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1、建筑结构抗震设计第2章教学课件建筑结构抗震设计 PPT模板下载： 2章章 抗震概念设计和性能化设计抗震概念设计和性能化设计2.1抗震概念设计和性能化设计概述2.2抗震概念设计2.3抗震性能化设计第第2 2章章 抗震概念设计和性能化设计抗震概念设计和性能化设计地震是一种随机事件，以现有的科技水平，难以估计实际地震发生的时间、空间和强度。同时在结构分析方面，以现有的技术水平，也不可能充分而准确地考虑结构的空间作用和结构材料的性质（特别是进入弹塑性以后的性质）等性能，因此单独的抗震计算并不能真实反映结构在地震中的受力和变形情况。2.1 2.1 抗震概念设计和性能化设计概述抗震概念设计和性能化设计概述
2、目前，抗震设计一般包括抗震概念设计、抗震计算和抗震措施（包括抗震构造措施）。抗震概念设计从总体上把握抗震设计的基本原则，抗震计算为抗震设计提供定量手段，抗震措施从保证结构整体性和加强局部薄弱环节等方面保证抗震计算结构的有效性。上述抗震设计三个层面的内容是一个不可分割的整体，忽视任何一部分，都可能导致抗震设计的失败。有关抗震计算和抗震构造措施的内容将在后续章节中介绍，本章主要讨论抗震概念设计的问题。2.1 2.1 抗震概念设计和性能化设计概述抗震概念设计和性能化设计概述目前的抗震设计多是按照现行抗震规范编制的处方式条款进行的概念设计，如地震作用的计算、结构的选型、对房屋高度的限制、抗震等级的选择
3、、不同抗震等级中的调整系数和构造措施等，也就是说，一般工程都用小震下的弹性设计来保证“小震不坏”，用概念设计和构造措施来保证“中震可修、大震不倒”，那么建筑物是否能真正做到“中震可修、大震不倒”呢？无法证实，按能力设计的理念编制的处方式设计规范只能从宏观定性上使结构满足抗震设防的要求，而不是真正反映结构在中、大震下受力、变形的量化指标及形态。2.1 2.1 抗震概念设计和性能化设计概述抗震概念设计和性能化设计概述20世纪90年代，国外和国内的工程界开始着手研究基于性能的抗震设计理念，它的特点是：使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡，并由业主选择性能目标，对结构的抗震性能水准进行深
4、入的分析（包括静力弹塑性分析和动力弹塑性分析），并经过专家论证，反复修改，从而确定的抗震设计。这样的抗震设计方法有利于建筑结构的创新，经过论证（包括试验），可以利用现行标准规范的新的结构体系、场地条件及建筑的重要性，采用不同的性能目标和抗震措施。2.1 2.1 抗震概念设计和性能化设计概述抗震概念设计和性能化设计概述建筑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，可对整个结构，也可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提高抗震安全性或满足使用功能的专门要求。这是结构抗震设计的发展趋势。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念
5、设计所谓抗震概念设计，就是指根据地震震害和工程经验等所形成的基本设计原则与设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程，它是一种基于震害经验建立的抗震基本设计原则和思想。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计抗震概念设计强调，在工程设计之初应主要把握场地、地基和基础的选择，建筑形体及其构件的布置，抗震结构体系和结构构件的选择，非结构构件的处理，结构材料和施工的保证，结构控制新技术的采用等内容；从总体上消除建筑中的薄弱环节，然后再辅以必要的计算和抗震构造措施，就有可能设计出抗震性能良好的建筑。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计2.2.12.2.1 场地、地基和基地、地基和基础的的
6、选择在抗震设计中，场地是指具有相似的反应谱特征的房屋群体所在地，它不仅仅指房屋基础下的地基土，其范围还相当于厂区、居民点和自然村，在平坦地区的面积一般不小于1 km1 km。地震造成建筑的破坏，除地震动直接引起结构破坏外，还有场地条件的原因，如地震引起的地表错动与地裂，地基土的不均匀沉陷、滑坡和粉（砂）土液化，等等。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计建筑抗震设计规范（GB 500112010）规定选择建筑场地时，应按表2-1划分对建筑抗震有利、一般、不利和危险的地段。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计选择建筑场地时，应根据工程需要和地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，对抗震
7、有利、一般、不利和危险地段做出综合评价，宜选择抗震有利的地段。对抗震不利地段，应提出避开要求；当无法避开时应采取有效的措施。对危险地段，严禁建造甲、乙类的建筑，不应建造丙类的建筑。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计（1）地基和基础的选择应符合下列要求：同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上。同一结构单元不宜部分采用天然地基，部分采用桩基；当采用不同基础类型或基础埋深显著不同时，应根据地震时两部分地基基础的沉降差异，在基础、上部结构的相关部位采取相应的措施。地基为软弱黏性土、液化土、新近填土或严重不均匀土时，应根据地震时地基不均匀沉降和其他不利影响，采取相应的措施。2.2 2.2
8、 抗震概念设计抗震概念设计（2）山区建筑的场地和地基基础应符合下列要求：山区建筑场地勘察应有边坡稳定性评价和防治方案建议；应根据地质、地形条件和使用要求，因地制宜地设置符合抗震设防要求的边坡工程。边坡设计应符合建筑边坡工程技术规范（GB 503302013）的要求；其稳定性验算时，有关的摩擦角应按设防烈度的高低相应修正。边坡附近的建筑基础应进行抗震稳定性设计。建筑基础与土质、强风化岩质边坡的边缘应留有足够的距离，其值应根据设防烈度的高低确定，并采取措施避免地震时地基基础破坏。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计2.2.22.2.2 建筑形体及其构件的布置建筑形体及其构件的布置实例分析实例分
9、析1.1972年2月23日，南美洲的尼加拉瓜首都马那瓜发生地震，地震烈度估计为8度，市区1万多幢楼房夷为平地，死亡5 000多人。其中有两幢相距不远的高层建筑，一幢为15层高的中央银行大楼，另一幢为18层高的美洲银行大楼，如图2-1所示。图2-1 震前的马那瓜市2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计一幢破坏严重，震后拆除；另一幢轻微损坏，稍加修理后恢复使用，如图2-2所示。图2-2 震后的马那瓜市2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计原因分析如下：（1）美洲银行大楼的结构是均匀对称的，为规则结构，其基本的抗侧力体系包括4个L形的筒体，对称地由连梁连接起来，这些连梁在地震时遭到剪切破坏，是整
10、个结构能观察到的主要破坏，如图2-3所示。图2-3 马那瓜市美洲银行大楼的平立面2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计（2）中央银行大楼的结构平面不规则，4个楼梯间偏置于塔楼的西端，西端有填充墙，造成结构的一端刚度大，另一端刚度小，如图2-4所示。图2-4 马那瓜市中央银行大楼的平面2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计（3）中央银行大楼的结构竖向不规则，采用单跨框架结构，有1层地下室，3层以上的柱距为1.4 m，3层以下的柱距扩大为9.8 m，用深梁转换，3层以下10根大柱子的断面尺寸为1 m1.55 m，3层以上北、东、西三面布置了密集的小柱子，共64根，上、下两部分严重不均匀、不连续
11、。（4）中央银行大楼的主要破坏在第3层和第4层，周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈，横向裂缝(有的裂缝宽度达1 cm)贯穿3层以上的所有楼板，直至电梯井的东侧。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计建筑形体的规则性建筑形体的规则性2.建筑形体是指建筑平面形状和立面、竖向剖面的变化；构件布置是指结构构件的平面布置和竖向布置。建筑形体和构件布置对结构的抗震性能有决定性的作用。建筑师应根据建筑的使用功能、建设场地、美学等确定建筑的平面形状、立面和竖向剖面；工程师应根据结构抵抗竖向荷载、抗风、抗震的要求及建筑形体，布置结构构件。所以说，房屋建筑的抗震设计包括建筑师的建筑形体设计和工程师的结构设计，一幢成功
12、的抗震建筑往往是建筑师和工程师密切合作的结果，这种合作应该从方案阶段开始，一直到设计完成。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计建筑抗震设计规范（GB 500112010）规定，“建筑设计应根据抗震概念设计的要求明确建筑形体的规则性”。规则建筑是指平面和立面简单，抗侧力体系的刚度和承载力上下变化连续、均匀，平面布置基本对称，即在平立面、竖向剖面和抗侧力体系上没有明显的、实质的不连续和突变。“规则性”是诸多因素的综合要求。首先，规则的建筑的抗震性能好。震害统计表明，简单、对称的建筑在地震时较不容易破坏，对称的结构因传力路径清晰、直接而容易估计其地震时的反应，容易采取抗震构造措施和进行细部处理。
13、2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计其次，规则的建筑有良好的经济性。根据工程经验，较规则建筑的周期比、位移比等结构的整体指标很容易满足规范要求。同时由于地震作用在各榀抗侧力构件之间的分配比较均匀，从而使各结构构件的配筋大小适中，使成本控制在一个合理的范围内；相反，不规则结构则会出现扭转效应明显、局部出现薄弱部位等情况，因此应根据规范对结构进行内力调整并采取有效的抗震构造措施进行加强处理，从而使内力变大，计算配筋变大，局部抗震构造措施更加烦琐，工程造价大幅度增加。综上所述，建筑形体的规则性对结构设计至关重要。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计建筑形体及其构件布置的平面、竖向不规则性建筑
14、形体及其构件布置的平面、竖向不规则性3.建筑形体简单、结构布置规则有利于结构抗震，但在实际工程中，不规则是难以避免的。建筑抗震设计规范（GB 500112010）给出了三种平面不规则（见表2-2和图2-5图2-7）和三种竖向不规则（见表2-3和图2-8图2-10）。不规则结构按照不规则程度可分为不规则、特别不规则和严重不规则。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计三种不规则程度的主要划分方法如下：（1）不规则，指的是超过表2-2和表2-3中一项或两项的不规则指标。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计（2）特别不规则，指的是具有较明显的抗震薄弱部位，
15、可能引起不良后果者。其参考界限为6个主要不规则类型的3个或3个以上，或有一项超过不规则类型的指标比较多，如扭转位移比达1.4、本层刚度小于相邻上层刚度的50%等。（3）严重不规则，指的是形体复杂，多项不规则指标超过表2-3和表2-3的上限值或某一项大大超过规定值，具有现有技术和经济条件不能克服的严重的抗震薄弱环节，可能导致地震破坏的严重后果者。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计建筑设计应根据抗震概念设计的要求明确建筑形体的规则性。不规则的建筑应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑应进行专门的研究和论证，采取特别的加强措施；严重不规则的建筑不应采用。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计
16、形体复杂、平立面不规则的建筑，应根据不规则程度、地基基础条件和技术经济等因素的比较分析，确定是否设置防震缝。设置防震缝后，就可以通过设置的防震缝把不规则结构划分成规则结构单元。图2-5 建筑结构的平面扭转不规则示例1楼层最小弹性层间位移；2楼层最大弹性层间位移2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计图2-6 建筑结构平面的凸角和凹角不规则示例2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计图2-7 建筑结构平面的局部不连续示例（大开洞及错层）A0开洞楼板面积2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计 图2-8 沿竖向的侧向刚度不规则（有软弱层）K抗侧刚度（单位水平位移需要施加的水平剪力）2.2 2.2
17、抗震概念设计抗震概念设计图2-9 竖向抗侧力构件不连续示例2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计图2-10 竖向抗侧力结构屈服抗剪强度非均匀化（有薄弱层）Q楼层屈服抗剪承载力2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计2.2.32.2.3 抗震抗震结构体系和构体系和结构构件的构构件的选择抗震结构体系的选择抗震结构体系的选择1.抗震结构体系要通过综合分析采用合理而经济的结构类型。结构的地震反应同场地的频谱特性有着密切的关系，场地的地面运动特性又同地震震源机制、震级大小和震中的远近有关；建筑的重要性、装修的水准对结构的侧向变形大小有所限制，从而对结构选型提出要求；结构的选型又受结构材料和施工条件的制
18、约及经济条件的许可；等等。这是一个综合的技术经济问题，应周密加以考虑。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计1 1）抗震结构体系应符合的要求）抗震结构体系应符合的要求建筑抗震设计规范（GB 500112010）规定，结构体系应符合下列各项要求：（1）应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。（2）应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。（3）应具备必要的抗震承载力、良好的变形能力和消耗地震能量的能力。（4）对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计2 2）抗震结构体系宜符合的要求）抗震结构体系宜符合的要求建
19、筑抗震设计规范（GB 500112010）规定，结构体系尚宜符合下列各项要求：（1）宜有多道抗震防线。多道防线对于结构在强震下的安全是很重要的。所谓多道防线的概念，通常指的是：整个抗震结构体系由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作。例如，框架-抗震墙体系由延性框架和抗震墙两个系统组成，双肢或多肢抗震墙体系由若干个单肢墙分系统组成，框架-支撑框架体系由延性框架和支撑框架两个系统组成，框架筒体体系由延性框架和筒体两个系统组成。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计抗震结构体系具有最大可能数量的内部、外部赘余度，有意识地建立起一系列分布的塑性屈服区，以使结构能吸收和耗
20、散大量的地震能量，一旦破坏也易于修复。按照多道设防的概念设计计算时，需考虑部分构件出现塑性变形后的内力重分布，使各个分体系所承担的地震作用的总和大于不考虑塑性内力重分布时的数值。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计（2）宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。抗震薄弱层(部位)的概念也是抗震设计中的重要概念，其主要包括以下内容：结构在强烈地震下不存在强度安全储备，构件的实际承载力分析(而不是承载力设计值的分析)是判断薄弱层(部位)的基础。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计要使楼层(部位)的实际承载力和设计计算的弹性受力之比在总
21、体上保持一个相对均匀的变化，一旦楼层(或部位)的这个比例有所突变，则会由于塑性内力重分布导致塑性变形的集中。要防止在局部上加强而忽视整个结构各部位刚度、强度的协调。在抗震设计中有意识、有目的地控制薄弱层(部位)，使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，这是提高结构总体抗震性能的有效手段。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计考虑到有些建筑结构，横向抗侧力构件(如墙体)很多而纵向很少，在强烈地震中往往由于纵向的破坏导致整体倒塌，“2001规范”增加了结构两个主轴方向的动力特性(周期和振型)相近的抗震概念。（3）结构在两个主轴方向的动力特性宜相近。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计结构构
22、件的选择结构构件的选择2.1 1）结构构件应符合的要求）结构构件应符合的要求（1）砌体结构应按规定设置钢筋混凝土圈梁和构造柱、芯柱，或采用约束砌体、配筋砌体等。无筋砌体本身是脆性材料，只能利用约束条件(圈梁、构造柱、组合柱等来分割和包围)使砌体发生裂缝后不致崩塌和散落，地震时不致丧失对重力荷载的承载能力。（2）混凝土结构构件应控制截面尺寸和受力钢筋、箍筋的设置，防止剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土的压溃先于钢筋的屈服、钢筋的锚固黏结破坏先于钢筋破坏。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计钢筋混凝土构件的抗震性能与砌体相比是比较好的，但若处理不当，也会造成不可修复的脆性破坏。这种破坏包括混凝土压碎
23、、构件剪切破坏、钢筋锚固部分拉脱(黏结破坏)。混凝土结构构件的尺寸控制，包括轴压比、截面长宽比、墙体高厚比、宽厚比等。当墙厚偏薄时，也有自身稳定的问题。（3）预应力混凝土的构件，应配有足够的非预应力钢筋。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计（4）钢结构构件的尺寸应合理控制，避免局部失稳或整个构件失稳。钢结构杆件的压屈破坏(杆件失去稳定)或局部失稳也是一种脆性破坏，应予以防止。（5）多、高层的混凝土楼（屋）盖宜优先采用现浇混凝土板。当采用预制装配式混凝土楼（屋）盖时，应从楼盖体系和构造上采取措施，确保各预制板之间连接的整体性。针对预制混凝土板在强烈地震中容易脱落导致人员伤亡的震害，推荐采用现
24、浇楼（屋）盖，特别强调装配式楼（屋）盖应加强整体性的基本要求。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计2 2）结构各构件之间的连接）结构各构件之间的连接建筑抗震设计规范（GB 500112010）规定，结构各构件之间的连接，应符合下列要求：（1）构件节点的破坏，不应先于其连接的构件。（2）预埋件的锚固破坏，不应先于连接件。（3）装配式结构构件的连接，应能保证结构的整体性。（4）预应力混凝土构件的预应力钢筋，宜在节点核心区以外锚固。通过连接的承载力来发挥各构件的承载力和变形能力，从而获得整个结构良好的抗震能力。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计2.2.42.2.4 非非结构构件的构构件的处
25、理理非结构构件一般是指在结构分析中不考虑承受重力荷载、风荷载及地震作用的构件。非结构构件包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备的支架等。建筑非结构构件在地震中的破坏允许大于结构构件，其抗震设防目标要低于主体结构的规定。非结构构件的地震破坏会影响安全和使用功能，需引起重视，应进行抗震设计。处理好非结构构件和主体结构的关系，可防止附加灾害，减少损失。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计建筑非结构构件一般指以下四类：（1）附属结构构件，如女儿墙、厂房高低跨封墙、雨篷等。这类构件的抗震问题是防止倒塌，采取的抗震措施是加强非结构构件本身的整体性，并与主体结构加强锚固连接。（2）装饰物，如建筑贴面、装饰
26、、顶棚和悬吊重物等。这类构件的抗震问题是防止脱落和装饰的破坏，采取的抗震措施是同主体结构可靠连接。对重要的贴面和装饰，也可采用柔性连接，使主体结构在地震作用下有较大的变形，也不致影响到贴面和装饰的破坏。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计（3）非结构的墙体，如围护墙、内隔墙、框架填充墙等。应估计其设置对结构抗震的不利影响，避免不合理的设置而导致主体结构的破坏。（4）建筑附属机电设备及支架等。这些设备通过支架与建筑物相连接，因此，设备的支架应有足够的刚度和强度，与建筑物应有可靠的连接和锚固，并应使设备在遭遇设防烈度的地震影响后能迅速恢复运行。建筑附属机电设备的设置部位要适当，支架设计时要防止
27、设备系统和建筑结构发生谐振现象。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计2.2.52.2.5 结构材料和施工的保构材料和施工的保证抗震结构在材料选用、施工程序特别是材料代用上有其特殊的要求，主要是指减少材料的脆性和贯彻原设计意图，需要在结构总说明中予以明确交代。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计材料自身要有足够的延性材料自身要有足够的延性1.钢筋的材料性能要满足强屈比和伸长率的有关要求，混凝土强度等级不宜高于C60，建筑用钢材要有合格的冲击韧性和截面收缩率，等等。这些规定都是为了保证材料有足够的延性。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计施工顺序要保证组合构件的整体性施工顺序要保证组合
28、构件的整体性2.钢筋混凝土构造柱和底部框架抗震墙房屋中的砌体抗震墙，其施工应先砌墙后浇构造柱和框架梁（柱），目的是确保砌体抗震墙与构造柱、底层框架柱的连接，以提高抗侧力砌体墙的变形能力。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计混凝土构件的纵向受力钢筋要等强代换混凝土构件的纵向受力钢筋要等强代换3.在混凝土结构施工中，往往因缺乏设计规定的钢筋型号(规格)而用另外型号(规格)的钢筋代替，此时应注意替代后的纵向钢筋的总承载力设计值不应高于原设计的纵向钢筋总承载力设计值，以免造成薄弱部位的转移，以及构件在有影响的部位发生混凝土的脆性破坏(混凝土压碎、剪切破坏等)。除按照上述等承载力原则换算外，还应满足
29、最小配筋率和钢筋间距等构造要求，并应注意钢筋的强度和直径的改变会影响正常使用阶段的挠度与裂缝宽度。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计抗震墙水平施工缝的验算抗震墙水平施工缝的验算4.在抗震墙的水平施工缝处，由于混凝土结合不良，可能形成抗震薄弱部位，故规定一级抗震墙要进行水平施工缝处的受剪承载力验算。验算依据试验资料，考虑穿过施工缝处的钢筋处于复合受力状态，其强度采用0.6的折减系数，并考虑轴向压力的摩擦作用和轴向拉力的不利影响，计算公式为 （2-1）2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计式中，Vwj为抗震墙施工缝处组合的剪力设计值；fy为竖向钢筋抗拉强度设计值；As为施工缝处抗震墙的竖向
30、分布钢筋、竖向插筋和边缘构件（不包括边缘构件以外的两侧翼墙）纵向钢筋的总截面面积；N为施工缝处不利组合的轴向力设计值，压力取正值，拉力取负值。其中，重力荷载的分项系数，受压时为有利，取1.0，受拉时取1.2。2.2 2.2 抗震概念设计抗震概念设计2.2.62.2.6 结构控制新技构控制新技术的采用的采用隔震体系和耗能减震结构体系因具有减震机理明确、减震效果显著、安全可靠、经济合理、技术先进、适用范围广等优点，已逐步在现代抗震结构中得到应用。隔震体系是通过延长结构的自振周期来减小结构的水平地震作用，而耗能减震结构体系是通过耗能器增加结构阻尼来减小结构在地震作用下的位移。选用隔震和耗能减震新技术
31、，需根据建筑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构方案及使用条件等，对结构体系进行技术、经济可行性的综合对比分析后确定。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计建筑的抗震设防是以现有的经验、资料、科学水平和经济条件为前提，尽可能减轻地震震害。随着科学技术的发展和经济条件的提高，规范的规定会有相应的突破。抗震性能化设计，就是根据工程的具体情况，确定合理的抗震性能目标，采取恰当的计算和抗震措施，实现抗震性能目标的要求。抗震性能化设计的抗震设防目标不应低于规范的基本抗震性能目标。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计2.3.12.3.1 抗震性能化抗震性能化设计的基本原理的基本原理抗震性能
32、化设计的基本思路是“高延性，低弹性承载力”或“低延性，高弹性承载力”。提高结构或构件的抗震承载力和变形能力是提高结构抗震性能的有效途径，而仅提高抗震承载力需要以对地震作用的准确预测为基础。限于地震研究的现状，应将提高结构（局部）或构件的变形能力并同时提高抗震承载力作为抗震性能化设计的首选。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计建筑的抗震性能化设计以现有的抗震科学水平和经济条件为前提，立足于承载力和变形能力的综合考虑，具有很强的针对性（针对具体工程的不规则情况及特殊的使用功能要求等）和灵活性。在复杂高层建筑及超限工程设计审查中经常提到结构的性能化设计问题，性能化设计是结构抗震设计的精髓。2
33、.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计多次大地震及特大地震的震害表明，随着城市的发展和城市人口密度的增加，城市设施越来越复杂，经济生活的节奏越来越快，地震震害所引起的经济损失也急剧增加，因此，“小震不坏，中震可修，大震不倒”的笼统设计概念已不能完全满足现代建筑结构的抗震设计要求，是不全面的，而是应考虑控制建筑和设施的地震破坏，保持地震时正常的生产、生活功能，减少地震对社会经济生活所带来的危害，有必要采用高于（或不低于）基本抗震设防目标的性能化设计方法。另外，建筑的平面和立面的复杂程度增加，按常规设计方法进行的抗震设计往往不能完全满足抗震设计要求，因此抗震性能化设计呼之欲出。2.3 2.3
34、抗震性能化设计抗震性能化设计2.3.22.3.2 抗震性能化抗震性能化设计与抗震概念与抗震概念设计的关系的关系抗震性能化设计是解决复杂工程抗震设计问题的有效方法，也是抗震概念设计的集中体现。抗震性能化设计贯穿于结构抗震设计的始终，结构设计中的许多工作其实就是抗震性能设计的具体内容，现举例说明如下：（1）建筑抗震设计规范（GB 500112010）中的三水准设防目标就是一种性能目标，其明确要求大震下不发生危及生命的严重破坏即“大震不倒”，这是最基本的抗震性能目标。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计（2）对起疏散作用的楼梯提出采取加强措施，使之成为“抗震安全岛”的要求，确保其在大震下具有
35、安全避难和逃生通道的具体目标与性能要求，这是对具体部位提出的满足地震时功能要求的抗震性能目标。（3）对特别不规则结构、复杂建筑结构，根据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要求，提高结构或关键部位结构的抗震安全性。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计（4）对错层结构的错层部位提出中震承载力的设计要求。（5）对框支梁及框支柱按“中震”设计。由于框支梁及框支柱承托上部结构，为重要的结构构件，因此应按“中震弹性”或“中震不屈服”设计。对应的性能目标就是在设防烈度地震（“中震”）作用下，框支梁及框支柱仍处于弹性（或不屈服）状态。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计
36、（6）重要结构的门厅柱按“中震”设计。由于门厅柱数层通高，且作为上部楼层竖向荷载的主要支承构件，属于重要的结构构件，因此应按“中震弹性”或“中震不屈服”设计。对应的性能目标就是在设防烈度地震（“中震”）作用下，门厅柱仍处于弹性（或不屈服）状态。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计（7）对承受较大拉力的楼面梁按“中震”设计。受斜柱的影响，楼面梁常承受较大的水平力，考虑钢筋混凝土楼板开裂后承载能力的降低，应按“零刚度”楼板假定并按“中震”设计。当梁承受的拉力较大时，可考虑采用型钢混凝土梁或钢梁。（8）对特别重要的结构，当采用双重抗侧力结构时，如钢框架钢筋混凝土核心筒结构，对底部加强部位的抗
37、震墙提出截面剪压比限值要求，按大震剪力不超过0.15fcbwhw0设计。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计2.3.32.3.3 抗震性能化抗震性能化设计的路径的路径抗震性能化设计的路径是：首先确定各地震水准下结构可接受的破坏程度，其次设定结构的抗震性能目标，最后确定各个地震水准下构件的承载力、变形和细部构造的具体指标。下面着重讨论该路径的后两部分内容。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计设定结构的抗震性能目标设定结构的抗震性能目标1.抗震性能目标应根据抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型和不规则性，建筑使用功能和附属设施功能的要求、投资大小、震后损坏和修复难易程度等，经
38、技术及经济可行性综合分析和论证后确定。由于房屋的重要性程度及建筑使用功能不同，因此结构或结构部位及结构构件的抗震设防目标也不完全相同，应根据具体情况采取相应的抗震措施。针对工程的需要和可能，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抗震性能目标，以提高抗震安全性或满足使用功能的专门要求。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计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，选用性能目标时宜偏于安全考虑。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计1 1）性能目标）性能
39、目标1 1性能目标1：结构在设防烈度地震下完好并能正常使用（中震弹性或基本弹性），罕遇地震作用下能基本完好，最多只产生一些不明显的非弹性变形（如图2-11中的OAA至OBB），经检修后可继续使用（大震基本弹性或大震不屈服）。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计某些特别重要的建筑，需要结构具有足够的承载力，从而保证其在中震、大震下始终处于基本弹性状态；也有一些建筑虽然不特别重要，但其设防烈度较低（如6度）或结构的地震反应较小，也可以保证其在中震、大震下始终处于基本弹性状态。某些特别不规则的结构，只要业主愿意付出经济代价，也能使其在中震、大震下始终处于基本弹性状态。2.3 2.3 抗震性能
40、化设计抗震性能化设计对特殊工程及采用隔震、减震技术或低烈度设防且风荷载很大，可对某些关键构件提出此项性能要求，其房屋的高度和不规则性一般不需要专门限制。结构满足大震下弹性或基本弹性的设计要求，大震下结构可不考虑地震内力调整系数，但应采用作用分项系数。各构件的细部抗震构造仅需满足最基本的构造要求（如采取抗震等级为四级的构造措施），结构具有最基本的延性性能。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计2 2）性能目标）性能目标2 2性能目标2：结构构件在中震下完好，在预期大震下可能屈服（如图2-11中的OBB至OCC）。例如，某6度设防的钢筋混凝土框架核心筒结构，其风力是小震的2.4倍，在风荷载作
41、用下的层间位移是小震的2.5倍。结构的层间位移和所有构件的承载力均可满足按中震（不计风荷载效应）设计要求。考虑水平构件在大震下的损坏，使刚度降低和阻尼加大，竖向构件的最小极限承载力仍可满足大震下的验算要求。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计因此，总体结构可达到性能目标2的要求。结构的薄弱部位或重要部位构件的抗震承载力（正截面承载力和抗剪承载力）满足大震弹性设计要求。整个结构按非线性分析计算。允许某些选定的部位接近屈服（如部分受拉钢筋屈服），但不发生脆性破坏（如剪切等）。各构件的细部抗震构造需满足低延性要求（相当于混凝土结构中三级抗震等级的构造要求）。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震
42、性能化设计3 3）性能目标）性能目标3 3性能目标3：在中震下已有轻微塑性变形，大震下有明显塑性变形（如图2-11中的OCC至ODD）。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计4 4）性能目标）性能目标4 4性能目标4：在中震下的损坏已大于性能目标3，结构总体的承载力略高于一般情况（如图2-11中的ODD至OEE）。结构应进行非线性分析。结构的薄弱部位或重要部位的构件在大震下允许达到屈服阶段，满足选定的变形限值（如除框架结构以外的混凝土结构，在大震下的层间弹塑性变形控制在1/5001/300）。竖向构件不发生剪切等脆性破坏。各构件的细部抗震构造应满足高延性的要求（相当于混凝土结构中一级抗震
43、等级的构造要求）。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计5 5）性能目标）性能目标5 5性能目标5：对应于图2-11中的OEE。图2-11 抗震性能目标、承载力与延性之间的关系 e大震弹性计算时的最大位移2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计结构应进行非线性分析。结构的薄弱部位或重要部位的构件在大震下允许达到屈服阶段，满足现行规范在大震下的弹塑性变形要求。竖向构件不发生剪切等脆性破坏。各构件的细部抗震构造应满足特种延性的要求（相当于混凝土结构中特一级抗震等级的构造要求）。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计确定各个地震水准下构件的承载力、确定各个地震水准下构件的承载力、变形
44、和细部构造的具体指标变形和细部构造的具体指标2.为实现性能目标要求，需要落实各个地震水准（中震或大震）下构件的承载力、变形和细部构造的具体指标。（1）仅提高承载力时，安全性有相应的提高，但使用上的变形要求不一定能满足。（2）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，但抵抗大震倒塌的能力提高。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计（3）性能化设计往往侧重于通过提高承载力来推迟结构进入塑性工作阶段的时间并减少塑性变形，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。（4）性能设计寻求的是结构或构件在承
45、载力及变形能力上的合理平衡点。当承载力提高幅度较大时，可适当降低延性要求；当承载力提高幅度较小时，可相应提高结构或构件的延性（当延性指标的实现有困难时，可通过提高结构或构件的承载力加以弥补；当提高结构或构件的承载力有困难时，可通过提高结构或构件的延性加以弥补）。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计（5）对各项性能目标，结构的楼盖体系必须有足够安全的承载力，以保证结构的整体性，一般应使楼板在地震中基本处于弹性状态，否则，应采取适当的加强措施。（6）为避免发生脆性破坏，设计中应控制混凝土结构构件的受剪截面面积，满足规范对剪压比的限值要求。（7）性能目标中的抗震构造“基本要求”相当于混凝土结
46、构中四级抗震等级的构造要求，低、中、高和特种延性要求大致相当于混凝土结构中三、二、一与特一级抗震等级的构造要求。考虑地震作用的不确定性，对工程设计中的延性要求宜适当提高。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计2.3.42.3.4 抗震性能化抗震性能化设计在高在高层建筑混凝土建筑混凝土结构中的构中的应用用分析高层建筑结构方案在房屋高度、规则性、结构类型、场地条件和抗震设防标准等方面的特殊要求，在结构方案特殊性的分析中要注重分析结构方案不符合抗震概念设计的情况和程度。多数情况下，需要按要求采用抗震性能设计的工程一般都不能完全符合抗震概念设计的要求。有关抗震概念设计的规定，结构工程师应与建筑师
47、协调，改进结构方案，尽量减少结构不符合概念设计的情况和程度，不应采用严重不规则的结构方案。对于特别不规则的结构，可按有关规定进行结构的抗震性能设计，但需慎重选择抗震性能目标，并经过深入的分析论证。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计结构抗震性能目标结构抗震性能目标1.高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 32010）提出的结构抗震性能目标分为A，B，C，D四个等级，结构抗震性能分为1，2，3，4，5五个水准（见表2-4），每个性能目标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相对应。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计A，B，C，D四级性能目标的结构，在小震作用下均应满足第1
48、抗震性能水准，即满足弹性设计要求；在中震和大震作用下，四种性能目标所要求的结构抗震性能水准有较大的区别。A级性能目标是最高等级，中震作用下要求结构达到第1抗震性能水准，大震作用下要求结构达到第2抗震性能水准，即结构仍处于基本弹性状态；B级性能目标，要求结构在中震作用下满足第2抗震性能水准，大震作用下满足第3抗震性能水准，结构仅有轻度损坏；2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计C级性能目标，要求结构在中震作用下满足第3抗震性能水准，大震作用下满足第4抗震性能水准，结构中度损坏；D级性能目标是最低等级，要求结构在中震作用下满足第4抗震性能水准，大震作用下满足第5抗震性能水准，结构有比较严重的
49、损坏，但不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计各性能水准结构预期的震后性能状况各性能水准结构预期的震后性能状况2.在设定地震地面运动的情况下，与四级抗震性能目标对应的结构抗震性能水准的宏观判别准则由表2-5给出。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计 注：“关键构件”是指该结构的失效可能引起结构的连续破坏或危及生命安全的严重损坏；“普通竖向构件”是指“关键构件”之外的竖向构件；“耗能构件”包括框架梁、剪力墙连梁及耗能支撑等。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计表2-5中所说的“关键构件”可由结构工程师根据工程实际情况分析确定。例如，底部加强
50、部位的重要竖向构件，水平转换构件及与其相连的竖向支承构件，大跨连体结构的连接体及与其相连的竖向支承构件，大悬挑结构的主要悬挑构件，加强层伸臂和周边环带结构的竖向支承构件，承托上部多个楼层框架柱的腰桁架，长短柱在同一楼层且数量相当时该层各个长短柱，扭转变形很大部位的竖向（斜向）构件，重要的斜撑构件，等等。2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计结构抗震性能设计规定结构抗震性能设计规定3.进行结构抗震性能设计时，弹塑性分析计算是很重要的手段之一，其除应符合高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 32010）第5.5.1条的规定外，尚应符合下列规定：2.3 2.3 抗震性能化设计抗震性能化设计（1）