单调加载并逐级加大，一旦构件开裂或屈服即修改其刚度，直到结构达到预定状态（成为机构、位移超限或达到目标位移），从而判断结构分析模型是否满足相应的抗震能力要求。静力弹塑性分析法在一定适用范围内能较为准确地反映结构非线性地震反应特征，对层数不多或自振周期不太长的结构，不失位一种可行的弹塑性简化分析方法，其分析结构的可信度主要取决于加载方式，如倒三角形分布、矩形分布、第一振型分布等；动力弹塑性分析法能计算地震反应全过程中各时刻结构的内力和变形状态，给出结构的开裂和屈服顺序，发现应力和塑性变形集中的部位，从而判别结构的屈服机制、薄弱环节及可能破坏类型，被认为是结构弹塑性分析的最可靠方法，但是动力弹塑性分析法计算耗时，结果处理复杂，许多问题在理论上还有待改进（如输入地震动及构件恢复力模型的不确定性）等，其分析结构的可信度主要取决于地震波的合理性和结构恢复力模型的合理性。结构整体弹塑性分析在目前常用的通用有限元软件（如ABAQUS、MSC.MARC和SAP2000等）均能实现。

3．结语与建议

（1）结构中震设计方法中，结构构件仍近似采用小震时的弹性刚度，没有考虑结构构件在中震作用下的刚度退化，因此中震弹性性能化分析只是一种近似的计算方法，强调以概念设计为主，不必追求过高的计算精度。

（2）在中震作用下，结构刚度已退化，因此结构在中震时刚度退化不是很大时，可以采用中震弹性分析，如果中震时结构刚度退化较为严重造成结构内力重分布则应采用弹塑性分析。

（3）在结构的中震设计方法中，有许多问题尚待研究，如刚度的计算和取值、结构阻尼比的取值等，我们期待中震设计理论的进一步完善，并能应用于工程实践中。

参考文献

建筑抗震设计规范（GB5011-2010）

李国胜简明高层钢筋混凝土结构设计手册

多层及高层建筑结构弹塑性动力、弹塑性静力分析软件用户手册

SATWE用户手册及技术条件