超限高层建筑结构基于性能抗震设计

超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究超限高层建筑的结构抗震设计中，采用基于性能要求的抗震设计方法，有助于提高高层建筑工程抗震设计的可靠性、避免抗震安全隐患，同时又促进高层建筑技术发展。

阐述基于性能抗震设计方法与常规抗震设计方法的比较；针对超限高层建筑结构的特点，提出结构的抗震性能目标、性能水准以及实施性能设计的主要方法，包括性能水准判别准则、性能目标的选用及结构计算和试验要求。

文中还列举了应用性能设计理念和要求的部分工程实例。

基于性能的抗震设计理念和方法，自世纪年代在美国兴起，并日益得到工程界的关注。

美国的ATC40（1996年）、FEMA237（1997年）提出了既有建筑评定、加固中使用多重性能目标的建议，并提供了设计方法。

美国加州结构工程师协会SEAO于1995年提出了新建房屋基于性能的抗震设计。

1998年和2000年，美国FEMA又发布了几个有关基于性能的抗震设计文件。

2003年美国ICC（Internation-alCode Council）发布了《建筑物及设施的性能规范》，其内容广泛，涉及房屋的建筑、结构、非结构及设施的正常使用性能、遭遇各种灾害时（火、风、地震等）的性能施工过程及长期使用性能，该规范对基于性能设计方法的重要准则作了明确的规定。

日本开始将抗震性能设计的思想正式列入设计和加固标准中，并已由建筑研究所（BRI）提出个性能标准。

欧洲混凝土协会（CRB）于2003 年出版了“钢筋混凝土建筑结构基于位移的抗震设计”报告。

澳大利亚则在基于性能设计的整体框架以及建筑防火性能设计等方面做了许多研究，提出了相应的建筑规范（BCA1996）。

我国在基于性能的抗震设计方面也发表了不少论文加以研究和探讨。

基于性能的抗震设计是建筑结构抗震设计的一个新的重要发展，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，业主（设计者）可选择所需的性能目标；抗震设计中更强调实施性能目标的深入分析和论证，有利于建筑结构的创新，经过论证（包括试验）可以采用现行标准规范中还未规定的新的结构体系、新技术、新材料；有利于针对不同设防烈度、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。

这一方法是一种发展方向。

目前，这一方法在工程中还未得到广泛的应用，还有一些问题有待研究改进，诸如：地震作用的不确定性、结构分析模型和参数的选用存在不少经验因素、模型试验和震害资料欠缺、对非结构和设施的抗震性能要求和震后灾害估计缺乏研究。

但是，这一方法随着工程中的不断应用，必然会趋于成熟。

作者认为，我国的超限高层建筑工程设计比较适合采用基于性能的抗震设计方法。

这些工程在房屋高度、规则性等方面都不同程度地超过现行标准规范的适用范围，如何进行抗震设计缺少明确具体的目标、依据和手段，按照建设部第111号部长令《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》，以及《全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会抗震设防专项审查办法》和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》等的要求，设计者需要根据具体工程实际的超限情况，进行仔细的分析、专门的研究和论证，必要时还要进行模型试验，从而确实采取比标准规范的规定更加有效的具体的抗震措施，业主也需要提供相应的资助，设计者的论证还需要经过抗震设防专项审查，以期保证结构的抗震安全性能。

这个设计程序在某种意义上类似于抗震性能设计的基本步骤。

这些年来，高层建筑工程抗震设防专项审查实践表明，不少工程的设计和专项审查已经涉及到基于性能抗震设计的理念和方法。

有的工程的设计者主动提出采用基于性能的设计理念和要求，有的工程在抗震审查中由专家组的专家提出某些基于性能的设计要求。

可以认为，目前在我国超限高层建筑工程中试点采用基于性能抗震设计的时机已经成熟。

本文阐述基于性能抗震设计方法与常规抗震设计方法的比较，提出超限高层建筑结构的抗震性能目标、性能水准、以及实施抗震性能设计的方法，并列举了应用性能设计理念和要求的部分工程实例。

基于性能抗震设计与常规抗震设计的一些比较21我国常规抗震设计方法具有性能设计的雏形我国在上个世纪年代修订工业与民用建筑的抗震设计规范时，首次提出了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目标，采用“三水准两阶段设计”的设计方法，并于年以国家标准《建筑万方数据抗震设计规范》GBJ 11—89正式发布施行。

这个常规设计原则的特点是：其一，对应于“小、中、大”的三个地震水准，通过全国主要地震区域65个城镇地震发生概率的统计分析，分别采用年超越概率63%、1O% 和2%和3%的概率定量指标，相应的地震影响系数最大值的比例约为1/2/8/4.5和6；衡量强烈地震后房屋建筑“不坏、可修、不倒”等破坏程度，则依据《建筑地震破坏等级划分标准》（1990建抗字第337号），有明确的震害概念。

其二，为实现上述三水准的设防目标，规范采用两阶段设计的简化方法。

第一阶段设计是结构构件承载力验算，采用结构在小震下按弹性反应谱理论得到的地震作用标准值和相应的地震作用效应（内力和变形），在可靠度分析基础上用分项系数表达式进行结构构件抗震承载力的验算，一些刚度较小的结构还要进行层间变形的验算；然后通过与概念设计相关的内力调整放大和抗震构造措施来满足第二水准和第三水准地震的宏观性能控制要求。

第二阶段设计是结构的弹塑性变形验算，对地震下易倒塌的结构和有特殊要求的建筑结构，要求其薄弱部位应满足在大震下不倒塌的位移限制，并采取相应的专门的抗震构造措施；这些结构的第三水准要求也有相对明确的位移指标。

因此，可以认为，我国1989年抗震规范的设计方法和步骤已经具有性能设计的雏形，2001年抗震规范在概念设计、性能控制要求上又有进一步发展和具体化。

这个比较说明，基于性能要求的抗震设计方法是一个重要的发展，目前在超限高层建筑结构设计中应用是可行的，若要在所有建筑结构的设计中应用，还有待深入探讨及设计人员的理解和掌握。

目前，也可此方法对按现行规范规程设计的结构所能达到的性能目标进行深入分析探讨，使经验性的增大系数和构造等规定与定量化的性能目标、性能水准有所比较，这是很有实际意义的。

超限高层建筑结构的抗震性能目标建筑物抗震设计的性能目标指某一设定地震地面运动（如在给定年限内超越概率63%、10%和2%鶫3%的小震、中震和大震）下建筑的预期性能水准。

建筑物的性能水准包括结构、非结构和建筑附属设施的性能水准的各种组合。

当前，“超限”高层建筑工程指高度或规则性方面超过规范、规程适用范围的高层建筑工程。

因篇幅所限，本文研究这些超限高层建筑的结构基于性能的抗震设计，着重提出结构的性能目标和水准。

结构的抗震性能水准，超限高层建筑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,1结构抗震性能可分为如下几个水准：1a：结构在地震后完好、无损伤，一般不需修理即可继续使用，人们不会因结构损伤造成伤害，可安全出入和使用。

2b：结构在地震后基本完好，仅有个别构件轻微裂缝，一般不需修理或稍加修理即可继续使用，人们不会因结构损伤造成伤害，可安全出入和使用。

2地震后结构的薄弱部位和重要部位的构件完好、无损伤，其它部位有部分选定的具有一定延性的构件出现明显的裂缝，修理后可继续安全使用。

3地震后结构的薄弱部位和重要部位的构件轻微损坏，出现轻微裂缝，其它部位有部分选定的具有延性的构件发生中等损坏，出现明显的裂缝，进入屈服阶段，需要修理并采取一些安全措施才可继续使用。

4结构在地震下发生中等程度的破坏，多数构件轻微损坏，部分构件中等损坏，进入屈服，有明显的裂缝，需要采取安全措施，人们不能安全出入；经过修理、适当加固后才可继续使用。

5结构在地震下发生明显损坏，多数构件中等损坏，进入屈服，有明显的裂缝，部分构件严重损坏；但整个结构不倒塌，也不发生局部倒塌，人员会受到伤害，但不危及生命安全。

性能目标的组成每个超限高层建筑，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下的性能水准，从而实现相应的“超限”设计。

性能目标A，小震和中震均满足性能水准的要求其高度和不规则性一般不需要专门限制。

性能目标B，小震下满足性能水准1a的要求，中震满足性能水准1b的要求，大震满足性能水准的要求；整体结构基本完好；其高度和不规则性一般也不需要专门限制。

性能目标C，小震下满足性能水准1a的要求，中震下满足性能水准的要求，大震下满足性能水准2的要求；部分结构构件损坏；其高度不需专门限制，重要部位的不规则性限制可比现行标准的要求放宽。

性能目标D，小震下满足性能水准1a的要求，中震满足性能水准3的要求，大震下满足性能水准4的要求；结构中等破坏，其高度可适当超过现行高层混凝土结构规程B级的规定，某些不规则性限制可有所放宽。

性能目标E，小震下满足性能水准1a的要求，中震满足性能水准4的要求，大震下满足性能水准5的要求；结构的损坏不危及生安全。

其高度一般不宜超过现行高层混凝土结构规程B级的规定，规则性限制一般也不宜放宽。

实施抗震性能设计的方法,性能水准的判别准则及性能目标的选用按照结构抗震安全评价的能量原则，一个结构及其构件的承载力较高，则其延性变形能力要求可有所降低；结构及其构件的承载力较低，则需要较高的延性变形能力。

需要强调的是，结构的不规则性程度直接影响结构延性变形能力的高低。

这意味着，超限高层建筑结构的抗震设计应结合结构不规则程度及超高情况，在提高结构承载力、提高延性变形能力或二者均提高这三种方法中选择比较合理又切合实际的保证安全性能的处理手段。

设计要提出超限高层建筑结构抗震性能设计的方法，业主要衡量超限设计所需的代价，抗震设防专项审查的专家要判断超限设计的可行性，都需要围绕着结构安全和建筑方案设计二者的协调。

抗震性能设计需要有一个比较合理的性能水准判别准则，在性能目标选用时考虑的因素应比较全面。

性能水准的判别准则本文在节提出了结构在地震作用下的六个性能水准，下面给出判别是否满足性能水准的准则，供参考。

其中，对各项性能水准，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上处于弹性反应状态，否则，应有合理可靠的结构计算模型并加以论证（包括试验）；为避免混凝土结构构件发生脆性剪切破坏，设计中应控制受剪截面尺寸，满足现行标准对剪压比的限制要求；性能水准中的抗震构造，“基本要求”相当于混凝土结构中的四级抗震等级的构造要求，低、中、高和特种延性要求，可参照混凝土结构中抗震等级的三、二、一和特一级的构造要求。

性能水准1a结构满足弹性设计要求，包括全部构件的抗震承载力和层间位移均满足现行规范的要求；结构计算时具有正确、合理的分析模型，计算应采用作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数，对性能目标为A或B的结构可不考虑地震内力调整；各构件的细部抗震构造满足基本要求。