抗震概念設(shè)計及抗震性能化設(shè)計

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■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、采取恰當?shù)挠嬎愫涂拐鸫胧瑢崿F(xiàn)抗震性能目標的要求?？拐鹦阅芑O(shè)計的抗震設(shè)防目標不應(yīng)低于規(guī)范的基本抗震性能目標。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確預測為基礎(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)有的抗震科學水平和經(jīng)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(shè)計審查中經(jīng)常提到結(jié)構(gòu)的性能化設(shè)計問題，性能化設(shè)計是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的精髓。2.為什么要進行抗震性能化設(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)施復雜，經(jīng)濟生活節(jié)奏加快，地震災害所引起的經(jīng)濟損失急劇增加，因此，以生命安全為抗震設(shè)防惟一目標的單一設(shè)防標準是不全面的，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)防目標的性能化設(shè)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(shè)計方法進行的抗震設(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)計是解決復雜工程抗震設(shè)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》中的三水準設(shè)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(jié)構(gòu)、復雜建筑結(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)件提出相應(yīng)的性能目標要求，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)的抗震性能目標確定各個地震水準下構(gòu)件的承載力、變形和細部構(gòu)造的具體指標3.2如何確定結(jié)構(gòu)的抗震性能目標3.2.1抗震性能目標應(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、震后損壞和修復難易程度等，經(jīng)技術(shù)及經(jīng)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(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(jié)構(gòu)非線性分析方法的計算模型及參數(shù)的選用，尚缺少從強震記錄、設(shè)計施工資料到實際震害的驗證，對結(jié)構(gòu)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(guān)系3.2.5性能目標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）?！瞿承┨貏e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)?！龈鳂?gòu)件的細部抗震構(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2■結(jié)構(gòu)構(gòu)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(shè)防的鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，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(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)可達到性能目標2的要求?！鼋Y(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?！稣麄€結(jié)構(gòu)按非線性分析計算?！鲈试S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?gòu)件的細部抗震構(gòu)造需滿足低延性要求（相當于混凝土結(jié)構(gòu)中三級抗震等級的構(gòu)造要求）。3.三2.三7性能三目標3■在中三震下三已有三輕微三塑性三變形三，大三震下三有明三顯塑三性變?nèi)危ㄈ龍D2-三1中OC三C′至OD三D′之間三）。3.三2.三8性能三目標4■在中三震下三的損三壞已三大于三性能三目標3，結(jié)三構(gòu)總?cè)w的三承載三力略三高于三一般三情況三（圖2-三1中OD三D′至OE三E′之間三）?！鋈Y(jié)構(gòu)三應(yīng)進三行非三線性三分析三?！鋈Y(jié)構(gòu)三的薄三弱部三位或三重要三部位三構(gòu)件三在大三震下三允許三達到三屈服三階段三，但三滿足三選定三的變?nèi)蜗奕担ㄈ绯蚣苋Y(jié)構(gòu)三以外三的混三凝土三結(jié)構(gòu)三，在三大震三下的三層間三彈塑三性變?nèi)慰厝圃?/三50三0~三1/三30三0）?！鋈Q向三構(gòu)件三不發(fā)三生剪三切等三脆性三破壞三?！鋈鳂?gòu)三件的三細部三抗震三構(gòu)造三應(yīng)滿三足高三延性三的要三求（三相當三于混三凝土三結(jié)構(gòu)三中一三級抗三震等三級的三構(gòu)造三要求三）。3.三2.三9性能三目標5■對應(yīng)三于圖2-三1中OE三E′。■三結(jié)構(gòu)三應(yīng)進三行非三線性三分析三?！鋈Y(jié)構(gòu)三的薄三弱部三位或三重要三部位三構(gòu)件三在大三震下三允許三達到三屈服三階段三，滿三足現(xiàn)三行規(guī)三范在三大震三下的三彈塑三性變?nèi)我??！鋈Q向三構(gòu)件三不發(fā)三生剪三切等三脆性三破壞三。■三各構(gòu)三件的三細部三抗震三構(gòu)造三應(yīng)滿三足特三種延三性的三要求三（相三當于三混凝三土結(jié)三構(gòu)中三特一三級抗三震等三級的三構(gòu)造三要求三）。3.三3確定三中震三或大三震下三的抗三震性三能水三準為實三現(xiàn)性三能目三標要三求，三需要三落實三各個三地震三水準三（中三震或三大震三）下三構(gòu)件三的承三載力三、變?nèi)魏腿毑咳龢?gòu)造三的具三體指三標。3.三3.三1僅提三高承三載力三時，三安全三性有三相應(yīng)三的提三高，三但使三用上三變形三要求三不一三定能三滿足三；3.三3.三2僅提三高變?nèi)文苋?，三則結(jié)三構(gòu)在三小震三、中三震下三的損三壞情三況大三致沒三有改三變，三但抵三御大三震倒三塌的三能力三提高三。3.三3.三3性能三化設(shè)三計往三往側(cè)三重于三通過三提高三承載三力，三推遲三結(jié)構(gòu)三進入三塑性三工作三階段三并減三少塑三性變?nèi)?，必三要時三還需三同時三提高三剛度三以滿三足使三用功三能的三變形三要求三，而三變形三能力三的要三求可三根據(jù)三結(jié)構(gòu)三及其三構(gòu)件三在中三震、三大震三下進三入彈三塑性三的程三度加三以調(diào)三整。3.三3.三4性能三設(shè)計三尋求三的是三結(jié)構(gòu)三或構(gòu)三件在三承載三力及三變形三能力三的合三理平三衡點：■三當承三載能三力提三高幅三度較三大時三，可三適當三降低三延性三要求三；■三而當三承載三力水三平提三高幅三度較三小時三，可三相應(yīng)三提高三結(jié)構(gòu)三或構(gòu)三件的三延性三（也三即當三延性三指標三的實三現(xiàn)有三困難三時，三可通三過提三高結(jié)三構(gòu)或三構(gòu)件三的承三載力三加以三彌補三；而三當提三高結(jié)三構(gòu)或三構(gòu)件三的承三載力三有困三難時三，可三通過三提高三結(jié)構(gòu)三或構(gòu)三件的三延性三加以三彌補三）。3.三3.三5對各三項性三能目三標，三結(jié)構(gòu)三的樓三蓋體三系必三須有三足夠三安全三的承三載力三，以三保證三結(jié)構(gòu)三的整三體性三，一三般應(yīng)三使樓三板在三地震三中基三本處三于彈三性狀三態(tài)，三否則三，應(yīng)三采取三適當三的加三強措三施。3.三3.三6為避三免發(fā)三生脆三性破三壞，三設(shè)計三中應(yīng)三控制三混凝三土結(jié)三構(gòu)構(gòu)三件的三受剪三截面三面積三，滿三足規(guī)三范對三剪壓三比的三限值三要求三。3.三3.三7性能三目標三中的三抗震三構(gòu)造三“基三本要三求”三相當三于混三凝土三結(jié)構(gòu)三中四三級抗三震等三級的三構(gòu)造三要求三，低三、中三、高三和特三種延三性要三求，三大致三相當三于混三凝土三結(jié)構(gòu)三中三三、二三、一三和特三一級三抗震三等級三的構(gòu)三造要三求。三考慮三地震三作用三的不三確定三性，三對工三程設(shè)三計中三的延三性要三求宜三適當三提高三。4.抗震三性能三化設(shè)三計工三程實三例及三分析抗震三性能三化設(shè)三計可三以是三對全三工程三也可三以是三對某三一特三殊構(gòu)三件（三高規(guī)三第條三要求三，對三少量三剪力三墻的三框架三結(jié)構(gòu)三進行三抗震三性能三化設(shè)三計）抗震三性能三指標三確定三的一三般原三則三表抗震三性能三設(shè)計三的常三見做三法三表表3.三11三.3三-1結(jié)構(gòu)三在中三震和三大震三性能三設(shè)計三要求4.三1大同三博物三館工三程抗三震性三能化三設(shè)計三與分三析4.三2鄂爾三多斯三東方三大廈三工程三抗震三性能三化設(shè)三計與三分析4.三3昆山三文化三藝術(shù)三中心三工程三抗震三性能三化設(shè)三計與三分析4.三4哈爾三濱華三鴻工三程抗三震性三能化三設(shè)計三與分三析4.三5武警三老干三部活三動中三心工三程抗三震性三能化三設(shè)計三與分三析4.三6浦項三中心三工程三抗震三性能三化設(shè)三計與三分析4.三7新汶三礦業(yè)三集團三研發(fā)三中心三工程三抗震三性能三化設(shè)三計與三分析4.三8勞動三關(guān)系三學院三工程三抗震三性能三化設(shè)三計與三分析4.三9少墻三框架三結(jié)構(gòu)三的抗三震性三能化三設(shè)計三與分三析（P2三10）大同三博物三館大同三博物三館通過三山西三省抗三震超三限審三查二層三及夾三層平三面連接三弱端部三大懸三挑端部三大懸三挑沿曲三線平三面均三勻布三置剪三力墻剪力三墻間三距較三大處三補充三單跨三框架三計算屋頂三平面不規(guī)三則（三不均三勻、三不對三稱）三的現(xiàn)三象：曲線三平面三，相三互之三間連三接弱三，端三部有三大懸三挑?？拐鹑拍钊O(shè)計三工作三：采用三框架-剪力三墻結(jié)三構(gòu)，三沿曲三線平三面基三本均三勻布三置剪三力墻三，補三充單三跨框三架計三算，三適當三提高三框架三的抗三震等三級。關(guān)鍵三部位三和樓三層薄三弱不三為采三取適三當加三強措三施?？拐鹑阅苋繕巳杭袅θ龎谷魸M三足中三震彈三性要三求，三抗彎三滿足三中震三不屈三服要三求；三大懸三挑梁三滿足三中震三彈性三要求三并考三慮豎三向地三震作三用。鄂爾三多斯三東方三大廈通過三內(nèi)蒙三古抗三震超三限審三查北側(cè)三大洞西側(cè)三大洞東側(cè)三有洞大堂無樓三板樓板三開大三洞，三中筒三與外三框架三，主三樓與三裙房三整體三性差裙房三均勻三布設(shè)三剪力三墻，三減輕三裙房三對主三樓的三依賴主樓三躍層三柱按三中震三彈性三設(shè)計三，配三筋不三小于三相鄰三不躍三層柱裙房三頂上三一層三以下三的中三筒剪三力墻三按中三震（三抗剪三彈性三、抗三彎不三屈服三）設(shè)三計不規(guī)三則（三不均三勻、三不對三稱）三的現(xiàn)三象：主樓三大堂三二層三、三三層無三樓板三，裙三房各三層平三面開三大洞三。抗震三概念三設(shè)計三工作三：采用三框架-剪力三墻結(jié)三構(gòu)，三沿樓三梯間三在裙三房平三面均三勻布三置剪三力墻三，減三小裙三房對三主樓三的依三賴，三裙房三特殊三部位三補充三單跨三框架三計算三。關(guān)鍵三部位三和樓三層薄三弱部三位采三取適三當加三強措三施?？拐鹑阅苋繕巳褐鳂侨狗咳斠匀弦蝗龑蛹叭湟匀赂魅龑?，三剪力三墻抗三剪滿三足中三震彈三性要三求，三抗彎三滿足三中震三不屈三服要三求；三躍層三柱按三中震三彈性三設(shè)計三，配三筋不三小于三相鄰三不躍三層框三架柱三。哈爾三濱華三鴻工三程南北三兩區(qū)三分別三通過三黑龍三江超三限審三查南區(qū)位于哈爾三濱市三南崗三區(qū)總建三筑面三積約28萬㎡地上35層，三地下3層；三檐口三高度11三9.三35三m，最三高點13三0.三05三m。建筑三功能三為商三業(yè)、三住宅三及公三寓；三個三塔樓三與裙三房之三間不三設(shè)防三震縫裙房三典型三平面裙房三典型三平面塔樓1、3塔樓2抗震三等級多重三情況三：高位三框支三、裙三房乙三類建三筑、三房屋三高度三超提三高一三度后三的限三值等性能三設(shè)計三目標北區(qū)塔樓裙房地下三室頂三結(jié)構(gòu)三平面三圖樓板三開大三洞二層三結(jié)構(gòu)三平面三圖螺旋三樓梯三層三平面三圖螺旋三樓梯平面三較完三整四層三平面三圖平面三收進五層三平面三圖平面三多處三開大三洞收三進五層三夾層三平面三圖開大三洞六層三平面三圖平面三較完三整游泳三池裙房三頂層三平面三圖裙房三頂裙房三以上三平面中國三建筑三設(shè)計三研究三院第三四結(jié)三構(gòu)設(shè)三計研三究室主裙三樓分三縫時三主三樓不三規(guī)則三判斷主裙三樓分三縫時三主三樓不三規(guī)則三判斷主裙三樓分三縫時三裙樓三不規(guī)三則判三斷中國三建筑三設(shè)計三研究三院第三四結(jié)三構(gòu)設(shè)三計研三究室主裙三樓分三縫時三裙樓三不規(guī)三則判三斷高度三及高三寬比三指標高度三超B三級主裙三樓不三分縫三時三結(jié)三構(gòu)規(guī)三則性三指標4項不三規(guī)則主裙三樓不三分縫三時三結(jié)三構(gòu)規(guī)三則性三指標1項不三規(guī)則分縫三/不三分縫三方案三對比性能三設(shè)計三目標抗震三等級高規(guī)三第條三第4款規(guī)三定：當框三架部三分承三受的三地震三傾覆三力矩三大于三結(jié)構(gòu)三總地三震傾三覆力三矩的80三%時，按框三架-剪力三墻結(jié)三構(gòu)進三行設(shè)三計，但三其最三大適三用高三度宜三按框三架結(jié)三構(gòu)采三用，三框架三部分三的抗三震等三級和三軸壓三比限三值應(yīng)三按框三架結(jié)三構(gòu)的三規(guī)定三采用三。當三結(jié)構(gòu)三的層三間位三移角三不滿三足框三架-剪力三墻結(jié)三構(gòu)的三規(guī)定三時，三可按三本規(guī)三程第3.三11節(jié)的三有關(guān)三規(guī)定進行三結(jié)構(gòu)三抗震三性能三分析三和論三證。少量三剪力三墻的三框架三結(jié)構(gòu)三的抗三震性三能目三標就是三一般三抗震三結(jié)構(gòu)三的基三本抗三震性三能