建筑結構基于性能的抗震設計

任立鵬

摘要：在性能設計中核心的思路就是按照建筑的實際情況和客戶需求，并參考國標設定建筑的抗震設防的目標，并按照結構的性能特性計算出結構所需要的基本參數，以此獲得較好的抗震效果，同時結合經濟性指標是項目達到安全和經濟的雙贏。

關鍵詞：性能特性;抗震設計;抗震設防;防震目標

一、基于性能特性研究的抗震設計理論概述

1.基于性能的結構抗震設計含義

建筑設計中基于性能的抗震設計的理論形成于1992年，是由美國的學者最先提出的，隨后經過理論的拓展和總結由美國的權威組織給出了明確的定義和描述。概括的說就是：基于性能的抗震理論以結構抗震的性能分析為理論基礎，針對不同的抗震作用水準，將結構的抗震性能劃分為不同的頂級，設計者根據結構的重要性和實際的用途和業主及使用者的特殊要求，采用合理的抗震性能目標和適應性結構抗震措施進行設計。

2.基于性能的抗震理論特征

2.1 支持采用多級設防的目標，我現行的是“小震不壞、中震可修、大震不倒”基本抗震原則，主要的目標是確保人身安全，這時抗震的根本思路和目標，無法避免大型地震中的巨大經濟損失?；谛阅芸拐鹪O計理論提出了多級目標設計的理念，此種分級 方式即考慮到了生命安全也從經濟性上考慮，最大限度的降低業主和社會的損失，保證在其可承受的范圍內，以此為基礎更加注重非結構件和內部設施的保護，將經濟效益的機制引入到了設計中，利用經濟決策方式通過進行費用效率分析，在可靠和經濟之間需求平衡，以確定最佳的抗震方案，達到優化設計的目的。

2.2 擴展空間，體現設計的個性化?，F行的抗震設計主要是按照規范進行一成不變的設計，因此設計缺乏靈活性，結構設計者總是在被動的情況下進行進行設計，而基于性能的抗震設計除了需要滿足共性規范外，也更加注重個性設計的需求，增加了業主和設計人員的交流范圍，在根據結構的用途和業主需求確定結構性能的目標后，設計人員就可以在此性能目標的基礎上選擇設計方法，采用相應的構造措施，而此種設計更加的靈活，對調的設計積極性和新材料、新技術、新工藝等的應用打開了方便之門，同時結構的抗震能力是在抗震性能的目標下形成的，也是的建筑的抗震能力可以預見。

二、基于性能的抗震結構設計的內容

1.地震設防的水準設定

地震設防的標準是指設定未來可能作用在建筑上的地震等級和作用效果，美國工程師協會曾提出，基于結構性設計理論追求能控制結構所可能發生的各種地震破壞的水準，因此需要根據不同的重現期選擇可能發生的對應不同的地震動參數。在協會的報告中指出四個地震設防的水準：1）無損傷的正常狀態，即結構只受到輕微損傷，不需要進行修理就可繼續使用而不帶有隱患;2）結構出現損傷但可修復，此種情況下結構仍然發揮效應，但是在次要部位出現損傷，需要進行修復。

2.結構抗震的性能目標設定

此項內容就是針對某種地震設防的水準而設定期望達到的抗震性能的等級，抗震設防目標德爾建立需要綜合考慮地質、功能、重要性、投資、效益、震后損失、重建、歷史和文化價值、社會效應、業主要求等因素。從地震設防的角度看，規范提出的抗震目標實際上是最低的設防標準，而結構抗震設計則是根據業主需求采用的設防標準，其要高于規范設定的范圍。

3.基于性能的結構設計實施

此項內容就是要求將結構的性能要求轉化為合理的性能參數以此形成具體的指導設計的基礎性數據。為了達到這一目標，需要配合合理的處理和分析方法，將前面的目標轉化為與性能指標相關量化數據，使之作為指導設計的具體指標。

三、高層建筑結構基于性能的抗震設計

1.工程基本情況

某城市的高層建筑，按照建筑的整體設計要求，工程項目地下結構為三層，地上為三層裙樓，主要塔樓設計為45層，從工程的高度超過了150m。項目的主體采用的是混凝土框架加核心筒的結構形式。按照業主的需要，建筑的設計使用年限為50年，整體鋼筋混凝土結構為二級，根據地域情況，此建筑為丙級，抗震設防為7。

2.對結構性能的目標選擇

通過對工程具體情況的分析，設計人員通過對工程的具體情況的把握，并與業主方進行了溝通，取得了一致意見，選定此工程的抗震性能目標為以下具體幾項：1）小震情況下滿足的要求是：結構在地震的影響下保持完好結構不出現明顯的損傷，震后不需要修復也可使用，且在震后不需要對人員安全采取任何保護措施。2）中震的情況下結構應當滿足要求：在中等強度的地震中，建筑相對脆弱的部位和重要結構件出現輕微的裂縫，屬于輕度損壞，而在設定的部位后者延性部位則允許出現中度的損壞，條件是出現明顯的裂縫，構件受損程度為進入屈服階段。震后需要進行維修方可繼續使用。

3.性能目標的實現措施

3.1 小震目標。工程在結構設計的過程中，設計人員通常采用的是計算機輔助設計，即利用軟件將性能目標和實際的結構的參數聯系起來，從而獲得可以指導工程建設的具體結構參數。在計算中主要遵循的是高層建筑結構空間的有限元分析和計算方法，利用三維建模的方式進行模擬分析。

3.2 中等地震的目標實現。結合前面的設計參數，對中等地震中所要達成的目標進行細化，并在基礎數據的基礎上對某些參數進行修正，使之到達設計的目標。根據目標要求，中震情況下，地震對結構件的影響使之超過了彈性變形范圍，結構的損壞將出現硬性的結構損傷，但是其范圍是可以修復，此時的重點就是通過結構的合理設計保護重點結構的安全，即舍棄某些結構件的完整，而保護主體框梁的安全。在此設計的思路上對整個設計的參數進行細部調整。

3.3 大震情況的目標實現。在設計中，與中震目標實現相似，在利用軟件進行分析和比對的時候，將其設定的范圍進一步擴大，模擬在罕見的高烈度地震的影響下結構所產生的應力改變和相互作用，實際上就是將結構所產生的水平和豎向位移設定為最大，并以此對結構參數進行調整，使之達到：結構不出現扭轉的效果。

四、構造設計的措施

還以前面的工程項目為例，在結構設計中按照參數要求，結構中采用的水泥等級為60號，在初級抗震的軸壓比要求下，剪跨比在1.5就可以滿足性能要求，但是這樣就出現了剪跨比小于2的情況，因此在結構設計中應當對此情況進行調整，以適應中等地震的要求，具體措施有：調整軸壓比，在規范的基礎上通過模擬計算進行逐級調整，使之達到保證柱體延性的需求。

五、結束語

總之，基于性能的結構抗震設計理論是一種概念性的設計方式，根據建筑的抗震設防目標，利用性能分析形成具體的結構性參數，最終應用在設計中。同時基于性能的抗震設計還具有經濟性特征，設計中將性能目標和經濟合理性結合起來，以此完成對結構設計的優化。

參考文獻：

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