例析高层建筑结构抗震设计的性能目标

0 引言

现行建筑结构抗震设计准则是“小震不坏”、“中震可修”、“大震不倒”，即以满足截面承载力要求保证“小震不坏”；由结构非线性反应计算进行变形条件的验算从而实现“大震不倒”；以特定配筋增强截面及构件延性达到“中震可修”。现行抗震规范的这种设计思想在建筑结构的设计实践中遇到了很大的困难。首先是“大震”作用下建筑结构的变形验算基本上没有进行，原因是缺乏有说服力的结构非线性地震反应分析方法；其次是“小震”作用下建筑结构线性地震反应分析方法要么过于粗糙、简单，要么过于复杂、耗时，有的甚至无法进行精确分析。而现行的高层建筑结构的抗震构造措施过于强调提高截面构件的延性，缺乏提高整体结构抗震性能的有效构造措施。近十几年来，国外中、强地震震害表明，依此种设计思想设计的建筑结构倒塌的极少，能基本保证生命安全，但其财产损失往往超过了社会和业主所能承受的范围。社会和业主希望能震前预知结构可能的损失，更希望能按照其意图制定并实现结构的抗震性能目标。

一、抗震结构设计的性能目标

结构抗震设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用，避免结构出现敏感的薄弱部位。地震能量的聚散，如果仅集中在少数薄弱部位，必会导致结构过早破坏，目前各种抗震设计方法的前提之一就是假定整个结构能发挥耗散地震能量的作用，在此前提下才能以多遇地震（小震）作用进行结构计算、构件截面设计并辅以相应的构造措施，必要时采用弹性时程分析法进行补充计算，试图达到罕遇地震（大震）作用下结构不倒塌的目标。

它表明传统的地震危险性概率分析方法仍然是地震动性能划分的有力工具，但已不是单一用途的地震危险性分析方法，多种用途的危险性分析才能适应这种设计方法的要求。因而对各种梁、柱、墙构件乃至整体结构实验结果及震害调查结果的定性定量分类，用强大的数据库进行综合非常必要。这种数据库甚至可提供构件及结构性能标准的图形形式。

图1即为性能目标的详图，明确了性能目标所要求的定量标准、分析方法，指明了性能的抗震设计理论的研究方向及应着重研究的关键技术问题。

图1 性能目标详图

二、例案

例1、地震区的底框房屋设计时应注意到上下是两类受力性质截然不同的结构，极限变形能力相差悬殊。在小震作用下是上部砖房起控制作用，当处于弹性阶段时，验算的重点是砖墙部分；当砖墙开裂时，验算的重点是框架部分。另一方面还要注意底框房屋其侧向变形协调是靠楼板有足够的水平刚度来实现的。因此，底层楼板不仅需要现浇来达到其应有的水平刚度，且还需要有一定的厚度。

例2、 1972年某区域地震，一幢15层的大厦其平面布置图见图2，结构严重破坏。分析其结构体系，存在许多概念设计的错误。平面、立面布置严重不均匀、不连续等，地震时产生较大的偏心扭转效应，最终导致柱子严重开裂，钢筋被压曲，电梯井、楼梯间也遭到严重破坏。

图2 某大厦平面布置图

例3、一位著名结构设计大师在1963年某市设计的大厦，其平面布置图见图3。这幢楼的设计是这位大师运用概念设计思想的早期代表之作，堪稱概念设计之典范。在1972年某市发生的强烈地震，多座楼房倒塌，而这座大厦虽位于震中，承受了比设计地震作用0.06 g大六倍的地震作用而未倒塌，墙体仅有很小裂缝。该建筑由四个柔性筒组成，对称地由连梁连接起来，在风荷载和多遇地震作用下，结构表现为刚性体系，在大震作用下，通过连梁的屈服，四个柔性筒相对独立，成为具有延性的结构体系，结构的地震作用明显减小，由于结构对称布置，防止了明显的扭转效应。

图3 某大厦平面布置图 三、优化准则及其保证措施

考虑地震作用时必须充分领会和灵活运用抗震概念设计的优化准则，并采取相应的构造措施。

（1）优化准则“强节弱杆”——防止节点破坏先于构件；“强柱弱梁”——防止杆系发生楼层倾移破坏机制，要求柱的抗弯能力高于梁的抗弯能力；“强剪弱弯”——防止构件剪力破坏，要求杆件的受剪承载力高于受弯承载力；“强压弱拉”——对杆件截面而言，为避免杆件在弯曲时发生受压区混凝土破裂的脆性破坏，使受拉区钢筋承载力低于受压区混凝土受压承载力。

（2）保证措施有两个方面：一是调整或限制构件的荷载效应，二是强制规定必要的构造措施。这两个方面在高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）有

详细的规定，有的则是以强制性条文提出严格要求。如：高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）中第6.3.2条的第1点限制梁端截面混凝土受压区高度与有效高度之比，就是保证梁的变形能力，而它又决定于梁端塑性转动量，而塑性转动量又与截面混凝土受压区的相对高度密切相关；试验研究结果表明要使钢筋混凝土梁的位移延性系数达到3～4，混凝土受压区相对高度必须控制在0.25～0.35。又如：对钢筋混凝土杆件而言，杆件截面的平均剪应力过高，都会降低箍筋的抗剪效果，平均剪应力较小时，可以避免出现剪切破坏，所以建筑抗震设计规范（GB50011-2001）中第6.2.9条规定钢筋混凝土结构的梁、柱、抗震墙和连梁的截面组合剪力设计值应符合下式要求：

总之，高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）中许多条文以及强制性条文都是与这“四强四弱”密切相关的。因此，必须在充分理解规范、规程中的具体条文的基础上，运用相应的构造措施。

四、结论

（1）基于性能的建筑抗震设计的主要特点是由社会、公众选择结构性能目标，由设计人员尽可能地实现这些性能目标。与传统的基于承载力的抗震设计方法相比，它更加精细，更具可预测性。它赋予了社会、业主自由选择结构性能的权利，为结构工程师创造了展示才华的设计舞台，向更经济、更安全、更舒适的建筑结构设计理想迈出了坚实的一步。

（2）给出了实现基于性能的建筑抗震设计的总流程图，并展示了各个过程的分流程图。由此明确了建立基于性能的抗震设计理论的研究方向及应着重研究的关键技术问题。