抗震性能化设计概念梳理

抗震性能化设计的内容最早出现在2010版《抗规》和《高规》中，距今已十余年。与传统设计法（三水准两阶段）相比，性能化设计的新概念、新内容较多，计算过程复杂。尽管主要计算可交由电脑完成，但电脑只是个工具，人才是主角，整个设计过程都要由人来引领。从出发点到目的地，路径要清晰，逻辑要严密。现尝试对性能化设计过程及基本概念进行梳理。

一、传统设计法VS性能化设计”：

1.传统设计法是“低弹性承载力─高延性”的单一解决方案；性能化设计追求承载力和延性的最佳平衡，可提供“低弹性承载力─高延性”或“高弹性承载力─低延性”的多种解决方案。比如：对于“性能目标1”，大震下基本处于弹性，则延性仅需满足最低要求即可；对于“性能目标2”，大震可能屈服，则需满足低延性要求……；对于“性能目标4”，大震接近严重破坏，需满足高延性要求。

2.传统设计法不直接验算中震；性能化设计的主要内容就是对中震的验算。可能是限于当初计算机发展水平不方便进行弹塑性分析，前辈们将设防烈度降低1.55度以后进行弹性承载力和弹性变形验算。用“规则性控制+弹性计算+内力调整+构造措施”，间接实现中震可修和大震不倒。对于绝大多数结构只需做“两水准一阶段”（小震、中震的弹性承载力和变形验算）设计即可，仅对少数建筑进行弹塑性验算。

3.传统设计法对同类构件采用统一调整系数和构造措施，不分主次，不论应力高低，堪称“普惠型”；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，堪称“精准投放、量体裁衣”。

4.传统设计法的“中震可修”是通过放大小震的弹性内力而间接实现的，对“中震可修”没有具体控制指标，可操作性不强；性能化设计直接验算中震，对承载力和变形均有明确的控制指标。

5.传统设计法的着重点是大震不倒，不适用于要求震后连续使用的生命线工程；对超限工程也没有具体设计方法。尽管根据建筑重要性分为甲乙丙丁类，但弹性设计的本质没变。传统设计法是高延性大变形，尽管避免了倒塌保存了结构，但附属设施破坏严重，对于使用功能不能中断的建筑是不可行的。性能化设计可根据超限程度和震后使用功能要求，通过承载力、变形和构造的综合平衡，刚柔相济，可实现不同的预期性能目标。

6.相对于钢筋混凝土结构，性能化对于钢结构更有用武之地。钢筋混凝土结构一般由地震设计状况控制，所以性能化设计主要用于“超限”和更高抗震设计标准。而钢结构由非地震设计状况控制的工程很多，可以实现更好的经济性和合理性。

7.传统设计法是久经考验的安全可靠的主流方法。性能化设计是有适用范围的，要谨慎使用。在强震作用下，结构不存在承载力储备；而且，提高承载力，往往地震作用相应增大，水涨船高。而高延性意味着结构具有较高的变形能力，也就是消耗地震能量的能力，是抗震设计的主流方向。

二、钢筋混凝土结构性能化设计

除非场地好、风很大、设防烈度很低，或采用减隔震措施，一般来说，抗震设防区的钢筋混凝土结构是由地震设计状况控制的，所以性能化设计主要用于超限结构或震后使用功能不允许中断的生命线工程。

1.钢筋混凝土结构性能化设计的核心是确定性能目标，应符合下列要求：

（1）性能目标应经过技术和经济可行性综合分析论证。

性能目标与建筑使用功能和附属设施功能的要求、投资大小、震后损失和修复难易程度等有关，需综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型和不规则性等因素，必然要做初步设计，进而对技术经济的可行性进行论证。可见，性能目标不是设计单位一家说了算的，设计院也没必要单独承担这个责任。

（2）宜偏安全地确定性能目标。

鉴于目前强震下非线性计算模型及参数尚存在不少经验因素，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，因此在性能目标的选用中宜偏安全一些。

2.各性能目标均由三个具体控制指标来表示：

承载力指标、层间位移指标、构造抗震等级，分别如下：

3.《高规》和《抗规》的承载力性能水准计算公式归纳

根据《高规》和《抗规》条文整理成下表，方便查阅和理解。《高规》和《抗规》不完全相同：

（1）《高规》分关键构件、普通竖向构件和耗能构件，分抗弯和抗剪分别给出性能水准要求，代表了对出铰顺序的控制，由先到后为：

剪力墙连梁─框架梁端─剪力墙底部加强部位─框架柱根。

（2）《抗规》给出了极限承载力验算公式，《高规》未给。

（3）《抗规》给出了各性能目标的变形控制指标，《高规》未给。

上表中“性能目标5”是本人加进去的，对应传统设计方法的性能目标。

三、钢结构性能化设计

与钢筋混凝土结构多数由地震设计状况控制不同，较多的钢结构是由非地震设计状况控制的。所以，钢结构的性能化设计更有用武之地。我们经常有这样的困扰，比如一个玻璃棚，或者景观造型，不仅被别人吐槽傻大黑粗，而且我们自己心里也过不去。尽管《抗规》中有“满足2倍地震作用可以降低一度”的规定，但长细比、宽厚比依然太严，此时即可用性能化设计，实现承载力、延性等级和构造的合理组合。设计过程如下：

1.钢结构性能化设计的核心是确定塑性耗能区的性能系数。

性能系数引领出铰顺序。不同构件性能系数的大小关系如下：

（1）对于框架结构：同层，柱>梁；

（2）对于支撑结构和框架-中心支撑的支撑系统：同层，柱>梁>支撑；

（3）框架-偏心支撑：同层，柱>支撑>梁>消能梁段；

（4）非塑性耗能区>塑性耗能区。

2.按传统设计法进行多遇地震下弹性承载力和位移计算；

3.进行设防地震下的抗震承载力验算，主要内容有：

（1）所有构件的设防地震性能组合承载力验算；（公式（17.2.3）；

（2）框架梁、柱各自的强剪弱弯验算；

（3）强柱弱梁验算；

（4）强连接弱构件验算；

（5）强节点域验算。

钢结构性能化设计是反复试算、逐渐接近最优解的过程，需要反复调整截面或重新设定性能系数。

4.根据抗震设防类别及性能等级，确定构件和节点的最低延性等级。

5.主要构造措施：

（1）塑性耗能区尽量采用整根材料。要拼接须工厂拼接；

（2）塑性耗能区板件间应采用完全焊透的对接焊缝。

（3）框架结构：

（a）梁端与延性等级对应的板件宽厚比、轴压比、剪压比；梁端为工字形时，或控制长细比或设加劲肋或设隅撑；板件宽厚比是为了保证塑性发展深度；控制轴压比是因为在高压应力情况下，抗剪承载力降低，且影响压弯延性。

（b）框架柱与延性等级对应的长细比限值；

（c）节点域与延性等级对应的受剪正则化宽厚比限值；

（d）梁柱翼缘焊接、节点域及上下各600范围内柱板件间焊接，应完全熔透；

（e）过焊孔的改进和垫板的细节处理；

（f）梁柱骨形连接或加强连接的构造。

（4）支撑结构及框架-支撑结构：

（a）中心支撑的框架部分同框架结构；

（b）分别交叉支撑、人字或V形支撑、偏心支撑，各自延性等级对应的长细比限值、板件宽厚比等级。

（5）消能梁段，地位特殊重要。按“设防地震性能组合轴力”不同，验算受剪承载力。延性等级为Ⅰ级的消能梁段构造主要控制项：

（a）消能梁段的长度限值；

（b）消能梁段的加劲肋设置；

（c）消能梁段的隅撑设置。

6.由于地震作用的不确定性，结构延性比承载力更为重要。对于多高层民用钢结构，首先必须保证必要的延性，一般应采用高延性─低承载力；对于工业建筑，为降低造价，可采用低延性─高承载力。

四、传统设计法与性能化设计是优势互补，相得益彰；不是谁优谁劣，谁取代谁

钢筋混凝土结构性能化设计主要用于超限结构和震后需要连续使用的建筑物。钢结构性能化设计的适用范围是设防烈度不高于8度(0.20g)、结构高度不高于100m的框架结构、支撑结构和框架-支撑结构。

 目前，非线性计算模型及参数的选用尚存在不少经验因素，对结构性能的判断也难以十分准确，且相关设计经验不多，性能化设计效果缺少从强震记录、设计施工资料到实际震害的验证，所以说传统设计法依然是适用面最广的可靠的抗震设计主流方法。

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