“两水准两阶段”抗震性能化设计方法及工程应用*

韩小雷，傅钦昭，季 静，杨新刚

(1 华南理工大学土木与交通学院， 广州 510640；2 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室， 广州 510640；3 广州天萌建筑设计有限公司， 广州 510640)

0 引言

传统的结构抗震设计理论和方法经过长期理论研究、结构试验和工程应用，逐步成熟并写入世界各国规范[1-4]，在大量工程建设中使用。然而，近百年来历次强震均出现建筑物严重损坏甚至倒塌，导致巨大的财产损失和人员伤亡[5-7]。通过震害分析和进一步的研究，新的抗震加强措施被不断提出，但如何评估既有建筑的抗震性能、是否必须对大量既有结构进行抗震加固是各国工程师面对的严峻问题。20世纪90年代初美国学者针对美国在20世纪二三十年代建设的大量混凝土结构，特别是学校、医院等公共建筑的抗震性能展开评估，提出基于性能的结构抗震设计与评估思想，其核心内容是定量评估强震作用下混凝土结构损坏程度和抗倒塌能力，形成设计标准，如FEMA 273[8]等。我国10年前实施的《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[9](简称《抗规》)、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[10]等现行设计标准引入抗震性能化设计思想，近年来指导了大量新建高层建筑结构抗震超限设计。2019年5月广东省发布了《建筑工程混凝土结构抗震性能设计规程》(DBJ /T 15-151—2019)[11](简称《抗震性能规程》)，2022年6月中国勘察设计协会发布了《建筑结构抗震性能化设计标准》(T/CECA 20024—2022)[12](简称《抗震性能标准》)，明确了“两水准两阶段”的抗震性能化设计方法。通过细化混凝土构件变形控制指标，实现了基于构件的混凝土结构抗震性能化设计和结构抗震安全性评估[13]，与基于构件试验的混凝土结构经典理论的理念完全一致，适用于新建结构抗震性能化设计和既有结构抗震安全性评估。

本文在对比分析小震计算设计方法与中震计算设计方法异同的基础上，进一步论述“三水准两阶段”抗震设计方法与“两水准两阶段”抗震性能化设计方法的本质差异。最后以一栋复杂连体高层结构抗震超限设计为例，展示基于构件的“两水准两阶段”抗震性能化设计方法在实际工程混凝土结构中的应用。

1 抗震性能化设计方法

1.1 小震计算设计与中震计算设计

《抗规》采用小震计算设计方法，构件承载力设计如式(1)所示。

γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+ψwγwSwk≤Rd/γRE

(1)

式中：γG、γEh、γEv、γw分别为重力荷载、水平地震作用、竖向地震作用、风荷载分项系数；SGE为重力荷载效应代表值；SEhk、SEvk分别为水平和竖向地震作用效应标准值；ψw为风荷载组合值系数；Swk为风荷载效应标准值；Rd、γRE分别为构件承载力设计值和承载力抗震调整系数。

广东省《高层建筑混凝土结构技术规程》(DBJ 15-92—2021)[14](简称广东省《高规》)采用中震计算设计方法，构件承载力设计如式(2)所示。

(2)

小震和中震两种计算设计方法的结构整体计算均假设结构处于弹性状态，折减部分延性构件刚度，通过弹性计算得到的构件内力进行构件承载力设计，同时考虑抗震构造措施。小震计算设计方法的内力组合对竖向荷载、小震作用产生的内力均乘以大于1.0的分项系数，同时考虑抗震等级对组合内力进行放大，采用材料强度设计值计算构件承载力；中震计算设计方法的内力组合对竖向荷载产生的内力乘以1.0的分项系数，中震作用产生的内力乘以考虑竖向构件刚度退化小于1.0的分项系数，采用材料强度标准值计算构件承载力并乘以小于1.0的构件正截面、斜截面承载力利用系数。

小震和中震两种计算设计方法的不同点如下：小震计算设计方法通过增大重力荷载和小震作用产生的内力提高构件安全性；中震计算设计方法保持重力荷载产生的内力不变，组合中震作用产生的内力提高构件安全性。虽然两种设计方法均能保证构件抗震安全的目的，但小震计算设计方法组合的内力不是地震作用时构件的真实受力，中震计算设计方法组合的内力可以反映中震作用时构件的真实受力。

可见，小震和中震两种设计方法的本质是相同的，均为结构弹性计算、构件承载力设计，且大量设计结果也显示，此两种设计方法得到的构件截面和钢筋用量相差不大，实现了通过两条路径达到同一个目标。文献[15]中的39个算例和试设计也得出了类似的结论。

1.2 “三水准两阶段”与“两水准两阶段”设计方法

传统的“三水准两阶段”抗震设计方法是对重力荷载和小震作用产生的内力分别乘以大于1.0的分项系数，同时根据构件抗震等级再乘以内力放大系数，以保证中、大震作用下构件承载力和结构抗倒塌能力；基于性能的“三水准两阶段”抗震设计方法是在上述方法的基础上，针对重要构件补充中震作用下的构件承载力设计，并与小震设计结果进行包络，中震设计包括：弹性设计(考虑荷载分项系数、材料强度取设计值)和不屈服设计(荷载分项系数取1.0、材料强度取标准值)，以保证结构“小震不坏、中震可修、大震不倒”。

广东省《抗震性能规程》和中国勘察设计协会《抗震性能标准》提出的“两水准两阶段”抗震性能化设计方法是在《抗规》小震计算设计方法或广东省《高规》中震计算设计方法的基础上，对结构进行大震作用下基于构件的结构弹塑性分析，计算时竖向荷载采用重力荷载代表值，材料强度采用平均值，对构件正截面进行承载力复核(性能水准1、2、3)、变形复核(性能水准4、5)，对构件斜截面进行承载力复核。

根据1.1节的分析可见，《抗规》的小震计算设计与广东省《高规》的中震计算设计本质是相同的，设计结果也相近，故可将此两个水准的抗震设计合并为一个水准，同时定量评估大震作用下的构件性能，准确把控构件损坏程度，确保结构大震安全性。

1.3 “两水准两阶段”设计方法

本节采用小震、大震两水准，小震弹性设计、大震安全性复核两阶段，阐述“两水准两阶段”抗震性能化设计方法。

1.3.1 抗震性能目标及性能水准

根据结构抗震的重要性将结构抗震性能目标从高到低划分为A、B、C、D四个等级，再根据地震水准将结构抗震性能水准分为1、2、3、4、5五个级别。采用“两水准两阶段”方法进行抗震性能设计时，不同结构抗震性能目标和地震水准对应的最低抗震性能水准见表1。

表1 结构抗震性能水准

1.3.2 构件性能设计和复核

根据构件损坏对结构安全性影响程度将构件划分为关键构件、普通竖向构件、重要水平构件和耗能构件；根据钢筋混凝土梁、柱、剪力墙的剪跨比和弯剪比将构件破坏形态划分为弯曲破坏、弯剪破坏和剪切破坏。弯曲破坏和弯剪破坏属于正截面延性破坏，剪切破坏属于斜截面脆性破坏。构件延性破坏的损坏程度可划分为6个状态：无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏、严重损坏，超过严重损坏状态则认为构件失效。

大震作用下混凝土构件正截面可以采用承载力或变形复核，构件斜截面只能采用承载力复核。构件变形复核可以采用构件位移角限值、损伤指数、材料应变等。构件位移角限值是通过大量构件试验结果统计回归，并得到系列构件试验验证和修正，充分考虑了箍筋对混凝土的约束作用，相对其他指标不仅具有明确的物理意义、更准确地反映构件损坏程度，且容易被工程师理解，与基于构件试验的混凝土结构经典理论的理念相同。

不同抗震性能水准下构件正截面和斜截面设计、复核按表2的规定执行，钢筋混凝土结构的构件通常分为梁(B)、柱(C)、剪力墙(SW)三大类，对应6个性能状态的构件变形指标限值分别为B1～B6、C1～C6、SW1～SW6。

表2 构件设计和复核方法

1.3.3 构件承载力设计和复核公式

(1) 小震弹性设计

小震作用下弹性设计构件承载力应符合公式(1)的规定。

(2) 大震弹性设计

构件承载力应符合公式(3)的规定：

(3)

(3) 大震不屈服复核

构件承载力应符合公式(4)的规定：

(4)

(4) 大震极限承载力复核

构件承载力应符合公式(5)的规定：

(5)

式中Ru为按材料强度平均值计算得到的构件承载力极限值。

(5) 大震最小抗剪截面复核

钢筋混凝土竖向构件的受剪截面应符合公式(6)的规定，钢-混凝土组合剪力墙的受剪截面应符合公式(7)的规定：

(6)

(7)

1.3.4 构件变形复核公式

应采用弹塑性计算结果进行构件变形复核，并应符合公式(8)的要求。

δ≤[δ]

(8)

式中：δ为构件在地震过程中所经历的最大位移角；[δ]为与构件允许损坏程度对应的构件变形指标限值。

构件破坏形态划分准则[16-17]如表3～5所示。根据钢筋混凝土梁、柱、剪力墙的弯剪比、轴压比和配筋率等的不同，对应于6个性能状态的构件变形限值如表6～8所示。不同损伤程度对应的材料应变限值、构件损伤指数等详见中勘协《抗震性能标准》。

表3 钢筋混凝土梁破坏形态划分准则

表4 钢筋混凝土柱破坏形态划分准则

表5 钢筋混凝土剪力墙破坏形态划分准则

表6 钢筋混凝土梁弹塑性位移角限值

表7 钢筋混凝土柱弹塑性位移角限值

表8 钢筋混凝土剪力墙弹塑性位移角限值

2 工程应用

以一栋双塔连体超限高层建筑为例，阐述基于构件变形的“两水准两阶段”抗震性能设计方法在实际工程中的应用。

2.1 工程概况

某双塔连体高层建筑位于广州市增城区，总建筑面积61 096 m2，设地下室2层、裙房4层，裙房以上部分为双塔连体结构。塔1为酒店，36层，结构高度148.75m；塔2为办公楼，21层，结构高度96.75m，建筑效果图见图1。

结构抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为一组，设计基本地震加速度为0.05g，场地类别为Ⅱ类，50年重现期基本风压为0.50kN/m2，地面粗糙度类别为B类。

2.2 结构特点与超限情况

2.2.1 结构特点

酒店主楼和办公主楼均为钢筋混凝土框架-核心筒结构，办公楼核心筒偏置，酒店主楼22、23层与办公主楼20、21层通过钢桁架在非主轴方向刚性连接，易引起结构扭转。为保证连接体与两侧主体结构可靠连接，连接体桁架各层弦杆伸入两侧主体结构一跨，与连接体相连的主体结构框架柱、框架梁采用型钢混凝土，见图2、3，典型结构平面布置见图4。

2.2.2 超限情况

酒店23层和办公楼21层的X向扭转位移比为1.37，Y向扭转位移比为1.41，属于扭转不规则；本项目为多塔结构，因此存在尺寸突变；结构首层、3层、酒店24层存在穿层柱，形成局部不规则。

2.3 抗震性能目标的确定

在充分研究结构体系受力与构件变形特征的基础上，根据广东省《抗震性能规程》、中国勘察设计协会《抗震性能标准》，结构抗震性能目标取为C级，对应于小震和大震的结构抗震性能水准分别为1和4。构件控制指标、损坏程度如表9所示。

2.4 结构设计和复核

该结构最不利地震方向与X向成130°，因此分别对模型1(最不利地震方向与X向成130°)和模型2(最不利地震方向与X向成180°)进行计算对比分析。

采用YJK和ETABS软件分别对模型进行小震整体计算对比分析。结果显示，在小震作用下结构各项控制指标基本满足规范要求，构件没有出现超筋现象，满足承载力要求。

采用PERFORM-3D软件对结构进行大震弹塑性分析，按建筑场地类别和设计地震分组选用2条人工波(GM1、GM2)和5条天然波(GM3～GM7)，分别按X向、Y向为主方向(主、次、竖向地震波峰值加速度比例为1∶0.85∶0.65)进行三向地震输入弹塑性时程分析。

表9 结构与构件抗震性能目标

基于PBSD软件实现弹性计算设计结果自动导入PERFORM-3D软件，并对弹塑性计算结果进行构件性能评估和可视化输出，显示所有构件的性能水准和损伤状态，并对不满足性能水准要求的构件采取相应的加强措施。

大震计算结果显示，大部分构件满足设定的性能目标要求，部分不满足要求的构件如下：

模型2中关键构件连廊关联楼层范围内部分型钢混凝土柱斜截面验算结果不满足抗剪不屈服性能水准要求。如表10所示，通过增加配箍率的方法对相应型钢混凝土柱进行加强，可使其满足抗剪不屈服的性能水准要求，如图5所示。

表10 超限型钢混凝土柱箍筋加强目标

由于连廊所在楼层刚度增大，导致相应楼层的剪力增大，模型1和模型2均在连廊关联楼层处出现关键构件剪力墙斜截面验算不满足抗剪不屈服性能水准要求的现象，剪力墙斜截面性能状态如图6、7所示。根据表11采取增加水平分布筋配筋率的方法对相应剪力墙进行加强，可使其满足抗剪不屈服的性能水准要求。采取加强措施后剪力墙斜截面性能状态如图8所示。

对于耗能构件，模型1和模型2中绝大多数楼层跨高比在1.13～2.80的连梁斜截面超限，连梁斜截面性能状态统计如图9所示。模型1和模型2中均有部分连梁正截面达到纵筋屈服的轻微损坏状态，连梁正截面性能状态统计如图10所示。对于斜截面超限连梁，其正截面均处于无损坏状态，必须在保证竖向荷载作用下具有足够抗弯承载力的前提下，尽量减少该部分连梁的纵筋配置，保证满足“强剪弱弯”的抗震要求。

表11 超限钢筋混凝土剪力墙水平分布筋加强目标

综上，通过基于构件的大震计算复核，发现部分构件不满足设定的性能水准要求，通过采取具有针对性的加强措施后，重新进行大震复核，构件均可满足设定的性能水准要求。

3 结论

(1)小震计算设计方法与中震计算设计方法的本质是相同的，两种方法的设计结果也相差不大，小震计算设计方法的组合内力不反映构件真实受力，中震计算设计方法的组合内力可反映地震作用下构件真实受力。

(2)采用基于构件的“两水准两阶段”结构抗震性能化设计方法，可以发现大震下结构薄弱部位，并进行精准加强，确保结构抗震安全。