基于抗震性能设计简介(技术处徐永基)2010年9月7日

基于抗震性能设计简介徐永基中国建筑西北设计研究院二○一○年九月目录一、基于抗震性能设计的概述二、结构抗震性能目标1、结构抗震性能控制目标在制定时应满足的要求（1）地震动水准的确定（2）基本设防目标的确定a、《抗规》规定的一般情况的设防目标b、高于一般情况的四种性能控制目标c、判别5种抗震性能水准的准则d、5种性能水准的震后性能状况2、结构性能化设计控制目标（1）结构构件对应于不同性能要求的承载力参考指标（2）结构构件对应于不同性能要求的层间位移参考指标（3）结构构件细部构造对应于不同性能要求的抗震等级。3、不同抗震性能水准的结构承载力设计（1）第1水准（2）第2水准（3）第3水准（4）第4水准（5）第5水准4、不同抗震性能水准位移控制目标5、结构抗震性能设计对弹塑性计算分析的要求。-1-一、基于抗震性能设计的的概述1、基于抗震性能设计的理论，是近十多年来，世界上一些国家开始研究的抗震设计方法。最早由美国于20世纪90年代开始研究，主要在既有建筑评定、加固中使用了多重目标的概念，并提供了设计方法；以后又提出了新建房屋基于性能的抗震设计理念及设计方法，可较广泛应用于工程建设中。随后日本、澳大利亚、欧州混凝土协会及我国也展开了这项研究，提出了相应的设计规范。我国目前已批准的《建筑抗震设计规范》及在报批中的《高层建筑混凝土结构设计规程》在近几年科研与工程实践的基础上，已开始纳入性能目标设计的内容，由于该项技术尚处于起步阶段，不少问题需进一步研究，如地震作用的不确定性、结构分析模型和参数的选用存在不少经验因素、模型试验和震害资料较少等，但随着在工程中的不断应用，将会逐渐完善成熟。2、基于抗震性能设计方法的特点是：使抗震设计从宏观定性目标具体量化，建设单位或设计者可选择性能目标，然后对确定的性能目标进行深入的分析论证再通过专家的审查。这一方法可适用于一些目前现行标准规范中尚未涉及的复杂结构体系，为推广应用新体系、新材料、新技术，提供了技术可能，是目前抗震设计中研究的热点，预期会成为一种新的发展趋势。-2-3、结构设计是否需要采用抗震性能设计方法的主要依据，是在分析结构方案在房屋高度、规则性、结构类型、场地条件或抗震设防标准等方面的特殊要求的基础上确定的。结构方案特殊性的分析中要注意分析结构方案不符合抗震概念设计的情况和程度。国内外历次震害经验说明抗震概念设计是决定结构抗震性能的重要因素。需要要求采用抗震性能设计的工程一般表现为不能完全符合抗震概念设计的要求。在此情况下，结构工程师应根据概念设计的规定与建筑师协商，改进结构方案，尽量减少结构不符合概念设计的情况和程度，不应采用严重不规则的结构方案。对于特别不规则结构可按本节规定进行抗震性能设计，但需慎重选用抗震性能目标，并通过深入的分析论证。4、改革开放以来，我国经济得到突飞猛进的发展，建筑业的形势尤为突出。高层、超高层建筑、复杂结构体系的建筑日益增多。许多工程已超越目前规范、规程所涉及的范围，使工程技术人员无技术法规可依。为适应国家建设的需要，并确保工程设计的可靠与安全，2002年由建设部发布了第111号部长令——《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》，成立了《全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会》，（2009年已进入第四届），制定了《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要-3-点》等文件，凡需要设计超限高层建筑工程的项目需根据111号部长令的要求，由设计单位在初步设计阶段进行仔细分析，明确超限内容，并提出相应的加强措施，完成审查技术要点规定的内容，报专家委员会论证审查，必要时尚需进行模型试验。近年来，这项工作对确保复杂超限工程质量发挥了重要作用，在执行部长令审查超限工程的过程中开始逐步涉及到基于抗震性能设计的理念与方法，2009年颁布的《关于加强超限高层建筑工程抗震设防审查技术把关的建议》中明确提出了对复杂和超限高层建筑，应明确其抗震性能目标，即为实现“大震不倒”所选择的加强措施。目前在复杂和超限高层建筑中已逐步开始应用基于性能的抗震设计相信在不断应用的过程中，该项设计理念及方法将会日趋成熟完善。-4-二、结构抗震性能目标1、结构抗震性能控制目标制定时应满足的要求（1）地震动水准的确定a、89规范提出的“小震不坏，中震可修、大震不倒”是属于一般情况的性能设计目标，其地震动水准可按《抗规》规定的多遇地震（小震）、设防烈度地震（中震）和罕遇地震（大震）的地震作用选定。b、《抗规》2001第12.2.2条规定，对处于发震断裂两侧10Km以内的结构，应计入近场影响，若地震动参数未计入近场影响，5Km以内宜乘以增大系数1.5；5Km以外宜乘以不小于1.25的增大系数。c、对设计使用年限超过50年的结构，其地震作用需作适当调整，取值需经专门研究提出后，报规定的权限部门批准后采用。其值可参考《建筑工程抗震性态设计通则（试用）》附录A。具体调整系数大体是：设计使用年限70年，取1.15-1.2、100年取1.3-1.4。（2）基本设防目标的确定a、《抗规》20011.0.1条规定：进行抗震设计的建筑，其抗震设防目标是：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用；当遭受相当于-5-本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。与上述要求配套的地震破坏分级定性划分，在《建筑地震破坏等级划分标准》（建设部90建抗字377号）中，分为五级作了较详细的描述，见表2.1-1。表2.1-1各类房屋的地震破坏分级和损失估计名称破坏描述继续使用的可能性变形参考值基本完好（含完好）承重构件完好；个别非承重构件轻微损坏；附属构件有不同程度破坏一般不需要修理即可继续使用][eu轻微损坏个别承重构件轻微裂缝（对钢结构构件指残余变形），个别非承重构件明显破坏；附属构件有不同程度破坏不需修理或需稍加修理，仍可继续使用[2~5.1]eu中等破坏多数承重构件轻微裂缝（或残余变形），部分明显裂缝（或残余变形）；个别非承重构件严重破坏需一般修理，采取安全措施后可适当使用[4~3]eu严重破坏多数承重构件严重破坏或部分倒塌应排险大修，局部拆除][9.0pu倒塌多数承重构件倒塌需拆除[]pu注：1、个别指5%以下，部分指30%以下，多数指50%以上；2、中等破坏变形参考值，大致取规范弹性和弹塑性位移角限值的平均值，轻微损坏取1/2平均值。b、由于结构方案属于特别不规则的结构不符合抗震概念设计的要求或建筑物有特殊需要，可根据抗震设防类别、设防烈-6-度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素，选用高于一般情况的性能控制目标，目前已批准的《抗规》和在报批中的《高规》，将这类结构的预期性能控制目标分为四类，其破坏情况的描述见表2.1-2。表2.1-2高于一般情况的预期性能控制目标破坏状态地震水准性能A性能B性能C性能D多遇地震（小震）完好完好完好完好设防烈度地震（中震）完好、正常使用基本完好，检修后继续使用轻微损坏，简单修理后继续使用轻微至接近中等损坏，变形＜[3]eu罕遇地震（大震）基本完好，检修后继续使用轻微至中等破坏修复后继续使用其破坏需加固后继续使用接近严重破坏，大修后继续使用性能A、结构构件在预期大震下仍基本处于弹性状态，因此其细部构造仅需要满足最基本的构造要求。实例表明，采用隔震、减震技术或低烈度设防且风力很大时有可能实现；条件许可时，可对某些关键构件提出这个性能目标。性能B、结构构件在中震下完好，在预期大震下可能屈服、其细部构造满足低延性的要求。如某6度设防的外框—核心筒结构，其风力是小震的2.4倍，风载层间位移是小震的2.5倍。结构所有构件的承载力和层间位移均可满足中震（不计入风载效应组合）的设计要求；考虑水平构件在大震下损坏使刚度降-7-低和阻尼加大，按等效线性化方法估算，竖向构件的最小极限承载力仍可满足大震下的验算要求，结构总体上可达到性能B要求。性能C、在中震下已有轻微塑性变形，大震下有明显的塑性变形，其细部构造需满足中等延性的构造要求。性能D、在中震下的损坏已大于性能C，结构总体的抗震承载力仅略高于一般情况，其细部构造需满足高延性要求。表2.1-2内4个等级的性能目标，涉及到五种破坏状态，《高规》（征求意见稿）中将其称为抗震性能的五个水准（1、2、3、4、5），因此表2.1-2可减化为表2.1-3。表2.1-3结构抗震性能目标对应的抗震性能水准性能目标地震水准ABCD多遇地震（小震）1111设防烈度地震（中震）1234罕遇地震（大震）2345c、判别5种抗震性能水准的准则（a）第1抗震性能水准——完好，即所有构件保持弹性状态。Ⅰ、全部构件的抗震承载力设计值（拉、压、弯、剪、压-8-弯、拉弯、稳定等）满足弹性设计的要求RERS/；层间变形（以弯曲变形为主的结构宜扣除整体弯曲变形）满足规范小震下的位移角限值[]eu；这是各种预期性能目标在多遇地震下的基本要求——满足规范规定的承载力和弹性变形要求。结构构件的抗震等级不宜低于《抗规》、《高规》的有关规定，需要特别加强的构件可适当提高抗震等级，已为特一级的不再提高。Ⅱ、中震作用下，构件承载力需满足弹性设计要求，但在构件组合内力计算中不计入风荷载作用效应的组合，地震作用标准值的构件内力（)EKS计算中不乘与抗震等级有关的增大系数。（b）第2抗震性能水准——基本完好，即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RERS/（效应S不含抗震等级调整系数），层间位移可能略微超过弹性变形限值。在中震及大震作用下：Ⅰ、竖向构件及关键构件的抗震承载力满足弹性设计要求。Ⅱ、框架梁、剪力墙连梁等耗能构件的正截面承载力（抗弯），需满足“屈服承载力设计”要求，即构件材料标准值计算的承载力KR不小于按重力荷载及地震作用标准值计算的构件组合内力，重力荷载分项系数G、水平地震作用分项系数hE及抗-9-震承载力调整系数RE均取1、竖向地震作用分项系数VE取0.4。Ⅲ、耗能构件的受剪承载力宜符合弹性设计要求。Ⅳ、层间变形可略超过弹性变形限值。（c）第3抗震性能水准——轻微损坏Ⅰ、结构构件可能出现轻微的塑性变形，但达不到屈服状态，按材料标准值计算的承载力大于作用标准组合的效应，整体结构进入弹塑性状态，结构应进行弹塑性分析。Ⅱ、在中震及大震作用下（Ⅰ）竖向构件及关键部位构件的正截面承载力宜满足“屈服承载力设计”要求。计算中可适当考虑结构阻尼比的增加（增加值一般不大于0.02）。（Ⅱ）受剪承载力宜满足弹性设计要求。（Ⅲ）部分耗能构件进入屈服可考虑剪力墙连梁刚度折减，一般折减系数不小于0.4。但抗剪承载力宜满足“屈服承载力设计”要求。（Ⅳ）大震作用下，结构薄弱部位最大层间位移角应满足规范要求。（Ⅴ）细部构造满足中等延性要求。（d）第4性能水准——中等破坏，即结构构件出现明显的塑性变形，但控制在一般加固即恢复使用的范围。-10-Ⅰ、结构出现明显的塑性变形，应对整体结构进行弹塑性分析（可通过静力弹塑性方法进行估算）。Ⅱ、在中震及大震作用下：（Ⅰ）关键构件的抗震承载力宜满足“屈服承载力设计”要求。（Ⅱ）部分竖向构件及大部分耗能构件进入屈服阶段，但钢筋混凝土构件的受剪截面及钢—混凝土组合剪力墙的受剪截面应满足“强剪弱弯”的设计理念，确保构件不发生脆性破坏。（Ⅲ）大震作用下，结构薄弱部位的最大层间位移角应满足规范要求。（Ⅳ）细部构造满足高延性要求。（e）第5性能水准要求——接近严重破坏Ⅰ、结构关键的竖向构件出现明显的塑性变形，部分水平构件可能失效需更换，结构经大修加固后可恢复使用，结构应进行弹塑性分析。Ⅱ、大震作用下关键构件的抗震承载力宜满足“屈服强度设计”的要求。Ⅲ、大震作用下较多的竖向构件进入屈服阶段，但不允许同一楼层的竖向构件全部屈服，并宜控制整体结构的承载力不-11-发生下降。如发生下降也应控制下降幅度不超过5%。Ⅳ、大震作用下，竖向构件的受剪截面应满足“强剪弱弯”的要求。