3.10 建筑抗震性能化设计

3.10.1 考虑当前技术和经济条件,慎重发展性能化目标设计方法,本条明确规定需要进行可行性论证。
    性能化设计仍然是以现有的抗震科学水平和经济条件为前提的,一般需要综合考虑使用功能、设防烈度、结构的不规则程度和类型、结构发挥延性变形的能力、造价、震后的各种损失及修复难度等等因素。不同的抗震设防类别,其性能设计要求也有所不同。
    鉴于目前强烈地震下结构非线性分析方法的计算模型及参数的选用尚存在不少经验因素,缺少从强震记录、设计施工资料到实际震害的验证,对结构性能的判断难以十分准确,因此在性能目标选用中宜偏于安全一些。
    确有需要在处于发震断裂避让区域建造房屋,抗震性能化设计是可供选择的设计手段之一。

3.10.2 建筑的抗震性能化设计,立足于承载力和变形能力的综合考虑,具有很强的针对性和灵活性。针对具体工程的需要和可能,可以对整个结构,也可以对某些部位或关键构件,灵活运用各种措施达到预期的性能目标——着重提高抗震安全性或满足使用功能的专门要求。
    例如,可以根据楼梯间作为“抗震安全岛”的要求,提出确保大震下能具有安全避难通道的具体目标和性能要求;可以针对特别不规则、复杂建筑结构的具体情况,对抗侧力结构的水平构件和竖向构件提出相应的性能目标,提高其整体或关键部位的抗震安全性;也可针对水平转换构件,为确保大震下自身及相关构件的安全而提出大震下的性能目标;地震时需要连续工作的机电设施,其相关部位的层间位移需满足规定层间位移限值的专门要求;其他情况,可对震后的残余变形提出满足设施检修后运行的位移要求,也可提出大震后可修复运行的位移要求。建筑构件采用与结构构件柔性连接,只要可靠拉结并留有足够的间隙,如玻璃幕墙与钢框之间预留变形缝隙,震害经验表明,幕墙在结构总体安全时可以满足大震后继续使用的要求。

3.10.3 我国的89规范提出了“小震不坏、中震可修和大震不倒”,明确要求大震下不发生危及生命的严重破坏即达到“生命安全”,就是属于一般情况的性能设计目标。本次修订所提出的性能化设计,要比本规范的一般情况较为明确,尽可能达到可操作性。
    1 鉴于地震具有很大的不确定性,性能化设计需要估计各种水准的地震影响,包括考虑近场地震的影响。规范的地震水准是按50年设计基准期确定的。结构设计使用年限是国务院《建设工程质量管理条例》规定的在设计时考虑施工完成后正常使用、正常维护情况下不需要大修仍可完成预定功能的保修年限,国内外的一般建筑结构取50年。结构抗震设计的基准期是抗震规范确定地震作用取值时选用的统计时间参数,也取为50年,即地震发生的超越概率是按50年统计的,多遇地震的理论重现期50年,设防地震是475年,罕遇地震随烈度高度而有所区别,7度约1600年,9度约2400年。其地震加速度值,设防地震取本规范表3.2.2的“设计基本地震加速度值”,多遇地震、罕遇地震取本规范表5.1.2-2的“加速度时程最大值”。其水平地震影响系数最大值,多遇地震、罕遇地震按本规范表5.1.4-1取值,设防地震按本条规定取值,7度(0.15g)和8度(0.30g)分别在7、8度和8、9度之间内插取值。
    对于设计使用年限不同于50年的结构,其地震作用需要作适当调整,取值经专门研究提出并按规定的权限批准后确定。当缺乏当地的相关资料时,可参考《建筑工程抗震性态设计通则(试用)》CECS 160:2004的附录A,其调整系数的范围大体是:设计使用年限70年,取1.15~1.2;100年取1.3~1.4。
    2 建筑结构遭遇各种水准的地震影响时,其可能的损坏状态和继续使用的可能,与89规范配套的《建筑地震破坏等级划分标准》(建设部90建抗字377号)已经明确划分了各类房屋(砖房、混凝土框架、底层框架砖房、单层工业厂房、单层空旷房屋等)的地震破坏分级和地震直接经济损失估计方法,总体上可分为下列五级,与此后国外标准的相关描述不完全相同:


注:1 个别指5%以下,部分指30%以下,多数指50%以上。
       2 中等破坏的变形参考值,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。

    参照上述等级划分,地震下可供选定的高于一般情况的预期性能目标可大致归纳如下:

    3 实现上述性能目标,需要落实到具体设计指标,即各个地震水准下构件的承载力、变形和细部构造的指标。仅提高承载力时,安全性有相应提高,但使用上的变形要求不一定满足;仅提高变形能力,则结构在小震、中震下的损坏情况大致没有改变,但抗御大震倒塌的能力提高。因此,性能设计目标往往侧重于通过提高承载力推迟结构进入塑性工作阶段并减少塑性变形,必要时还需同时提高刚度以满足使用功能的变形要求,而变形能力的要求可根据结构及其构件在中震、大震下进入弹塑性的程度加以调整。
    完好,即所有构件保持弹性状态:各种承载力设计值(拉、压、弯、剪、压弯、拉弯、稳定等)满足规范对抗震承载力的要求S<R/γRE,层间变形(以弯曲变形为主的结构宜扣除整体弯曲变形)满足规范多遇地震下的位移角限值[△ue]。这是各种预期性能目标在多遇地震下的基本要求——多遇地震下必须满足规范规定的承载力和弹性变形的要求。
    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S≤R/γRE(其中的效应S不含抗震等级的调整系数),层间变形可能略微超过弹性变形限值。
    轻微损坏,即结构构件可能出现轻微的塑性变形,但不达到屈服状态,按材料标准值计算的承载力大于作用标准组合的效应。
    中等破坏,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。
    接近严重破坏,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要更换,经过大修加固后可恢复使用。
    对性能1,结构构件在预期大震下仍基本处于弹性状态,则其细部构造仅需要满足最基本的构造要求,工程实例表明,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,也可对某些关键构件提出这个性能目标。
    对性能2,结构构件在中震下完好,在预期大震下可能屈服,其细部构造需满足低延性的要求。例如,某6度设防的核心筒-外框结构,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。于是,结构总体上可达到性能2的要求。
    对性能3,在中震下已有轻微塑性变形,大震下有明显的塑性变形,因而,其细部构造需要满足中等延性的构造要求。
    对性能4,在中震下的损坏已大于性能3,结构总体的抗震承载力仅略高于一般情况,因而,其细部构造仍需满足高延性的要求。

3.10.4 本条规定了性能化设计时计算的注意事项。一般情况,应考虑构件在强烈地震下进入弹塑性工作阶段和重力二阶效应。鉴于目前的弹塑性参数、分析软件对构件裂缝的闭合状态和残余变形、结构自身阻尼系数、施工图中构件实际截面、配筋与计算书取值的差异等等的处理,还需要进一步研究和改进,当预期的弹塑性变形不大时,可用等效阻尼等模型简化估算。为了判断弹塑性计算结果的可靠程度,可借助于理想弹性假定的计算结果,从下列几方面进行综合分析:
    1 结构弹塑性模型一般要比多遇地震下反应谱计算时的分析模型有所简化,但在弹性阶段的主要计算结果应与多遇地震分析模型的计算结果基本相同,两种模型的嵌固端、主要振动周期、振型和总地震作用应一致。弹塑性阶段,结构构件和整个结构实际具有的抵抗地震作用的承载力是客观存在的,在计算模型合理时,不因计算方法、输入地震波形的不同而改变。若计算得到的承载力明显异常,则计算方法或参数存在问题,需仔细复核、排除。
    2 整个结构客观存在的、实际具有的最大受剪承载力(底部总剪力)应控制在合理的、经济上可接受的范围,不需要接近更不可能超过按同样阻尼比的理想弹性假定计算的大震剪力,如果弹塑性计算的结果超过,则该计算的承载力数据需认真检查、复核,判断其合理性。
    3 进入弹塑性变形阶段的薄弱部位会出现一定程度的塑性变形集中,该楼层的层间位移(以弯曲变形为主的结构宜扣除整体弯曲变形)应大于按同样阻尼比的理想弹性假定计算的该部位大震的层间位移;如果明显小于此值,则该位移数据需认真检查、复核,判断其合理性。
    4 薄弱部位可借助于上下相邻楼层或主要竖向构件的屈服强度系数(其计算方法参见本规范第5.5.2条的说明)的比较予以复核,不同的方法、不同的波形,尽管彼此计算的承载力、位移、进入塑性变形的程度差别较大,但发现的薄弱部位一般相同。
    5 影响弹塑性位移计算结果的因素很多,现阶段,其计算值的离散性,与承载力计算的离散性相比较大。注意到常规设计中,考虑到小震弹性时程分析的波形数量较少,而且计算的位移多数明显小于反应谱法的计算结果,需要以反应谱法为基础进行对比分析;大震弹塑性时程分析时,由于阻尼的处理方法不够完善,波形数量也较少(建议尽可能增加数量,如不少于7条;数量较少时宜取包络),不宜直接把计算的弹塑性位移值视为结构实际弹塑性位移,同样需要借助小震的反应谱法计算结果进行分析。建议按下列方法确定其层间位移参考数值:用同一软件、同一波形进行弹性和弹塑性计算,得到同一波形、同一部位弹塑性位移(层间位移)与小震弹性位移(层间位移)的比值,然后将此比值取平均或包络值,再乘以反应谱法计算的该部位小震位移(层间位移),从而得到大震下该部位的弹塑性位移(层间位移)的参考值。

3.10.5 本条属于原则规定,其具体化,如结构、构件在中震下的性能化设计要求等,列于附录M中第M.1节。