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作者：張利軍

抗震性能化設(shè)計(jì)的內(nèi)容最早出現(xiàn)在2010版《抗規(guī)》和《高規(guī)》中，距今已十余年。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法（三水準(zhǔn)兩階段）相比，性能化設(shè)計(jì)的新概念、新內(nèi)容較多，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜。盡管主要計(jì)算可交由電腦完成，但電腦只是個(gè)工具，人才是主角，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程都要由人來(lái)引領(lǐng)。從出發(fā)點(diǎn)到目的地，路徑要清晰，邏輯要嚴(yán)密。現(xiàn)嘗試對(duì)性能化設(shè)計(jì)過(guò)程及基本概念進(jìn)行梳理。

一、傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法VS性能化設(shè)計(jì)”：

1.傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法是“低彈性承載力─高延性”的單一解決方案；性能化設(shè)計(jì)追求承載力和延性的最佳平衡，可提供“低彈性承載力─高延性”或“高彈性承載力─低延性”的多種解決方案。比如：對(duì)于“性能目標(biāo)1”，大震下基本處于彈性，則延性僅需滿足最低要求即可；對(duì)于“性能目標(biāo)2”，大震可能屈服，則需滿足低延性要求……；對(duì)于“性能目標(biāo)4”，大震接近嚴(yán)重破壞，需滿足高延性要求。

2.傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法不直接驗(yàn)算中震；性能化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容就是對(duì)中震的驗(yàn)算?？赡苁窍抻诋?dāng)初計(jì)算機(jī)發(fā)展水平不方便進(jìn)行彈塑性分析，前輩們將設(shè)防烈度降低1.55度以后進(jìn)行彈性承載力和彈性變形驗(yàn)算。用“規(guī)則性控制+彈性計(jì)算+內(nèi)力調(diào)整+構(gòu)造措施”，間接實(shí)現(xiàn)中震可修和大震不倒。對(duì)于絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)只需做“兩水準(zhǔn)一階段”（小震、中震的彈性承載力和變形驗(yàn)算）設(shè)計(jì)即可，僅對(duì)少數(shù)建筑進(jìn)行彈塑性驗(yàn)算。

3.傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法對(duì)同類(lèi)構(gòu)件采用統(tǒng)一調(diào)整系數(shù)和構(gòu)造措施，不分主次，不論應(yīng)力高低，堪稱(chēng)“普惠型”；性能化設(shè)計(jì)立足于承載力和變形能力的綜合考慮，具有很強(qiáng)的針對(duì)性和靈活性，堪稱(chēng)“精準(zhǔn)投放、量體裁衣”。

4.傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法的“中震可修”是通過(guò)放大小震的彈性內(nèi)力而間接實(shí)現(xiàn)的，對(duì)“中震可修”沒(méi)有具體控制指標(biāo)，可操作性不強(qiáng)；性能化設(shè)計(jì)直接驗(yàn)算中震，對(duì)承載力和變形均有明確的控制指標(biāo)。

5.傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法的著重點(diǎn)是大震不倒，不適用于要求震后連續(xù)使用的生命線工程；對(duì)超限工程也沒(méi)有具體設(shè)計(jì)方法。盡管根據(jù)建筑重要性分為甲乙丙丁類(lèi)，但彈性設(shè)計(jì)的本質(zhì)沒(méi)變。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法是高延性大變形，盡管避免了倒塌保存了結(jié)構(gòu)，但附屬設(shè)施破壞嚴(yán)重，對(duì)于使用功能不能中斷的建筑是不可行的。性能化設(shè)計(jì)可根據(jù)超限程度和震后使用功能要求，通過(guò)承載力、變形和構(gòu)造的綜合平衡，剛?cè)嵯酀?jì)，可實(shí)現(xiàn)不同的預(yù)期性能目標(biāo)。

6.相對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，性能化對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)更有用武之地。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般由地震設(shè)計(jì)狀況控制，所以性能化設(shè)計(jì)主要用于“超限”和更高抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。而鋼結(jié)構(gòu)由非地震設(shè)計(jì)狀況控制的工程很多，可以實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)性和合理性。

7.傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法是久經(jīng)考驗(yàn)的安全可靠的主流方法。性能化設(shè)計(jì)是有適用范圍的，要謹(jǐn)慎使用。在強(qiáng)震作用下，結(jié)構(gòu)不存在承載力儲(chǔ)備；而且，提高承載力，往往地震作用相應(yīng)增大，水漲船高。而高延性意味著結(jié)構(gòu)具有較高的變形能力，也就是消耗地震能量的能力，是抗震設(shè)計(jì)的主流方向。

二、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)

除非場(chǎng)地好、風(fēng)很大、設(shè)防烈度很低，或采用減隔震措施，一般來(lái)說(shuō)，抗震設(shè)防區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由地震設(shè)計(jì)狀況控制的，所以性能化設(shè)計(jì)主要用于超限結(jié)構(gòu)或震后使用功能不允許中斷的生命線工程。

1.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)的核心是確定性能目標(biāo)，應(yīng)符合下列要求：

（1）性能目標(biāo)應(yīng)經(jīng)過(guò)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性綜合分析論證。

性能目標(biāo)與建筑使用功能和附屬設(shè)施功能的要求、投資大小、震后損失和修復(fù)難易程度等有關(guān)，需綜合考慮抗震設(shè)防類(lèi)別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)類(lèi)型和不規(guī)則性等因素，必然要做初步設(shè)計(jì)，進(jìn)而對(duì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的可行性進(jìn)行論證。可見(jiàn)，性能目標(biāo)不是設(shè)計(jì)單位一家說(shuō)了算的，設(shè)計(jì)院也沒(méi)必要單獨(dú)承擔(dān)這個(gè)責(zé)任。

（2）宜偏安全地確定性能目標(biāo)。

鑒于目前強(qiáng)震下非線性計(jì)算模型及參數(shù)尚存在不少經(jīng)驗(yàn)因素，缺少?gòu)膹?qiáng)震記錄、設(shè)計(jì)施工資料到實(shí)際震害的驗(yàn)證，對(duì)結(jié)構(gòu)性能的判斷難以十分準(zhǔn)確，因此在性能目標(biāo)的選用中宜偏安全一些。

2.各性能目標(biāo)均由三個(gè)具體控制指標(biāo)來(lái)表示：

承載力指標(biāo)、層間位移指標(biāo)、構(gòu)造抗震等級(jí)，分別如下：

3.《高規(guī)》和《抗規(guī)》的承載力性能水準(zhǔn)計(jì)算公式歸納

根據(jù)《高規(guī)》和《抗規(guī)》條文整理成下表，方便查閱和理解?！陡咭?guī)》和《抗規(guī)》不完全相同：

（1）《高規(guī)》分關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件和耗能構(gòu)件，分抗彎和抗剪分別給出性能水準(zhǔn)要求，代表了對(duì)出鉸順序的控制，由先到后為：

剪力墻連梁─框架梁端─剪力墻底部加強(qiáng)部位─框架柱根。

（2）《抗規(guī)》給出了極限承載力驗(yàn)算公式，《高規(guī)》未給。

（3）《抗規(guī)》給出了各性能目標(biāo)的變形控制指標(biāo)，《高規(guī)》未給。

上表中“性能目標(biāo)5”是本人加進(jìn)去的，對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的性能目標(biāo)。

三、鋼結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)多數(shù)由地震設(shè)計(jì)狀況控制不同，較多的鋼結(jié)構(gòu)是由非地震設(shè)計(jì)狀況控制的。所以，鋼結(jié)構(gòu)的性能化設(shè)計(jì)更有用武之地。我們經(jīng)常有這樣的困擾，比如一個(gè)玻璃棚，或者景觀造型，不僅被別人吐槽傻大黑粗，而且我們自己心里也過(guò)不去。盡管《抗規(guī)》中有“滿足2倍地震作用可以降低一度”的規(guī)定，但長(zhǎng)細(xì)比、寬厚比依然太嚴(yán)，此時(shí)即可用性能化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)承載力、延性等級(jí)和構(gòu)造的合理組合。設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

1.鋼結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)的核心是確定塑性耗能區(qū)的性能系數(shù)。

性能系數(shù)引領(lǐng)出鉸順序。不同構(gòu)件性能系數(shù)的大小關(guān)系如下：

（1）對(duì)于框架結(jié)構(gòu)：同層，柱>梁；

（2）對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)和框架-中心支撐的支撐系統(tǒng)：同層，柱>梁>支撐；（3）框架-偏心支撐：同層，柱>支撐>梁>消能梁段；

（4）非塑性耗能區(qū)>塑性耗能區(qū)。

2.按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法進(jìn)行多遇地震下彈性承載力和位移計(jì)算；

3.進(jìn)行設(shè)防地震下的抗震承載力驗(yàn)算，主要內(nèi)容有：

（1）所有構(gòu)件的設(shè)防地震性能組合承載力驗(yàn)算；（公式（17.2.3）；

（2）框架梁、柱各自的強(qiáng)剪弱彎驗(yàn)算；

（3）強(qiáng)柱弱梁驗(yàn)算；

（4）強(qiáng)連接弱構(gòu)件驗(yàn)算；

（5）強(qiáng)節(jié)點(diǎn)域驗(yàn)算。

鋼結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)是反復(fù)試算、逐漸接近最優(yōu)解的過(guò)程，需要反復(fù)調(diào)整截面或重新設(shè)定性能系數(shù)。

4.根據(jù)抗震設(shè)防類(lèi)別及性能等級(jí)，確定構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的最低延性等級(jí)。

5.主要構(gòu)造措施：

（1）塑性耗能區(qū)盡量采用整根材料。要拼接須工廠拼接；

（2）塑性耗能區(qū)板件間應(yīng)采用完全焊透的對(duì)接焊縫。

（3）框架結(jié)構(gòu)：

（a）梁端與延性等級(jí)對(duì)應(yīng)的板件寬厚比、軸壓比、剪壓比；梁端為工字形時(shí)，或控制長(zhǎng)細(xì)比或設(shè)加勁肋或設(shè)隅撐；板件寬厚比是為了保證塑性發(fā)展深度；控制軸壓比是因?yàn)樵诟邏簯?yīng)力情況下，抗剪承載力降低，且影響壓彎延性。

（b）框架柱與延性等級(jí)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)細(xì)比限值；

（c）節(jié)點(diǎn)域與延性等級(jí)對(duì)應(yīng)的受剪正則化寬厚比限值；

（d）梁柱翼緣焊接、節(jié)點(diǎn)域及上下各600范圍內(nèi)柱板件間焊接，應(yīng)完全熔透；

（e）過(guò)焊孔的改進(jìn)和墊板的細(xì)節(jié)處理；

（f）梁柱骨形連接或加強(qiáng)連接的構(gòu)造。

（4）支撐結(jié)構(gòu)及框架-支撐結(jié)構(gòu)：

（a）中心支撐的框架部分同框架結(jié)構(gòu)；

（b）分別交叉支撐、人字或V形支撐、偏心支撐，各自延性等級(jí)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)細(xì)比限值、板件寬厚比等級(jí)。

（5）消能梁段，地位特殊重要。按“設(shè)防地震性能組合軸力”不同，驗(yàn)算受剪承載力。延性等級(jí)為Ⅰ級(jí)的消能梁段構(gòu)造主要控制項(xiàng)：

（a）消能梁段的長(zhǎng)度限值；

（b）消能梁段的加勁肋設(shè)置；

（c）消能梁段的隅撐設(shè)置。

6.由于地震作用的不確定性，結(jié)構(gòu)延性比承載力更為重要。對(duì)于多高層民用鋼結(jié)構(gòu)，首先必須保證必要的延性，一般應(yīng)采用高延性─低承載力；對(duì)于工業(yè)建筑，為降低造價(jià)，可采用低延性─高承載力。

四、傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法與性能化設(shè)計(jì)是優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，相得益彰；不是誰(shuí)優(yōu)誰(shuí)劣，誰(shuí)取代誰(shuí)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)主要用于超限結(jié)構(gòu)和震后需要連續(xù)使用的建筑物。鋼結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)的適用范圍是設(shè)防烈度不高于8度(0.20g)、結(jié)構(gòu)高度不高于100m的框架結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和框架-支撐結(jié)構(gòu)。

目前，非線性計(jì)算模型及參數(shù)的選用尚存在不少經(jīng)驗(yàn)因素，對(duì)結(jié)構(gòu)性能的判斷也難以十分準(zhǔn)確，且相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不多，性能化設(shè)計(jì)效果缺少?gòu)膹?qiáng)震記錄、設(shè)計(jì)施工資料到實(shí)際震害的驗(yàn)證，所以說(shuō)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法依然是適用面最廣的可靠的抗震設(shè)計(jì)主流方法。

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