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摘要：近年来，由于城市的发展和城市人口密度的增加，经济生活节奏加快，地震灾害所引起的经济损失急剧增加，多次大地震的震害表明，以生命安全为抗震的单一设防标准是不全面的，为减少地震对人们的生产、生活所带来的危害，因此，有必要对建筑结构的性能化设计做更加深入的探讨分析具有十分重要的意义，即能保证地震时人身安全有能降低社会经济的损失。
关键词：建筑结构设计；性能化设计；抗震“三水准”；工程应用
1、性能化设计
1.1建筑结构性能化分析的意义
20世纪中叶以来，尽管社会发展水平有了巨大的提高，然而由于灾害性作用而造成的损失却反而越来越大，这给结构工程学科带来了一系列新的挑战性课题；地震时如何保证建筑和设施的地震破坏，保证地震时正常的生产、生活功能，减少地震对社会经济生活所带来的危害，有必要采用高于（或不低于）基本抗震性能目标的性能化设计方法。
1.2性能化设计的定义
根据工程的具体情况，按照规范要求，确定合理的抗震性能目标、采取恰当的计算和抗震构造措施，实现抗震性能目标的要求。抗震性能化设计的抗震设防目标不应低于规范的基本抗震性能目标
1.3结构性能目标的确立
由工程的具体情况，如发生地震，震后人身安全及经济损失的情况，由开发商和超限审查专家共同确立建筑结构的性能化目标；
2、建筑结构抗震设计水准
2.1建筑结构抗震设计“三水准”
《抗震规范》2010“小震不坏、中震可修、大震不倒”是基本的抗震设防目标，所有结构的抗震设计（地震作用的计算及构件承载力的验算），能满足第一水准（即“小震不坏”）要求，对于大多数的结构需要通过抗震构造措施来第满足第二、第三（中震可修、大震不倒）抗震设防目标；
3工程应用
3.1新北京中心
图一
图一为新北京中心：主楼地上40层，结构高度为151.7米，本工程采用框架-剪力墙结构体系，设防烈度8度，III类场地《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中规定的8度区丙类建筑钢筋混凝土框架-剪力墙结构的最大适用高度：A级100m、B级120m。9B楼为超B级高度。
3.2性能目标及主要抗震措施
性能目标及主要抗震措施：小震：满足弹性设计要求；中震：底部加强部位墙体和外框柱满足抗剪弹性、抗弯不屈服，框架梁和连梁抗剪不屈服。大震：允许部分构件进入屈服，并满足弹塑性变形的规范限值。底部加强部位剪力墙抗剪按中震弹性、抗弯按中震不屈服验算，底部加强部位横向墙体肢长较长，分担的剪力较大，采用增设型钢，提高墙肢的承载力及延性，底部加强部位边缘构件中设置型钢增强其抗弯、抗剪能力，同时增强其延性。
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010 4.3.5、4.3.6条规定，本工程采用小震作用下的弹性时程分析法进行补充计算，所采用时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。施工图设计时，取七组地震波弹性时程分析结果的平均值与振型分解反应谱法分析结果二者的较大值对结构进行设计。
3.3多遇地震下的弹性分析
3.3.1震型分解反应谱法
本工程弹性计算分析软件分别采用PKPM-SATWE、MIDAS空间分析软件进行对比校核计算，计算分析采用整体空间结构模型。计算时按刚性楼板假定，按《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第5.1.13.1条规定，计算振型数不少于15个，本工程计算取15个振型分别比较了：振型、周期比及质量参与系数；
由上表可见，9B小震弹性计算各软件周期分析结果较为接近，且两个软件的质量参与系数均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中第5.1.13条不小于90%的要求。
3.3.2结构弹性时程反应分析主要计算结果附图
根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第5.1.2条规定，8度区高度超过80m的高层建筑应采用时程分析法进行多遇地震的补充计算。当取七组加速度时程曲线输入时，计算结果宜取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值；时程分析时，应按建筑场地类别和地震分组选用时程曲线进行弹性时程分析，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，且每条时程曲线计算所得的结果底部剪力不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%。另外，地震波的持续时间不宜小于结构基本自振周期的5倍，也不宜小于15秒。
选取的七组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响曲线在统计意义上相符（在主要周期点上反应谱误差不超过20%），每条时程曲线计算所得的结果底部剪力大于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值也大于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%，满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第5.1.2的要求。
根据计算，从结果附图可以看出：七组地震波的层剪力和倾覆弯矩平均值比振型分解法的结果较小，时程曲线在X向和Y向计算所得位移曲线平滑，曲线无明显突变点，与振型分解反应谱法计算所得位移曲线趋势无明显差异，表明结构竖向刚度均匀，无明显薄弱层；另外，根据时程曲线在X向和Y向计算所得位移角曲线角为较为平滑，位移角曲线走势基本与振型分解反应谱法计算所得位移角曲线相同，能够满足规范各项要求。
3.4弹塑性分析
3.4.1 分析目的
结构在较大的地震作用下某些部位要发生屈服甚至破坏退出工作，从而结构的工作状态会从弹性过渡到弹塑性，随着塑性的发生和发展，结构的反应性能会发生改变，这就需要进行非线性地震反应分析。
根据我国建筑结构抗震设计规范的“中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，结构在相当于本地区抗震设防烈度的地震作用下可以发生损坏，但经修理仍可使用；在罕遇地震作用下，结构允许有较大的弹塑性变形及严重结构性破坏，但不至于倒塌，结构整体及各个构件的总变形及非弹性变形（位移）应控制在可接受的范围之内。对于本结构，按《建筑抗震设计规范》GB50011-2001表5.5.5，属于框架—剪力墙体系，罕遇地震作用下结构的最大层间位移角不应大于1/100。
3.4.2 结构出铰状况
结构的出铰顺序和部位如下：
1）当结构顶点位移在0.12m（略超出小震的水平）之前，如图二，整个结构基本保持弹性；
2）当顶点位移达到0.32m（约相当于中震的水平）时，如图三，在底部及上部连梁出现了塑性铰；
3）随着侧推的继续，连梁塑性铰的数量也逐渐增多；剪力墙开始出现塑性铰，
4）当达到罕遇地震性能控制点时，如图四，在底部的剪力墙上都出现了塑性铰，中部连梁的出铰程度已经加深。
图四：罕遇地震性能控制点对应时刻出铰图
（出铰单元比例8.2%）
在Pushover分析曲线中，结构的能力曲线和罕遇地震需求曲线能够求得性能控制点，性能控制点对应的结构层间位移角小于规范规定的限值。从结构的出铰部位和顺序来看，在设防烈度地震的作用下，结构在一些连梁和剪力墙中出现了塑性铰，但数量不多；在罕遇地震作用下，结构的一部分连梁和剪力墙出现了塑性铰，且一些塑性铰屈服程度较深。但从基底剪力—顶点位移相关曲线上可以看到，整体结构仍处于强化上升的工作阶段，在罕遇地震对应点之后的曲线上升态势还比较明显。故可以说，结构能够经受罕遇地震的考验。
4结束语
随着社会经济的不断进步发展和诸多客观的需求，巨大的经济损失和社会影响使研究人员和工程技术人员更加深刻的认识到，单纯强调结构在地震作用下不严重破坏和不倒塌，已不再是一种完善的抗震理念，已不能适应现代工程结构的抗震需求，于是，基于性能的抗震设计方法用于复杂超限高层结构的抗震设计显得尤为重要，从而推动和促进了基于性能抗震设计理论的持续发展。
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论文作者:代军威
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第11期
论文发表时间:2017/10/10
标签：结构论文; 曲线论文; 性能论文; 剪力论文; 塑性论文; 位移论文; 弹性论文; 《建筑学研究前沿》2017年第11期论文;