性能設(shè)計-朱炳寅

1、抗震概念設(shè)計及抗震性能化設(shè)計朱炳寅中國建筑設(shè)計研究院中國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計交流總?cè)?78596705 抗震性能化設(shè)計部分回答以下問題：什么是抗震性能化設(shè)計 性能化設(shè)計不神秘，大到整個工程，小到結(jié)構(gòu)構(gòu)件， 都有性能化設(shè)計的問題，我們的樓梯安全島的概念及其設(shè)計原則就是抗震性能化設(shè)計。為什么要進(jìn)行抗震性能化設(shè)計抗震性能化設(shè)計與抗震概念設(shè)計的關(guān)系如何做好抗震性能化設(shè)計工作抗震性能化設(shè)計工作實例及分析第二部分：抗震性能化設(shè)計1. 什么是抗震性能化設(shè)計1.1 建筑抗震性能化設(shè)計就是：根據(jù)工程的具體情況，確定合理的抗震性能目標(biāo)、采取恰當(dāng)?shù)挠嬎愫涂拐鸫胧?，實現(xiàn)抗震性能目標(biāo)的要求。抗震性能化設(shè)計的抗震設(shè)防目標(biāo)不應(yīng)低于

2、規(guī)范的基本抗震性能目標(biāo)。1.2 抗震性能化設(shè)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(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震承載力和變形能力，都是提高結(jié)構(gòu)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(zhǔn)確預(yù)測為基礎(chǔ)。限于地震研究的現(xiàn)狀，應(yīng)以提高結(jié)構(gòu)（局部）或構(gòu)件的變形能力并同時提高抗震承載力作為抗震性能化設(shè)計的首選。1.4 建筑的抗震性能化設(shè)計，以現(xiàn)有的抗震科學(xué)水平和經(jīng)濟(jì)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(qiáng)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(fù)雜高層建筑及超限工程設(shè)計審查中經(jīng)常提到結(jié)構(gòu)的性能化設(shè)計問題，性能化

3、設(shè)計是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的精髓。2. 為什么要進(jìn)行抗震性能化設(shè)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(shè)施復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)生活節(jié)奏加快，地震災(zāi)害所引起的經(jīng)濟(jì)損失急劇增加，因此，以生命安全為抗震設(shè)防惟一目標(biāo)的單一設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是不全面的，應(yīng)考慮控制建筑和設(shè)施的地震破壞，保持地震時正常的生產(chǎn)、生活功能，減少地震對社會經(jīng)濟(jì)生活所帶來的危害，有必要采用高于（或不低于）基本抗震設(shè)防目標(biāo)的性能化設(shè)計方法。2.2 建筑的平面和立面的復(fù)雜程度增加，按常規(guī)設(shè)計方法進(jìn)行的抗震設(shè)計往往不能完全滿足抗震設(shè)計要求。3. 抗震性能化設(shè)計與抗震概念設(shè)計的關(guān)系3.1 抗震性能化設(shè)計是解決復(fù)雜工程抗震設(shè)

4、計問題的有效方法，也是抗震概念設(shè)計的集中體現(xiàn)。3.2 抗震性能化設(shè)計貫穿于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的始終，其并不神秘。我們結(jié)構(gòu)設(shè)計中的許多工作其實就是抗震性能設(shè)計的具體內(nèi)容，此處舉例說明如下：3.2.1 抗震規(guī)范中的三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)，就是一種性能目標(biāo)。明確要求大震下不發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞即“大震不倒”，就是最基本的抗震性能目標(biāo)。3.2.2 對起疏散作用的樓梯，提出采取加強(qiáng)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(biāo)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(biāo)。3.2.3 對特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)、復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)，根據(jù)具體情況對抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的水平構(gòu)件和豎向構(gòu)件提出

5、相應(yīng)的性能目標(biāo)要求，提高結(jié)構(gòu)或關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)的抗震安全性。3.2.4 對錯層結(jié)構(gòu)的錯層部位提出中震承載力的設(shè)計要求。3.2.5 對框支梁及框支柱按“中震”設(shè)計。由于框支梁及框支柱承托上部結(jié)構(gòu)，為重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因此按“中震彈性“或“中震不屈服”設(shè)計。對應(yīng)的性能目標(biāo)就是在設(shè)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(jié)構(gòu)的門廳柱按“中震”設(shè)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(gòu)件，屬于重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因此按“中震彈性”或“中震不屈服”設(shè)計。對應(yīng)的性能目標(biāo)就是在設(shè)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

6、 對承受較大拉力的樓面梁按“中震”設(shè)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(shè)計。當(dāng)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(jié)構(gòu)，當(dāng)采用雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)時，如鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)中，對底部加強(qiáng)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(shè)計工作3.1 抗震性能化設(shè)計的路徑如下：確定各地震水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)可接受側(cè)破壞程度設(shè)定結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)確定各個地震水準(zhǔn)下構(gòu)件的承載力、變形和細(xì)部構(gòu)造的具體指標(biāo)3.2 如何確定結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)3.2

7、.1 抗震性能目標(biāo)應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)類型和不規(guī)則性，建筑使用功能和附屬設(shè)施功能的要求、投資大小、震后損壞和修復(fù)難易程度等，經(jīng)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)部位及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)防目標(biāo)也不完全相同，應(yīng)根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的抗震措施3.2.3 針對工程的需要和可能，可以對整個結(jié)構(gòu)，也可以對某些部位或關(guān)鍵構(gòu)件，靈活運用各種措施達(dá)到預(yù)期的抗震性能目標(biāo)，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(qiáng)烈地震下結(jié)構(gòu)非線性分析方法的計算模型及參數(shù)的選用，尚缺少從強(qiáng)震記錄、設(shè)計施工資料到實際震害的驗

8、證，對結(jié)構(gòu)性能的判斷難以十分準(zhǔn)確，因此，性能目標(biāo)選用時宜偏于安全考慮。圖2-1 抗震性能目標(biāo)、承載力與延性之間的關(guān)系3.2.5 性能目標(biāo)1 結(jié)構(gòu)在設(shè)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(chǎn)生一些不明顯的非彈性變形（圖2-1中OAA至OBB之間），經(jīng)檢修后可繼續(xù)使用（即大震基本彈性或大震不屈服）。 某些特別重要的建筑，需要結(jié)構(gòu)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(shè)防烈度較低（如6度）或結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)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(jié)構(gòu)，業(yè)主愿意付出經(jīng)濟(jì)

9、代價，也能使其在中震、大震下始終處于基本彈性狀態(tài)。 對特殊工程及采用隔震、減震技術(shù)或低烈度設(shè)防且風(fēng)荷載很大時，可對某些關(guān)鍵構(gòu)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。 結(jié)構(gòu)滿足大震下彈性或基本彈性設(shè)計要求，大震下結(jié)構(gòu)可不考慮地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，但應(yīng)采用作用分項系數(shù)。 各構(gòu)件的細(xì)部抗震構(gòu)造僅需滿足最基本的構(gòu)造要求（如采取抗震等級為四級的構(gòu)造措施），結(jié)構(gòu)具有最基本的延性性能。3.2.6 性能目標(biāo)2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件在中震下完好，在預(yù)期大震下可能屈服（圖2-1中OBB至OCC之間）。 例如：某6度設(shè)防的鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，其風(fēng)力是小震的2.4倍，在風(fēng)荷載作用下的層間位移是小震的2.

10、5倍。結(jié)構(gòu)的層間位移和所有構(gòu)件的承載力均可滿足按中震（不計風(fēng)荷載效應(yīng)）的設(shè)計要求?？紤]水平構(gòu)件在大震下的損壞使剛度降低和阻尼加大，豎向構(gòu)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(jié)構(gòu)可達(dá)到性能目標(biāo)2的要求。 結(jié)構(gòu)的薄弱部位或重要部位構(gòu)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(shè)計要求。 整個結(jié)構(gòu)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。 各構(gòu)件的細(xì)部抗震構(gòu)造需滿足低延性要求（相當(dāng)于混凝土結(jié)構(gòu)中三級抗震等級的構(gòu)造要求）。3.2.7 性能目標(biāo)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

11、）。3.2.8 性能目標(biāo)4 在中震下的損壞已大于性能目標(biāo)3，結(jié)構(gòu)總體的承載力略高于一般情況（圖2-1中ODD至OEE之間）。 結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行非線性分析。 結(jié)構(gòu)的薄弱部位或重要部位構(gòu)件在大震下允許達(dá)到屈服階段，但滿足選定的變形限值（如除框架結(jié)構(gòu)以外的混凝土結(jié)構(gòu)，在大震下的層間彈塑性變形控制在1/5001/300）。 豎向構(gòu)件不發(fā)生剪切等脆性破壞。 各構(gòu)件的細(xì)部抗震構(gòu)造應(yīng)滿足高延性的要求（相當(dāng)于混凝土結(jié)構(gòu)中一級抗震等級的構(gòu)造要求）。3.2.9 性能目標(biāo)5 對應(yīng)于圖2-1中OEE。 結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行非線性分析。 結(jié)構(gòu)的薄弱部位或重要部位構(gòu)件在大震下允許達(dá)到屈服階段，滿足現(xiàn)行規(guī)范在大震下的彈塑性變形要求。 豎向

12、構(gòu)件不發(fā)生剪切等脆性破壞。 各構(gòu)件的細(xì)部抗震構(gòu)造應(yīng)滿足特種延性的要求（相當(dāng)于混凝土結(jié)構(gòu)中特一級抗震等級的構(gòu)造要求）。3.3 確定中震或大震下的抗震性能水準(zhǔn)為實現(xiàn)性能目標(biāo)要求，需要落實各個地震水準(zhǔn)（中震或大震）下構(gòu)件的承載力、變形和細(xì)部構(gòu)造的具體指標(biāo)。3.3.1 僅提高承載力時，安全性有相應(yīng)的提高，但使用上變形要求不一定能滿足；3.3.2 僅提高變形能力，則結(jié)構(gòu)在小震、中震下的損壞情況大致沒有改變，但抵御大震倒塌的能力提高。3.3.3 性能化設(shè)計往往側(cè)重于通過提高承載力，推遲結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性工作階段并減少塑性變形，必要時還需同時提高剛度以滿足使用功能的變形要求，而變形能力的要求可根據(jù)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件在中

13、震、大震下進(jìn)入彈塑性的程度加以調(diào)整。3.3.4 性能設(shè)計尋求的是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在承載力及變形能力的合理平衡點： 當(dāng)承載能力提高幅度較大時，可適當(dāng)降低延性要求； 而當(dāng)承載力水平提高幅度較小時，可相應(yīng)提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性（也即當(dāng)延性指標(biāo)的實現(xiàn)有困難時，可通過提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力加以彌補(bǔ)；而當(dāng)提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力有困難時，可通過提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性加以彌補(bǔ)）。3.3.5 對各項性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)的樓蓋體系必須有足夠安全的承載力，以保證結(jié)構(gòu)的整體性，一般應(yīng)使樓板在地震中基本處于彈性狀態(tài)，否則，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施。3.3.6 為避免發(fā)生脆性破壞，設(shè)計中應(yīng)控制混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受剪截面面積，滿足規(guī)范對剪壓比的

14、限值要求。3.3.7 性能目標(biāo)中的抗震構(gòu)造“基本要求”相當(dāng)于混凝土結(jié)構(gòu)中四級抗震等級的構(gòu)造要求，低、中、高和特種延性要求，大致相當(dāng)于混凝土結(jié)構(gòu)中三、二、一和特一級抗震等級的構(gòu)造要求。考慮地震作用的不確定性，對工程設(shè)計中的延性要求宜適當(dāng)提高。4. 抗震性能化設(shè)計工程實例及分析抗震性能化設(shè)計可以是對全工程也可以是對某一特殊構(gòu)件（高規(guī)第8.1.3條要求，對少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能化設(shè)計）抗震性能指標(biāo)確定的一般原則 表3.10.3-6抗震性能設(shè)計的常見做法 表3.10.3-7表3.11.3-1 結(jié)構(gòu)在中震和大震性能設(shè)計要求4.1 大同博物館工程抗震性能化設(shè)計與分析4.2 鄂爾多斯東方大廈工程抗

15、震性能化設(shè)計與分析4.3 昆山文化藝術(shù)中心工程抗震性能化設(shè)計與分析4.4 哈爾濱華鴻工程抗震性能化設(shè)計與分析4.5 武警老干部活動中心工程抗震性能化設(shè)計與分析4.6 浦項中心工程抗震性能化設(shè)計與分析4.7 新汶礦業(yè)集團(tuán)研發(fā)中心工程抗震性能化設(shè)計與分析4.8 勞動關(guān)系學(xué)院工程抗震性能化設(shè)計與分析4.9 少墻框架結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計與分析（P210）大同博物館大同博物館通過山西省抗震超限審查二層及夾層平面連接弱端部大懸挑端部大懸挑沿曲線平面均勻布置剪力墻剪力墻間距較大處補(bǔ)充單跨框架計算屋頂平面不規(guī)則（不均勻、不對稱）的現(xiàn)象：曲線平面，相互之間連接弱，端部有大懸挑?？拐鸶拍钤O(shè)計工作：采用框架-剪力墻

16、結(jié)構(gòu)，沿曲線平面基本均勻布置剪力墻，補(bǔ)充單跨框架計算，適當(dāng)提高框架的抗震等級。關(guān)鍵部位和樓層薄弱不為采取適當(dāng)加強(qiáng)措施?？拐鹦阅苣繕?biāo)：剪力墻抗剪滿足中震彈性要求，抗彎滿足中震不屈服要求；大懸挑梁滿足中震彈性要求并考慮豎向地震作用。鄂爾多斯東方大廈通過內(nèi)蒙古抗震超限審查北側(cè)大洞西側(cè)大洞東側(cè)有洞大堂無樓板樓板開大洞，中筒與外框架，主樓與裙房整體性差裙房均勻布設(shè)剪力墻，減輕裙房對主樓的依賴主樓躍層柱按中震彈性設(shè)計，配筋不小于相鄰不躍層柱裙房頂上一層以下的中筒剪力墻按中震（抗剪彈性、抗彎不屈服）設(shè)計不規(guī)則（不均勻、不對稱）的現(xiàn)象：主樓大堂二層、三層無樓板，裙房各層平面開大洞?？拐鸶拍钤O(shè)計工作：采用框架-

17、剪力墻結(jié)構(gòu)，沿樓梯間在裙房平面均勻布置剪力墻，減小裙房對主樓的依賴，裙房特殊部位補(bǔ)充單跨框架計算。關(guān)鍵部位和樓層薄弱部位采取適當(dāng)加強(qiáng)措施?？拐鹦阅苣繕?biāo)：主樓裙房頂以上一層及其以下各層，剪力墻抗剪滿足中震彈性要求，抗彎滿足中震不屈服要求；躍層柱按中震彈性設(shè)計，配筋不小于相鄰不躍層框架柱。哈爾濱華鴻工程南北兩區(qū)分別通過黑龍江超限審查170108127南區(qū)北區(qū)1#3#2#277中央大堂72166裙房輪廓地下室輪廓裙房輪廓地下室輪廓 南區(qū) 位于哈爾濱市南崗區(qū) 總建筑面積約28萬 地上35層，地下3層；檐口高度 119.35m，最高點130.05m。 建筑功能為商業(yè)、住宅及公寓； 三個塔樓與裙房之間不設(shè)

18、防震縫裙房典型平面裙房典型平面梁2梁3梁1 塔樓 1、3塔樓 2抗震等級乙類丙類-3層-2層-1層裙房轉(zhuǎn)換層上兩層底部加強(qiáng)部位約束邊緣構(gòu)件構(gòu)造邊緣構(gòu)件構(gòu)造邊緣構(gòu)件多重情況：高位框支、裙房乙類建筑、房屋高度超提高一度后的限值等性能設(shè)計目標(biāo)設(shè)防水準(zhǔn)設(shè)防水準(zhǔn)多遇地震多遇地震設(shè)防烈度設(shè)防烈度罕遇地震罕遇地震性能描述性能描述完好完好可修復(fù)可修復(fù)不倒塌不倒塌允許層間位移允許層間位移1/10001/10001/1201/120底部底部加強(qiáng)加強(qiáng)區(qū)區(qū)剪力墻剪力墻彈性彈性承載力滿足彈性設(shè)承載力滿足彈性設(shè)計要求計要求連梁連梁滿足規(guī)范滿足規(guī)范框支框支框架框架框支柱框支柱彈性彈性承載力滿足彈性設(shè)承載力滿足彈性設(shè)計要求計

19、要求框支梁框支梁彈性彈性承載力滿足彈性設(shè)承載力滿足彈性設(shè)計要求計要求承載力滿足不屈服承載力滿足不屈服設(shè)計要求設(shè)計要求170108127南區(qū)北區(qū)1#3#2#277中央大堂72166裙房輪廓地下室輪廓裙房輪廓地下室輪廓 北區(qū)塔樓裙房地下室頂結(jié)構(gòu)平面圖樓板開大洞二層結(jié)構(gòu)平面圖螺旋樓梯三層平面圖螺旋樓梯平面較完整四層平面圖平面收進(jìn)五層平面圖平面多處開大洞收進(jìn)五層夾層平面圖開大洞六層平面圖平面較完整游泳池裙房頂層平面圖裙房頂裙房以上平面中國建筑設(shè)計研究院第四結(jié)構(gòu)設(shè)計研究室主裙樓分縫時 主樓不規(guī)則判斷主裙樓分縫時 主樓不規(guī)則判斷主裙樓分縫時 裙樓不規(guī)則判斷中國建筑設(shè)計研究院第四結(jié)構(gòu)設(shè)計研究室主裙樓分縫時 裙樓不規(guī)則判斷高度及高寬比指標(biāo)高度超B級主裙樓不分縫時 結(jié)構(gòu)規(guī)則性指標(biāo)4 項不規(guī)則主裙樓不分縫時 結(jié)構(gòu)規(guī)則性指標(biāo)1項不規(guī)則分縫/不分縫方案對比性能設(shè)計目標(biāo)抗震等級乙類丙類-3層-2層-1層裙房上二層底部加強(qiáng)部位裙房約束邊緣構(gòu)件構(gòu)造邊緣構(gòu)件構(gòu)造邊緣構(gòu)件 高規(guī)第8.1.3條第