结构性能化设计要点

【摘要】本文详细介绍了性能化设计的流程及目标选取的步骤及设计过程中需要注意的问题。

【关键词】性能化设计；设计流程；性能目标选取

1、引言

随着抗震技术的发展基于性能的抗震设计方法，是建筑结构抗震设计的一个重要的发展方向。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度，设计者可选择所需要的性能目标，有利于针对不同设防烈度、场地条件及建筑重要性采用不同的性能目标和抗震措施。

2、《高规》规定

02版《高规》提出的“三阶段、两水准”设计方法，实际上是性能化设计的雏形，只是没有量化。10版《高规》3.11节根据抗震设防类别、设防烈度、场地条件、建造费用等把性能目标分为A、B、C、D四个等级，结构抗震性能五个水准，每个性能目标均与一组制定地面运动的性能水准对应。虽然说性能目标更细化，但操作起来比较麻烦。

3、性能化目标设计流程

通常我们所说的性能化目标有小震弹性、中震弹性、中震不屈服/不屈曲、大震彈性、大震不屈服/不屈曲。主要做法如下表所示。

在做中震不屈服和大震不屈服的时候，往往忽略的一个问题是，连梁刚度折减需要重新定义，因此，相应地震力也会减小一些，因为连梁最先出现塑性铰，刚度会减弱。

结构设计的一般流程，根据单工况的力，然后要进行一系列内力调整。主要步骤如下：

1）剪重比。对超高层来说，剪重比不容易满足，一项重要的工作是增刚度、减重量，新《高规》要求，剪重比只要一层不满足规范要求，全楼都需放大。另外，通过放大地震力的方法解决剪重比不满足的问题时，请注意，如果相差比较小（比如5%），可以采用；但相差比较大（10%～20%），不宜采用，需要调整结构方案。

2）薄弱层

新《高规》和新《抗规》在薄弱层的放大系数上存在一点不同，《高规》规定是放大1.25倍，而《抗规》放大一个不小于1.15的系数，具体放大多少没有说，根据结构实际情况确定。另外，新《高规》对薄弱层的判断也有了变化，对除框架外的结构需采用层高修正的刚度比（也就是相邻两层刚度/位移角的比值的比较）。

3）0.2Q0调整

调整剪重比、薄弱层后，再进行0.2Q0调整。这里存在一个争议的问题，0.2Q0调整是为了解决二道防线的问题，但中震是否进行0.2Q0调整？一般需要进行调整，但有时中震弹性调整，地震力放大倍数比较大。

4）时程调整

《高规》提出，要时程与反应谱设计值取包络。实际上可以根据时程计算楼层（下转74页）（上接72页）剪力与反应谱计算楼层剪力比较，比值大于1，反应谱需要乘此系数。时程分析的结果由于鞭梢效应，在高区往往比反应谱的结果大，设计时，需要特别注意。

5）墙柱弱梁、强剪弱弯、角柱等地震内力调整

经过前四项的调整，最后，按规范进行梁、柱内力调整。

4、性能目标选取

结构设计性能化是根据结构高度、规则性（平面、立面）及结构的重要性，来增强结构（构件）延性，使结构延性破坏。实际上结构抗震设计的一个重要纽带是抗震等级，通过调整抗震等级，来增强结构的抗震措施和抗震构造措施，规范一系列规定，都是围绕此进行。归根结底，是增强结构的延性设计。采用性能化设计的方法，需要考虑结构的不规则程度、超高超限的情况、所在地区的烈度和经济因素，对结构薄弱部位、关键部位（比如加强层）、主要抗侧力构件，采取提高抗震承载力或提高结构变形能力，确定合理的性能目标，提高结构的延性。

（1）如果结构超过现行《高规》B级高度很多，比如说结构高度超过200m（6度区），结构需要设置加强层时，其薄弱部位（加强层及其上下一层）、重要部位和关键构件（腰桁架、伸臂桁架、竖向抗侧力构件）按中震弹性设计，并且要控制剪力墙的轴压比，有条件地可以在剪力墙角部，纵横墙连接处设置部分型钢（根据情况，甚至可以设置钢板剪力墙），墙内型钢设置高度可以根据轴压比的情况确定。底部加强区、加强层及其上下各一层（抗震等级提高一级）框架柱按中震弹性进行设计，其它区域框架可以按中震不屈服进行设计；加强层中伸臂桁架、腰桁架按中震弹性、大震不屈服进行设计，同时控制桁架的应力比；加强层楼板因为要传递水平力，需要单独进行受力分析，板厚加厚，钢筋需要双层双向拉通，并需要加强，必要时在楼板处设计水平支撑（特别是布置伸臂桁架），连梁抗剪按中震弹性、抗弯按不屈服（必要时在连梁里设计钢板，提高其抗剪性能，但抗弯性能没有增强）。

（2）如果结构超B级高度，但超过不太多，不超过200m（一般不需要设计加强层，除非核心筒高宽比非常大，达到20，这样可以按第（1）取性能目标），剪力墙需要进行中震抗剪弹性进行设计，底部加强区需要进行抗弯中震弹性设计，非底部加强区需要进行抗弯不屈服进行设计。框架可以按中震不屈服进行设计，连梁按中震不屈服、部分允许进行塑性。

（3）如果超A级高度，但不超过B级高度，有时超限专家也会提性能化目标。笔者认为可以，剪力墙、框架可以取中震不屈服等略低的性能目标进行设计。

另外，需要注意的是，当风荷载很大，但处于低烈度区，有时不屈服会比小震（考虑风荷载）结果小，这是因为风荷载起控制作用，地震不起控制作用，中震还不用乘一些调整系数。

下面给出两个性能化设计目标的取值，供参考。表1是某地区文化中心，结构高度200m，没有加强层。表2某超高层建筑，结构高度248m，设有一道加强层（腰桁架）。

因此，综合考虑结构的不规则程度、超高超限情况、所在地区的烈度和经济因素，基于结构性能化设计的抗震设计方法对于复杂超限高层结构及其他超限复杂结构是一个必要的补充，能够更好的把握结构设计的薄弱环节进行对应加强。

参考文献：

[1]裴星洙.建筑结构抗震分析与设计[M].北京大学出版社，2013.

[2]JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

作者简介：

刘昌，同圆设计集团有限公司；

杨霄，同圆设计集团有限公司。