浅析多层建筑抗震性能化设计及超限应对措施

陈俊 刘及进

1. 重庆市设计院有限公司 重庆 400015；2. 中冶赛迪工程技术股份有限公司 重庆 400013

引言

随着社会的发展，人民物质生活文明的日益丰富，城镇化建设不断加速，大家对建筑的功能的需求越来越高，各类大型综合体急速涌现。为了能带来更好的建筑空间体验感或视觉冲击感，建筑师往往采用大悬挑、大开洞、楼层错层等构造手法来提升建筑的实用性，这也使得建筑结构的规则性极可能超出现有规范体系的范围，让结构成为特别不规则的超限建筑结构[1]。随着此类多层特别不规则建筑比例的增加，结构工程师必须理解到规范体系和抗震性能化设计的对象及思路的异同。

1 现有规范的设计思路

现有规范体系采取的是三水准设防目标的性能水准，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。规则性建筑结构和一般不规则的建筑结构按照现有规范体系进行设计，则可以满足结构在遭遇到地震动峰值加速度低于本地区设防烈度的峰值加速度时，即地震动峰值加速度超越概率50年63.2%[2]，主体结构构件弹性和二次结构构件无损坏；结构在遭遇到地震动峰值加速度和本地区设防烈度峰值加速度相当地震作用时，即地震动峰值加速度50年超越概率10%，主体结构不发生损坏或耗能区域轻微损坏，二次结构有一定程度的损坏，经过一定的修复，建筑结构可以继续服役；当结构在遭遇到地震动峰值加速度高于本地区设防烈度峰值加速度时，即地震动峰值加速度50年超越概率在2%～3%，主体结构可能损坏严重，但是不能倒塌或发生严重损坏，二次结构可能破坏严重。

常规规则及一般不规则建筑，通过第一阶段设计，建筑结构就能满足现有规范性能目标，如果是特别不规则的建筑结构，则还需要进行深入进行第二阶段弹塑性变形验算，针对强烈地震时易倒塌的结构、有明显薄弱点、易形成地震作用下的集中破坏的建筑，应进行结构薄弱部位的弹塑性分析，并采取相应的抗震构造措施，才能保证建筑结构在第三水准的设防要求下可靠。

针对结构体系而言，现有规范体系设计思路是首先从概念上保证结构是规则的或趋于规则的建筑，规范主要通过限制周期比，位移比，层间位移角，楼层平面规则性，楼板完整性，刚度比，主要竖向构件连续性，楼层承载力比等参数来保证概念上结构的规则性，让建筑本身拥有对抗震有利的结构布置，从而从前端去保证结构在概念和体系上的安全可靠。

而针对结构地震力计算而言，现有规范体系的抗震设计主要包括地震作用计算，地震作用调整，抗震构造措施。1958年，刘恢先[3]首次将反应谱理论应用于我国建筑抗震设计中，之后我国规范慢慢形成了以规范设计反应谱为理论基础的计算方法。规范设计反应谱是根据大量地震记录算出对应于每一条地震记录的反应谱曲线，然后统计求出最有代表性的平均曲线，并绘制相对于重力加速度的单质点绝对最大加速度与体系自振周期之间的关系而形成设计反应谱地震影响系数曲线，地震作用调整则根据设防烈度、结构类型、结构高度等的不同，进行强柱弱梁、强剪弱弯等的地震内力调整；最后根据构件类别和构件本身对延性的需求，在构造上对构件进行轴压比、配筋率等的限制，保证相应抗震等级的构件具有足够的抗震延性。

3 抗震性能化设计思路

规范[4]指出不规则的建筑结构应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施；严重不规则的建筑不应采用。规则建筑及一般不规则建筑，通常按照三水准和第一阶段或简化的二阶段设计就可以满足规范的性能目标，而针对特别不规则建筑结构的专门研究，也就是第二阶段的弹塑性设计，需要采用抗震性能化思路进行第二阶段深入的弹塑性分析计算和加强。除了特别不规则建筑，一些功能特别重要，在灾后承担重要抢险功能的建筑，也可以提出高于基本三水准性能目标的性能水准，进行抗震性能化设计。

抗震性能化设计思路与常规结构抗震设计相比，有着实质性的变化[5]。在性能设计时，所制定的性能目标，不得低于规范要求的三水准设防目标，西方国家早在在二十世纪末期纷纷对抗震结构性能理论的法律法规重新进行了完善[6]。抗震性能设计是解决复杂超限建筑的基本方法，建筑抗震性能化设计需要根据实际工程的具体情况，根据规则性从概念上判定出结构的薄弱部位，或通过小震反应谱分析，初步判定出结构的薄弱部位，确定合理的抗震性能目标，采取多软件对比、弹塑性时程分析等手段确定加强构造措施，实现最终预设的抗震性能目标。

建筑结构抗震性能分析的重点是深入的从概念设计和有限元软件分析对工程进行剖析判断，找出结构在地震作用下可能率先屈服或破坏的薄弱部位，设定性能目标，有针对性地采取提高抗力、提高延性或转移薄弱部位、增加局部体系超静定等措施，有针对性的抗震加强并进行数字模拟验证或结构试验验证，再通过分析结果或试验结果对是否达到性能目标进行验证。

抗震性能化分析主要按以下思路进行设计：

3.1 判定结构不规则项

通过规范[4]3.4.3及其附录进行规则性判定，利用结构概念及初步计算指标，判定建筑是否属于特别不规则的多层建筑，哪些部位存在规范认定的不规则项，哪些部位可能存在地震作用中薄弱部位。

3.2 设定性能目标

据场地条件、抗震设防类别、结构形式，对特别不规则建筑设定性能目标，性能目标的设定可以根据建筑实际情况，对整栋建筑以及薄弱部位分别指定，对普通构件和关键构件进行区分。

厌食症是指排除全身性和消化道器质性疾病，以较长时间的食欲减退或消失、食量减少甚至拒食为表现的病症，是一种饮食行为异常，多发生于1～6岁儿童，城市发病率高于农村[1]。长期厌食会导致贫血、营养不良、生长发育迟缓，并可造成机体免疫力下降，容易患其他疾病[2]。近年来，小儿厌食症有增长的趋势，本文从中西医角度对本病的病因概述如下。

3.3 制定性能评判标准

结构分析得到结果仅仅是混凝土及钢筋钢材的损伤、应变等数据，而建立这些数据与性能目标之间的关系决定了对分析结果的准确性，现阶段一些学者也有了相当的研究成果，并应用于一些商用软件中。

3.4 弹塑性分析

深入进行小震弹性分析，采取静力分析多模型、多程序的比较计算判定模型合理性，通过地震作用放大，构造措施加强等进行结构小震或中震设计，利用小、中震设计形成带配筋信息的模型成果，在大震弹塑性分析中进行性能目标验证，如若大震性能目标没有完成，则需重新有针对性地设置更高要求的加强措施。

3.5 针对构件、节点分析

模型层面的分析对节点层面而言均是采用的刚性假定，同时对于一些穿层柱，吊层柱等特殊构件，无法做到精准分析，因此对于概念分析中的薄弱构件或节点，还需要针对性进行单构件或单节点的分析，通过针对性专项分析结果，确认加强措施及加强部位。

3.6 形成加强措施成果

通过上诉反复分析论证，形成抗震性能化分析的加强成果，指导施工图设计及施工。

在抗震性能化设计的步骤中，抗震性能目标的设定是十分关键环节，对房屋安全及工程经济型均极为重要，结构抗震性能设计应分析结构方案的特殊性，选用适宜的结构抗震性能目标[7]，通常需要根据建筑功能，业主需求，抗震设防类别、场地条件、建造成本、震后损失和修复难易程度等因素综合考虑，性能目标选用时，一般征求业主和有关专家的意见。

4 常见规则性超限项的应对措施

多层建筑结构通常面临的超限项有平面不规则、楼板不连续、竖向不规则以及承载突变，结构设计时，应该根据项目实际情况，做到对症下药，要有针对性分析和针对性加强措施。

4.1 平面不规则

商业综合体、交通枢纽等大型综合体，因为建筑功能，场地条件，流线组织等原因，常常会遇到平面不规则项，平面不规则包括结构平面尺寸的凹进和凸出，规定水平地震作用下的扭转位移比超限等。结构工程师更希望结构抗震单元是规则的平面，这样更有利于抗震，当然采取增设抗震缝的措施可以有效解决平面不规则项，但是增设抗震缝会导致屋面渗漏以及立面效果打折等建筑负面效果。此时为了保证建筑需求，结构工程师则可能会选择保留此超限项，而通过提高边框刚度、增设刚度墙或刚度支撑来减少平面不规则带来的影响，凹进凸出处的楼板也通过楼板应力分析来找出薄弱部位，并进行针对性加强。

4.2 楼板不连续

楼板不连续是指楼板的尺寸和平面极具变化，如楼板开洞面积占比楼面面积较大或开洞宽度过宽，影响了结构分析时的刚性楼板基本假定，此时楼板无法较均匀地分配地震力给各个结构柱，同时其本身也会出现不同程度的变形，造成局部竖向构件承担过大地震力而成为薄弱部位。对此应当进行中、大震楼板应力分析，找出楼板薄弱部位，进行楼板厚度加强及配筋加强。同时在结构分析时，应该按实际楼板刚度进行设计，确保抗侧力构件分配的地震力和实际更为接近。

4.3 竖向不规则

竖向不规则项包括底部某楼层刚度较明显地低于上部一层或上部几层的平均值，或竖向构件局部收进过多，抑或竖向构件不连续而形成转换。此时极有可能在地震作用下造成局部楼层地震力突然增大，形成薄弱层。对此部分楼层应该首先采取调整布置消除或减小竖向不规则程度，同时有针对性地分析，采取提高承载力如地震作用放大或提高延性，如抗震构造措施加强的措施，保证薄弱层安全。竖向构件不连续处还应计算竖向地震作用，保证转换构件的安全。

4.4 承载力突变

承载力突变是指抗侧力构件结构的层间收剪承载力小于相邻上一楼层过多，而呈现出承载能力下小上大的不利情况。通常此类不规则项在实际工程中较为容易消除，如钢筋混凝土构件可以采取在计算配筋的基础上增设钢筋的措施，来达到对刚度影响较小的情况下增加某层的受剪承载力。

5 结束语

常规体系的建筑结构按照三水准目标进行设计，如果特别不规则的建筑也按照常规规范体系进行设计，则有可能无法保证结构的安全。现今多层不规则建筑越来越多，针对此类特别不规则的建筑需要判定结构不规则项，设定好性能目标和性能评判标准，深入进行弹塑性分析及节点专项分析，最后提出抗震加强措施，保证结构性能水平不低于规范要求。针对各类不规则项，应该做到对症下药，经过针对性分析提出针对性措施。