70.基于性能设计方法的设计要点是什么?

1.结构性能目标组成和选用

（1）结构性能目标组成

每个复杂和超限高层建筑结构可以根据具体的设防烈度、场地条件、房屋高度、不规则的部位和程度以及业主的经济实力，选择结构在三个水准地震作用下的性能水准，从而实现相应的结构设计。表4-11给出了一些可供选择的性能目标。

性能目标A：多遇地震（小震）和设防烈度地震（中震）均满足性能水准1的要求，预估的罕遇地震（大震）下满足性能水准2的要求；整体结构基本完好，部分构件轻微损坏。

性能目标B：多遇地震（小震）下满足性能水准1的要求，设防烈度地震（中震）下满足性能水准2的要求，预估的罕遇地震（大震）下满足性能水准3的要求；部分结构构件轻度损坏。

性能目标C：多遇地震（小震）下满足性能水准1的要求，设防烈度地震（中震）下满足性能水准3的要求，预估的罕遇地震（大震）下满足性能水准4的要求；结构中度损坏。

性能目标D：多遇地震（小震）下满足性能水准1的要求，设防烈度地震（中震）下满足性能水准4的要求，预估的罕遇地震（大震）下满足性能水准5的要求；结构严重损坏。

（2）性能目标的选用

选用性能目标时需综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素。鉴于地震地面运动的不确定性以及对结构在强烈地震下非线性分析方法（计算模型及参数的选用等）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，对结构抗震性能的判断难以十分准确，尤其是对长周期的超高层建筑或特别不规则结构的判断难度更大，因此在性能目标选用中宜偏于安全一些。

例如：特别不规则的、房屋高度超过B级高度很多的高层建筑或处于不利地段的特别不规则结构，可考虑选用A级性能目标。

房屋高度超过B级高度较多或不规则性超过规程使用范围很多时，可考虑选用B级或C级性能目标；

房屋高度超过B级高度或不规则性超过适用范围较多时，可考虑选用C级性能目标。

房屋高度超过A级高度或不规则性超过适用范围较少时，可考虑选用C级或D级性能目标。

结构方案中仅有部分区域结构布置比较复杂或结构的设防标准、场地条件等特殊性，使设计人员难以直接按规程规定的常规方法进行设计时，可考虑选用C级或D级性能目标。

实际工程情况很复杂，需综合考虑各种因素。选择性能目标时，一般需征求业主和有关专家的意见。

2.结构的抗震性能水准和判别准则

（1）结构的抗震性能水准

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）给出了五个抗震性能水准（表4-12），具体内容如下：

第1性能水准：结构在地震作用下完好、无损伤，一般不需修理即可继续使用。

第2性能水准：结构在地震作用下基本完好，仅耗能构件轻微损坏，稍加修理即可继续使用。

第3性能水准：结构在地震作用下发生轻度损坏，关键构件轻微损坏，部分普通竖向构件轻微损坏，耗能构件轻度损坏，部分中度损坏；经过一般修理后可继续使用。

第4性能水准：结构在地震作用下发生中度损坏，关键构件轻度损坏，部分普通竖向构件中度损坏，耗能构件中度损坏，部分比较严重损坏；经过修复或加固后可继续使用。

第5性能水准：结构在地震作用下比较严重损坏，关键构件中度损坏，部分普通竖向构件比较严重损坏，耗能构件严重损坏；需排险大修。

表中“关键构件”是指构件的失效可能引起结构的连续破坏或危及生命安全的严重破坏，可由结构工程师根据工程实际情况分析确定。例如底部加强部位的重要竖向构件、水平转换构件及与其相连竖向支承构件、大跨度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。“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。

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）提出的A、B、C、D四级结构抗震性能目标和五个结构抗震性能水准（1、2、3、4、5），结构在不同水准地震下的性能水准以及性能目标的示意图见图4-4。

（2）性能水准的判别准则

判别结构在地震作用下是否满足上述五个性能水准的准则如下：

1）第1性能水准的结构 第1性能水准的结构应满足弹性设计要求。在多遇地震（小震）作用下，其承载力和变形应符合《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）的有关规定；在设防烈度地震（中震）作用下，结构构件的抗震承载力应符合下式规定：

式中 S_GE——重力荷载代表值的构件内力；

——水平地震作用标准值的构件内力，不需考虑与抗震等级有关的增大系数；

——竖向地震作用标准值的构件内力，不需考虑与抗震等级有关的增大系数；

R_d——构件承载力设计值；

γ_RE——构件承载力抗震调整系数；

γ_G、γ_Eh、γ_Ev——重力荷载分项系数、水平地震作用分项系数和竖向地震作用分项系数。

也就是说，要求全部构件的抗震承载力满足弹性设计要求。在多遇地震（小震）作用下，结构的层间位移、结构构件的承载力及结构整体稳定等均应满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）的有关规定；结构构件的抗震等级不宜低于《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）的有关规定，需要特别加强的构件可适当提高抗震等级，已为特一级的不再提高。在设防烈度（中震）作用下，构件承载力需满足弹性设计要求，如式（4-17），其中不计入风荷载作用效应的组合，地震作用标准值的构件内力（、）计算中不需要乘以与抗震等级有关的增大系数。

2）第2性能水准的结构 第2性能水准的结构，在设防烈度地震（中震）或预估的罕遇地震（大震）作用下，关键构件及普通竖向构件的抗震承载力宜符合式（4-17）的规定；耗能构件的受剪承载力宜符合式（4-17）的规定，其正截面承载力应符合下式规定：

式中 R_k——截面承载力标准值，按材料强度标准值计算；

其余符号意义同前。

第2性能水准结构的设计要求与第1性能水准结构的差别是，框架梁、剪力墙连梁等耗能构件的正截面只需要满足式（4-18）的要求，即满足“屈服承载力设计”。“屈服承载力设计”是指构件按材料强度标准值计算的承载力R_k不小于按重力荷载及地震作用标准值计算的构件组合内力。对耗能构件只需验算水平地震作用为主要可变荷载的组合工况，式（4-18）中重力荷载分项系数γ_G、水平地震作用分项系数γ_Eh及抗震承载力调整系数γ_RE均取1.0，竖向地震作用分项系数γ_Ev取0.4。

3）第3性能水准的结构 第3性能水准的结构应进行弹塑性计算分析。在设防烈度地震（中震）或预估地震（大震）作用下，关键构件及普通竖向构件的正截面承载力应符合式（4-18）的规定，水平长悬臂结构和大跨度结构中的关键构件正截面承载力尚应符合式（4-19）的规定，其受剪承载力宜符合式（4-17）的规定。在预估的罕遇地震（大震）作用下，结构薄弱部位的层间位移角应满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第3.7.5条的规定。

也就是说，第3性能水准结构，允许部分框架梁、剪力墙连梁等耗能构件正截面承载力进入屈服阶段，受剪承载力宜符合式（4-18）的要求。竖向构件及关键构件正截面承载力应满足式（4-18）“屈服承载力设计” 的要求；水平长悬臂结构和大跨度结构中的关键构件正截面“屈服承载力设计”需要同时满足式（4-18）及式（4-19）的要求。式（4-19）表示竖向地震为主要可变作用的组合工况，式中重力荷载分项系数γ_G、竖向水平地震作用分项系数γ_Ev及抗震承载力调整系数γ_RE均取1.0，水平、竖向地震作用分项系数γ_Eh、γ_Ev取0.4；这些构件的受剪承载力宜符合式（4-17）的要求。整体结构进入弹塑性状态，应进行弹塑性分析。为了方便设计，允许采用等效弹性方法计算竖向构件及关键部位构件的组合内力（S_GE、、），计算中可适当考虑结构阻尼比的增加（增加值一般不大于0.02）以及剪力墙连梁刚度的折减（刚度折减系数一般不小于0.3）。实际工程设计中，可以先对底部加强部位和薄弱部位的竖向构件承载力按上述方法计算，再通过弹塑性分析校核全部竖向构件均未屈服。

4）第4性能水准的结构 第4性能水准的结构应进行弹塑性计算分析。在设防烈度地震（中震）或预估地震（大震）作用下，关键构件的抗震承载力应符合式（4-18）的规定，水平长悬臂结构和大跨度结构中的关键构件正截面承载力尚应符合式（4-19）的规定；部分竖向构件以及大部分耗能构件进入屈服阶段，但钢筋混凝土竖向构件的受剪截面应符合式（4-20）的规定，钢—混凝土组合剪力墙的受剪承载力应符合式（4-21）的规定。在预估的罕遇地震（大震）作用下，结构薄弱部位的层间位移角符合《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第3.7.5条的规定。

式中 V_GE——重力荷载代表值作用下的构件剪力（N）；

——地震作用标准值的构件剪力（N），不需考虑与抗震等级有关的增大系数；

f_ck——混凝土轴心抗压强度标准值（N/mm²）；

f_ak——剪力墙端部暗柱中型钢的强度标准值（N/mm²）；

A_a——剪力墙端部暗柱中型钢的截面面积（mm²）；

f_spk——剪力墙内钢板的强度标准值（N/mm²）；

A_sp——剪力墙内钢板的横截面面积（mm²）。

也就是说，关键构件抗震承载力应满足式（4-18）“屈服承载力设计”的要求，水平长悬臂结构和大跨度结构中的关键构件抗震承载力要同时满足式（4-18）及式（4-19）的要求；允许部分竖向构件及大部分框架梁、剪力墙连梁等耗能构件进入屈服阶段，但构件受剪截面应满足截面限制条件，这是防止构件发生脆性受剪破坏的最低要求。式（4-20）和式（4-21）中，V_GE、可按弹塑性计算结果取值，也可按等效弹性方法计算结果取值（一般情况下是偏于安全的）。结构的抗震性能必须通过弹塑性计算加以深入分析，例如弹塑性层间位移角、构件屈服的次序及塑性铰分布、塑性铰部位钢材受拉塑性应变及混凝土受压损伤程度、结构的薄弱部位、整体结构的承载力不发生下降等。整体结构的承载力可通过静力弹塑性方法进行估算。

5）第5性能水准的结构 第5性能水准的结构应进行弹塑性计算分析。在预估的罕遇地震作用下，关键构件的抗震承载力宜符合式（4-18）的规定；较多的竖向构件进入屈服阶段，但同一楼层的竖向构件不宜全部屈服；竖向构件的受剪截面应符合式（4-20）或式（4-21）的规定；允许部分耗能构件发生比较严重的破坏；结构薄弱部位的层间位移角应符合《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第3.7.5条的规定。

第5性能水准结构的设计要求与第4性能水准结构的差别在于，关键构件承载力宜满足“屈服承载力设计”的要求，允许比较多的竖向构件进入屈服阶段，并允许部分“梁”等耗能构件发生比较严重的破坏。结构的抗震性能必须通过弹塑性计算加以深入分析，尤其应注意同一楼层的竖向构件不宜全部进入屈服并宜控制整体结构承载力下降的幅度不超过10%。

3.结构抗震性能分析论证

结构抗震性能分析论证的重点是深入的计算分析和工程判断，找出结构有可能出现的薄弱部位，提出有针对性的抗震加强措施，必须的试验验证，分析论证结构可达到预期的抗震性能目标。一般需要进行以下工作：

1）分析确定结构超出规程适用范围及不规则性的情况和程度。

2）认定场地条件、抗震设防类别和地震动参数。

3）深入的弹性和弹塑性计算分析（静力分析和时程分析），并判断计算结果的合理性。

4）找出结构有可能出现的薄弱部位以及需要加强的关键部位，提出针对性的抗震加强措施。

5）必要时还需进行构件、节点或整体模型的抗震试验，补充提出论证依据，例如对规程未列入的新型结构方案有无震害和试验依据或对计算分析难以判断、抗震概念难以接受的复杂结构方案。

基于性能的抗震设计基本步骤大致由性能目标设定、选用和设计方案选择、论证、评审组成。图4-5为基于性能抗震设计的基本步骤框图。