抗震概念設計及抗震性能化設計朱炳寅

抗震概念設計及抗震性能化設計朱炳寅中國建筑設計研究院中國建筑結構設計交流總群278596705■抗震性能化設計部分回答以下問題：什么是抗震性能化設計性能化設計不神秘，大到整個工程，小到結構構件，都有性能化設計的問題，我們的樓梯安全島的概念及其設計原則就是抗震性能化設計。為什么要進行抗震性能化設計抗震性能化設計與抗震概念設計的關系如何做好抗震性能化設計工作抗震性能化設計工作實例及分析第二部分：抗震性能化設計1.什么是抗震性能化設計1.1建筑抗震性能化設計就是：根據(jù)工程的具體情況，確定合理的抗震性能目標、采取恰當?shù)挠嬎愫涂拐鸫胧?，實現(xiàn)抗震性能目標的要求?？拐鹦阅芑O計的抗震設防目標不應低于規(guī)范的基本抗震性能目標。1.2抗震性能化設計的基本思路是：“高延性，低彈性承載力”或“低延性，高彈性承載力”。1.3提高結構或構件的抗震承載力和變形能力，都是提高結構抗震性能的有效途徑，而僅提高抗震承載力需要以對地震作用的準確預測為基礎。限于地震研究的現(xiàn)狀，應以提高結構（局部）或構件的變形能力并同時提高抗震承載力作為抗震性能化設計的首選。1.4建筑的抗震性能化設計，以現(xiàn)有的抗震科學水平和經濟條件為前提，立足于承載力和變形能力的綜合考慮，具有很強的針對性（針對具體工程的不規(guī)則情況及特殊的使用功能要求等）和靈活性。1.5在復雜高層建筑及超限工程設計審查中經常提到結構的性能化設計問題，性能化設計是結構抗震設計的精髓。2.為什么要進行抗震性能化設計2.1多次大地震及特大地震的震害表明，由于城市的發(fā)展和城市人口密度的增加，城市設施復雜，經濟生活節(jié)奏加快，地震災害所引起的經濟損失急劇增加，因此，以生命安全為抗震設防惟一目標的單一設防標準是不全面的，應考慮控制建筑和設施的地震破壞，保持地震時正常的生產、生活功能，減少地震對社會經濟生活所帶來的危害，有必要采用高于（或不低于）基本抗震設防目標的性能化設計方法。2.2建筑的平面和立面的復雜程度增加，按常規(guī)設計方法進行的抗震設計往往不能完全滿足抗震設計要求。3.抗震性能化設計與抗震概念設計的關系3.1抗震性能化設計是解決復雜工程抗震設計問題的有效方法，也是抗震概念設計的集中體現(xiàn)。3.2抗震性能化設計貫穿于結構抗震設計的始終，其并不神秘。我們結構設計中的許多工作其實就是抗震性能設計的具體內容，此處舉例說明如下：3.2.1《抗震規(guī)范》中的三水準設防目標，就是一種性能目標。明確要求大震下不發(fā)生危及生命的嚴重破壞即“大震不倒”，就是最基本的抗震性能目標。3.2.2對起疏散作用的樓梯，提出采取加強措施，使之成為“抗震安全島”的要求，確保大震下能具有安全避難和逃生通道的具體目標和性能要求，這是對具體部位提出的滿足地震時功能要求的抗震性能目標。3.2.3對特別不規(guī)則結構、復雜建筑結構，根據(jù)具體情況對抗側力結構的水平構件和豎向構件提出相應的性能目標要求，提高結構或關鍵部位結構的抗震安全性。3.2.4對錯層結構的錯層部位提出中震承載力的設計要求。3.2.5對框支梁及框支柱按“中震”設計。由于框支梁及框支柱承托上部結構，為重要的結構構件，因此按“中震彈性“或“中震不屈服”設計。對應的性能目標就是在設防烈度地震（“中震”）作用下，框支梁及框支柱仍處于彈性（或不屈服）狀態(tài)。3.2.6重要結構的門廳柱按“中震”設計。由于門廳柱數(shù)層通高，且作為上部樓層豎向荷載的主要支承構件，屬于重要的結構構件，因此按“中震彈性”或“中震不屈服”設計。對應的性能目標就是在設防烈度地震（“中震”）作用下，門廳柱仍處于彈性（或不屈服）狀態(tài)。3.2.7對承受較大拉力的樓面梁按“中震”設計。受斜柱的影響樓面梁常承受較大水平力，考慮鋼筋混凝土樓板開裂后承載能力的降低，按“零剛度”樓板假定并按“中震”設計。當梁承受的拉力較大時，可考慮采用型鋼混凝土梁、或鋼梁。3.2.8對特別重要的結構，當采用雙重抗側力結構時，如鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構中，對底部加強部位的抗震墻提出截面剪壓比限值要求，按大震剪力不超過0.15fcbwhw03.如何做好抗震性能化設計工作3.1抗震性能化設計的路徑如下：確定各地震水準下結構可接受側破壞程度設定結構的抗震性能目標確定各個地震水準下構件的承載力、變形和細部構造的具體指標3.2如何確定結構的抗震性能目標3.2.1抗震性能目標應根據(jù)抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構類型和不規(guī)則性，建筑使用功能和附屬設施功能的要求、投資大小、震后損壞和修復難易程度等，經技術及經濟可行性綜合分析和論證后確定。3.2.2由于房屋的重要性程度及建筑使用功能不同，結構或結構部位及結構構件的抗震設防目標也不完全相同，應根據(jù)具體情況采取相應的抗震措施3.2.3針對工程的需要和可能，可以對整個結構，也可以對某些部位或關鍵構件，靈活運用各種措施達到預期的抗震性能目標，以提高抗震安全性或滿足使用功能的專門要求。3.2.4鑒于目前強烈地震下結構非線性分析方法的計算模型及參數(shù)的選用，尚缺少從強震記錄、設計施工資料到實際震害的驗證，對結構性能的判斷難以十分準確，因此，性能目標選用時宜偏于安全考慮。圖2-1抗震性能目標、承載力與延性之間的關系3.2.5性能目標1■結構在設防烈度地震下完好并能正常使用（即中震彈性或基本彈性）罕遇地震作用下能基本完好，最多只產生一些不明顯的非彈性變形（圖2-1中OAA′至OBB′之間），經檢修后可繼續(xù)使用（即大震基本彈性或大震不屈服）?！瞿承┨貏e重要的建筑，需要結構具有足夠的承載力，從而保證其在中震、大震下始終處于基本彈性狀態(tài)；也有一些建筑雖然不特別重要，但其設防烈度較低（如6度）或結構的地震反應較小，也可以保證其在中震、大震下始終處于基本彈性狀態(tài)。■某些特別不規(guī)則的結構，業(yè)主愿意付出經濟代價，也能使其在中震、大震下始終處于基本彈性狀態(tài)?！鰧μ厥夤こ碳安捎酶粽?、減震技術或低烈度設防且風荷載很大時，可對某些關鍵構件提出此項性能要求，其房屋的高度和不規(guī)則性一般不需要專門限制?！鼋Y構滿足大震下彈性或基本彈性設計要求，大震下結構可不考慮地震內力調整系數(shù)，但應采用作用分項系數(shù)?！龈鳂嫾募毑靠拐饦嬙靸H需滿足最基本的構造要求（如采取抗震等級為四級的構造措施），結構具有最基本的延性性能。3.2.6性能目標2■結構構件在中震下完好，在預期大震下可能屈服（圖2-1中OBB′至OCC′之間）?！隼纾耗?度設防的鋼筋混凝土框架-核心筒結構，其風力是小震的2.4倍，在風荷載作用下的層間位移是小震的2.5倍。結構的層間位移和所有構件的承載力均可滿足按中震（不計風荷載效應）的設計要求?？紤]水平構件在大震下的損壞使剛度降低和阻尼加大，豎向構件的最小極限承載力仍可滿足大震下的驗算要求。因此，總體結構可達到性能目標2的要求?！鼋Y構的薄弱部位或重要部位構件的抗震承載力（正截面承載力和抗剪承載力）滿足大震彈性設計要求。■整個結構按非線性分析計算。■允許某些選定的部位接近屈服（如部分受拉鋼筋屈服），但不發(fā)生如剪切等脆性破壞?！龈鳂嫾募毑靠拐饦嬙煨铦M足低延性要求（相當于混凝土結構中三級抗震等級的構造要求）。3.2.7性能目標3■在中震下已有輕微塑性變形，大震下有明顯塑性變形（圖2-1中OCC′至ODD′之間）。3.2.8性能目標4■在中震下的損壞已大于性能目標3，結構總體的承載力略高于一般情況（圖2-1中ODD′至OEE′之間）。■結構應進行非線性分析。■結構的薄弱部位或重要部位構件在大震下允許達到屈服階段，但滿足選定的變形限值（如除框架結構以外的混凝土結構，在大震下的層間彈塑性變形控制在1/500~1/300）?！鲐Q向構件不發(fā)生剪切等脆性破壞。■各構件的細部抗震構造應滿足高延性的要求（相當于混凝土結構中一級抗震等級的構造要求）。3.2胸.9性能福目標5■對應與于圖2-接1中OE獸E′?！鲲埥Y構茂應進胞行非晚線性搭分析鉗?！鼋Y嘴構的薄唱弱部位杠或重要嘉部位構餡件在大蝕震下允盞許達到俱屈服階涂段，滿懼足現(xiàn)行靈規(guī)范在工大震下撞的彈塑等性變形派要求?！鲐Q令向構件都不發(fā)生挎剪切等敲脆性破倉壞。■熟各構野件的猶細部偏抗震虛構造利應滿庫足特翼種延慘性的峽要求蝕（相摘當于占混凝滴土結溝構中仍特一濾級抗節(jié)震等烏級的構構造貓要求重）。3.3確定值中震型或大逗震下帶的抗白震性羨能水聰準為實鄙現(xiàn)性是能目洲標要重求，娛需要佳落實努各個得地震明水準幻玉（中影震或束大震尾）下仙構件拖的承摟載力雷、變網形和扛細部進構造匠的具掩體指刻標。3.諷3.右1僅提高夸承載力爭時，安廉全性有除相應的貨提高，棗但使用墳上變形測要求不跳一定能汽滿足；3.樸3.匹2僅提高嫁變形能殿力，則鑒結構在飼小震、紛中震下驗的損壞慶情況大至致沒有徹改變，振但抵御狠大震倒費塌的能澇力提高音。3.咐3.組3性能化趴設計往胖往側重償于通過拆提高承嶼載力，物推遲結湊構進入災塑性工托作階段戶并減少哄塑性變筒形，必努要時轎還需犯同時河提高涼剛度島以滿梁足使渠用功烏能的常變形憑要求隊，而具變形痰能力抽的要晴求可妥根據(jù)療結構雷及其笛構件彼在中沙震、謙大震狹下進膊入彈搭塑性愧的程羅度加狀以調捷整。3.3蒜.4性能栽設計列尋求認的是岔結構折或構外件在濟承載脆力及紙變形牢能力縱的合廣理平恩衡點：■當緩承載能愉力提高丑幅度較尊大時，寬可適當洞降低延蹦性要求弟；■而喊當承載姥力水平勤提高幅礦度較小冬時，可兵相應提臉高結構塞或構件將的延性掛（也即害當延性宏指標的謀實現(xiàn)有釋困難時橋，可通篇過提高征結構或艇構件的致承載力辱加以彌多補；而棒當提高匙結構或焰構件的杏承載力未有困難蹤蝶時，可斗通過提盲高結構滾或構件灶的延性垮加以彌傭補）。3.幅3.匪5對各謙項性舉能目槳標，火結構抵的樓屢蓋體再系必議須有道足夠義安全占的承施載力想，以蚊保證向結構屯的整煌體性匹，一廈般應箭使樓點板在倦地震額中基株本處稅于彈榆性狀甚態(tài)，砍否則墊，應鍋采取琴適當們的加興強措淚施。3.3時.6為避免穿發(fā)生脆介性破壞濟，設計盜中應控鞠制混凝符土結構短構件的巴受剪截蓮面面積獄，滿足伐規(guī)范對恒剪壓比哪的限值壓要求。3.3污.7性能辛目標炕中的政抗震虜構造起“基硬本要嗽求”零相當嗽于混愛凝土像結構槍中四授級抗蠟震等型級的茶構造喝要求肺，低懷、中靠、高棚和特竄種延碰性要蛛求，惰大致似相當陣于混識凝土為結構裂中三呼、二陽、一趁和特家一級苗抗震糧等級叢的構耕造要搏求。辯考慮檢地震攜作用京的不仍確定紫性，題對工循程設藏計中梁的延回性要喬求宜究適當閘提高思。4.抗震性凍能化設盛計工程次實例及譽分析抗震悠性能雞化設眼計可軋以是替對全溪工程澇也可循以是隸對某肺一特萬殊構贏件（臣高規(guī)綢第條損要求約，對必少量帝剪力菜墻的友框架簡結構夠進行預抗震傘性能鄉(xiāng)豐化設瓜計）抗震性翻能指標處確定的憂一般原碑則赴表抗震英性能徑設計閉的常井見做清法重表表3.1廣1.3杏-1結構償在中稍震和舊大震神性能侄設計工要求4.1大同形博物候館工歲程抗繩震性乘能化例設計縫與分段析4.2鄂爾姐多斯?jié)u東方憂大廈腰工程暑抗震婦性能特化設貫計與銷分析4.神3昆山社文化伙藝術涼中心盞工程繡抗震熄性能雙化設鋤計與捉分析4.4哈爾徒濱華凡鴻工蕉程抗梁震性摔能化執(zhí)設計爹與分棋析4.5武警老柴干部活睛動中心志工程抗埋震性能濃化設計答與分析4.薯6浦項中其心工程仁抗震性幅能化設挽計與分役析4.7新汶礦堪業(yè)集團辛研發(fā)中棕心工程艙抗震性砌能化設擱計與分矛析4.8勞動糕關系櫻學院論工程糠抗震靈性能崗化設智計與戴分析4.誰9少墻框孤架結構剖的抗震握性能化鏡設計與征分析（P21逢0）大同博濾物館大同釀博物痕館通過充山西派省抗假震超扔限審畜查二層員及夾仁層平拉面連接弱端部大劍懸挑端部敘大懸搬挑沿曲辯線平桑面均引勻布迷置剪激力墻剪力墻沃間距較綢大處補凈充單跨纖框架計鐵算屋頂平取面不規(guī)則漿（不均豈勻、不棚對稱）竄的現(xiàn)象暗：曲線印平面沉，相償互之農間連責接弱抹，端網部有棚大懸避挑?？拐鸶湃δ钤O計述工作：采用斜框架-剪力墻認結構，呆沿曲線龍平面基怖本均勻柳布置剪狠力墻，椒補充單飼跨框架申計算，挎適當提甚高框架泄的抗震漸等級。關鍵烏部位版和樓危層薄襯弱不爐為采多取適旦當加掙強措弟施?？拐鹌Ｐ阅転V目標湊：剪力墻鋒抗剪滿贊足中震微彈性要煎求，抗工彎滿足慈中震不迫屈服要趨求；大里懸挑梁頁滿足中伶震彈性類要求并曬考慮豎濫向地震薄作用。鄂爾奸多斯身東方有大廈通過內豎蒙古抗每震超限垂審查北側墾大洞西側遮大洞東側羊有洞大堂無樓患板樓板開慎大洞，畏中筒與適外框架殼，主樓抬與裙房微整體性冤差裙房頃均勻身布設館剪力裁墻，剛減輕膏裙房蔥對主壟樓的影依賴主樓躍項層柱按碰中震彈印性設計殼，配筋朱不小于嫂相鄰不桃躍層柱裙房黃頂上固一層寶以下永的中爭筒剪配力墻太按中唯震（唇抗剪暈彈性餓、抗雨彎不虹屈服蒸）設律計不規(guī)則架（不均饅勻、不愁對稱）前的現(xiàn)象榴：主樓大秋堂二層唇、三層就無樓板婆，裙房贏各層平粒面開大倒洞。抗震概途念設計魯工作：采用腳框架-剪力但墻結李構，嗽沿樓怒梯間逆在裙俱房平抱面均碑勻布宵置剪歡力墻裳，減悠小裙臉房對遍主樓徑的依悔賴，殊裙房煌特殊努部位呢補充狠單跨過框架辨計算籮。關鍵瓣部位遵和樓蹲層薄千弱部鼠位采吵取適委當加釘強措靜施?？拐鹦脏]能目標朵：主樓裙確房頂以角上一層賢及其以脅下各層余，剪力臣墻抗剪飼滿足中仙震彈性擔要求，碧抗彎滿慕足中震分不屈服駝要求；價躍層柱景按中震茂彈性設綁計，配瘋筋不小編于相鄰局不躍層鏡框架柱掃。哈爾濱來華鴻工傳程南北酒兩區(qū)駝分別辯通過債黑龍也江超津限審綱查南區(qū)位于哈爾濱秀市南崗巴區(qū)總建梳筑面柳積約28萬㎡地上35層，地鳴下3層；伴檐口公高度119夕.35片m，最籍高點130拖.05花m。建筑功軟能為商嫂業(yè)、住悼宅及公寺寓；三個俘塔樓多與裙巾房之蘋間不招設防子震縫裙房典削型平面裙房典艇型平面塔樓1、3塔樓2抗震等鼓級多重導情況扎：高位酷框支像、裙困房乙亂類建渠筑、促房屋帖高度蜜超提亮高一旗度后喜的限啄值等性能坦設計臟目標設防水準多遇地震設防烈度罕遇地震性能描述完好可修復不倒塌允許層間位移1/1000——1/120底部加強區(qū)剪力墻彈性承載力滿足彈性設計要求連梁滿足規(guī)范————框支框架框支柱彈性承載力滿足彈性設計要求框支梁彈性承載力滿足彈性設計要求承載力滿足不屈服設計要求北區(qū)塔樓裙房地下室柏頂結構嫁平面圖樓板開獄大洞二層呼結構讓平面推圖螺旋樓奸梯三層活平面街圖螺旋創(chuàng)樓梯平面肌較完怕整四層冰平面痕圖平面騾收進五層享平面淋圖平面概多處或開大案洞收窩進五層迎夾層衣平面俯圖開大洞六層查平面欠圖平面暢較完桃整游泳科池裙房尖頂層矮平面蛾圖裙房頂裙房以富上平面中國鞏建筑奏設計凈研究嚇院第蕩四結剝構設庫計研溜究室主裙嗽樓分浩縫時蔑主供樓不惡規(guī)則秀判斷主裙首樓分暖縫時狡主鋒樓不稍規(guī)則濤判斷主裙繭樓分警縫時栗裙樓謠不規(guī)柄則判面斷中國建拍筑設計暈研究院速第四結以構設計圾研究室主裙歡樓分正縫時用裙樓演不規(guī)扔則判諸斷高度鉛及高援寬比喚指標高度花超B宵級主裙撕樓不鉤分縫愿時齊結專構規(guī)漿則性烈指標4項不規(guī)昂則主裙森樓不銷分縫謀時康結沫構規(guī)風則性洋指標1項不規(guī)慎則分縫組/不鼓分縫豈方案毯對比性能設屆計目標抗震擴等級高規(guī)帝第條桂第4款規(guī)語定：當框襲架部庫分承鑒受的興地震即傾覆仍力矩器大于慕結構脈總地霉震傾寶覆力騙矩的80%時，按框追架-剪力扛墻結匠構進歪行設茫計，但啞其最趁大適遇用高捆度宜潮按框你架結姻構采睜用，噸框架腔部分術的抗把震等缺級和短軸壓遙比限僅值應丸按框愿架結幟構的帥規(guī)定助采用羅。當急結構套的層塊間位經移角捷不滿犁足框尺架-剪力孤墻結棕構的談規(guī)定故時，攝可按堅本規(guī)庫程第3.客11節(jié)的冠有關墨規(guī)定進行終結構住抗震蘿性能駁分析般和論臣證。少量押剪力斬墻的咽框架張結構宗的抗片震性惹能目盆標就是葡一般芽抗震休結構卻的基復本抗婚震性挖能目糟標，貌