《钢结构设计标准》中抗震性能化设计的概念

0. 背景

关于抗震性能化设计，之前一直理解的很模糊，今天看到一片不错的文章，于是便想记录下来，以便日后学习整理。原文来自这里，感谢原作者的分享。

1. 前言

《钢结构设计标准》的抗震性能化设计适用于抗震设防烈度不高于8度（0.20g），结构高度不高于100m的框架结构、支撑结构和框架-支撑结构的构件和节点的抗震性能化设计。地震动参数和性能化设计原则应符合《建筑抗震设计规范》的规定。

2. 什么是抗震性能化设计

关于“抗震性能化设计”目前并没有一个统一的定义。20 世纪 90 年代，美国科学家和工程师首次提出了基于性能的抗震设计(PBSD)理论：根据建筑物的重要性、用途或是业主的要求来确定其性能目标，提出不同的抗震设防水准并进行结构设计，最后对设计出的结构作出性能评估，看是否能满足性能目标的要求，其目的是使设计的建筑结构在未来地震中具备预期的功能。

美国联邦紧急救援署(FEMA)出版报告将PBSD定义为“在不同设防地震作用水平下达到不同的性能目标”，同时，报告中还提及了四种基于性能的钢筋混凝土结构抗震设计方法，分别为弹性静力分析方法、弹塑性静力分析方法、弹性时程分析方法和弹塑性时程分析方法。

目前行业界比较认同的说法是：“抗震性能化设计”是指，结构的设计标准由一系列可以取得的结构性能目标来表示。基于性能的结构抗震设计是指由建筑的用途和重要性确定其性能目标，根据不同的性能目标提出相对应的抗震设防标准，使设计的建筑在未来地震中具备预期的性能。抗震性能化设计相对于一般的抗震设计标准而言，突出“人性化”或“个性化”，在设计过程中同时考虑使用者和业主的要求，在满足行业最低标准的前提下（底线意识）， 选择合理的抗震性能目标，使得地震后结构的各种损失和修复所需的造价在业主能承受的范围内。

注：《建筑结构抗震性能化设计标准》中给定的定义是：以结构抗震性能目标为基准的结构抗震设计。

3. 我国规范是如何实现性能化设计的

抗震性能化设计早已在我国的《抗规》和《高规》等规范或标准中提及。现行《抗规》采用三水准、两阶段的设计方法。其中三水准指“小震不坏、中震可修、大震不倒”三个水准，两阶段是指在“小震”作用下进行弹性层间变形验算和在“大震”作用下进行弹塑性层间变形验算，并且给出了不同类型结构的弹性和弹塑性层间位移限值。

显然“小震不坏、中震可修、大震不倒”就是一种性能目标，明确要求大震下不发生危及生命的严重破坏，即“大震不倒”就是最基本的抗震性能目标。三个性能目标中的“小震不坏”和“大震不倒”具有量化的参数，便于在实际设计中应用。

对于“中震可修”规范还只是给出了定性的描述，即当遭受相当于本地区设防烈度（注意，中震对应的才是设防烈度）的地震影响时可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。

中震性能目标过于笼统，主要是以概念设计和抗震构造措施来加以保证的，例如，对重要结构部位（如转换构件、大跨连体结构的连接体、大悬挑结构的主要悬挑构件等）采用“中震弹性”或“中震不屈服”的设计措施，但本质上只是一种近似的考虑方法，属于概念设计的范畴；再如，规定轴压比限值等，则属于抗震构造措施。

4. 从能量角度理解性能化设计

结构的抗震性能目标多种多样，但总体而言分为“完好”和“损坏”，“完好”意味着结构或构件遭受地震作用后弹性可恢复，“损坏”意味着结构或构件遭受地震作用后存在着无法恢复的残余变形。当结构或构件受到地震作用后，弹性设计和适当考虑延性设计的力-变形曲线可用下图表示。

从结构抗震的能量法考虑，对于特定的地震能量输入，结构可以按照图中不同的路径抗震，将相同的地震能量（力-变形曲线与横轴围成的面积）耗散掉：按弹性设计，结构或构件的变形较小，但所需抵抗的地震作用大，意味着建筑物要花费更多的材料，以获取较大的弹性承载力；按延性设计，结构或构件的变形较大些，但所需抵抗的地震作用小，意味着建筑物可以花费更少的材料。

由上述论述可知，抗震设计的本质是控制地震施加给建筑物的能量，弹性变形与塑性变形（延性）均可消耗能量。在能量输入相同的条件下，结构延性越好，弹性承载力要求越低；反之，结构延性差，则弹性承载力要求高，两种抗震设计思路均可达成大致相同的设防目标。

虽然提高结构或构件的抗震承载力和变形能力，都是提高结构抗震性能的有效途径，但仅提高抗震承载力需要以对地震作用的准确预测和计算为基础。限于地震工程学研究的现状，应以提高结构（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。

05. 《钢结构设计标准》抗震性能化设计的思路

由上述可知，建筑的抗震性能化设计，是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，具有较强的针对性（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。

实现思路：按“高延性-低承载力”（强调延性） 和“低延性-高承载力”（强调承载力） 两种思路实现。在结构的延性和承载力之间找到一个平衡点，达到最优设计效果，对高延性结构可适当放宽承载力要求，对高承载力结构可适当放宽延性要求。具体到钢结构而言，大部分多高层结构适合采用高延性-低承载力的设计思路，但是对于多层钢框架结构，在低烈度区，采用低延性-高承载力的抗震思路可能更合理，单层工业厂房也更适合采用低延性-高承载力的抗震设计思路。

当地震作用并不是结构设计的主要控制因素（如单层工业厂房，可能是风荷载起控制），其构件实际具有的抗震承载力很高时，都可以考虑性能化设计。更通俗点说，只要按常规抗震设计方法，发现抗震措施（包括构造）不满足《抗规》要求或难以实现时，就可以考虑采用抗震性能化设计，一旦构件通过了中震下承载力验算的要求，抗震构造措施可按《钢标》的规定作相应放松，很可能由原来的不满足而变成满足，显然更经济。

06. 《钢结构设计标准》抗震性能化设计的步骤

详细步骤可参照以下：

1、验算小震作用下承载力满足《抗规》要求（不包括塑性耗能区）

2、小震作用下层间位移满足《抗规》要求

只有在满足小震下承载力和变形的情况下才能进行抗震性能设计。如果此时构件的宽厚比、高厚比及长细比均不满足《抗规》的要求，则有必要进行性能设计。

3、初步选择塑性耗能区的性能等级，确定构件和节点延性等级

4、确定性能化设计的其他参数

如中震地震影响系数最大值及中震阻尼比、非塑性耗能区内力调整系数等参数。

5、进行设防地震下（中震）的承载力验算

可按《钢标》17.2.1～17.2.3条进行验算，公式中的性能系数其实就是考虑结构的延性对地震作用的折减系数，类似于《抗规》的屈服强度系数。

6、补充机构控制验算

《钢标》17.2.4～17.2.12条为机构控制验算的具体规定，主要涉及到框架梁的强剪弱弯，框架柱的压弯、强柱弱梁、强剪弱弯，节点等计算。

另外，需要注意的是，根据《钢标》17.1.4条3款的规定，当结构构件承载力满足延性等级为V级（此时延性较低）的内力组合效应验算时，可忽略机构控制验算；更直观点说，当按《钢标》进行性能化设计，采用低延性－高承载力设计思路时，无须进行机构控制验算，但当性能系数小于1时，支撑系统构件尚应考虑压杆屈曲和卸载的影响。

7、根据延性要求采取相应抗震措施

如果按照对应《钢标》的某性能目标设计，满足了中震下承载力要求，可以按照对应的宽厚比等级及延性等级放松宽厚比、高厚比及长细比的限制。

8、必要时验算大震层间位移角（《钢标》17.1.4条5款）

最后，再次感谢原作者！