基于性能的高层建筑钢结构抗震设计研究 基于性能的高层建筑钢结构抗震设计研究
徐其功1，3蔡辉2李争鹏3
(1.广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广州510500；2.广州市住宅建筑设计院，广州510000；
3.华南理工大学土木与交通学院，广州510640)
摘要：主要介绍性能设计的基本概念；对比我国与美国相关规范中性能设计的描述，并总结各自的特点与不足；阐述在编广东省标准《钢结构设计规程》中性能设计相关内容，针对某工程选取在编规程的性能目标D，结合MIDASBuilding和Perform-3D判断满足常规设计的结构在设防烈度地震和罕遇地震作用下是否满足相应的性能目标要求。
关键词：钢结构；性能设计；Perform-3D;性能目标
DOI:10.13206/j.gjg07015
ABSTRACT：Thispapermainlyintroducedthebasicconceptsofperformance-baseddesign.Thedescriptionaboutperformance-baseddesigninChinesestandardsandAmericancodeswerecompared,andtheircharacteristicsandshortcomingsweresummarized.Therelatedcontentsaboutperformance-baseddesignintheTechnicalSpecificationforSteelStructureDesignofGuangdongProvincewaselaborated,andtheperformanceobjectiveDwasselectedforanengineeringproject,itcoulddeterminewhethertheconventionaldesignstructurecouldmeetthecorrespondingrequirementsofperformanceobjectiveornotbycombiningwithMIDASBuildingandPerform-3D.
收稿日期：-03-13
APPLICATIONOFPERFORMANCE-BASEDSEISMICDESIGNINHIGH-RISESTEELBUILDING
XuQigong1，3CaiHui2LiZhengpeng3
(1.GuangdongProvincialAcademyofBuildingResearch，Guangzhou510500，China；
2.ResidentialBuildingArchitectureDesignInstitute，Guangzhou510000，China;
3.CollegeofCivilEngineeringandTransportation，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，China)
KEYWORDS：steelstructure;performance-baseddesign;Perform-3D;performanceobjective
第一作者：徐其功，男，1964年出生，博士，教授级高级工程师。
Email：Lzp_gz0524@
基于性能的抗震设计(Performance-BasedSeismicDesign)是由美国和日本在20世纪90年代提出的，引领了近的抗震设计理论发展。性能设计是按照规定的设计准则，确保建筑结构保持稳定的水准和建造质量，在遇到地震作用时结构的损坏应该在规定的极限状态以内。我国对基于性能的抗震设计研究相对较少，但也已引起相关工程设计人员、地震工程学者以及科研工作者的高度关注。文献[1-2]提出了与我国国情相适应的基于性能的抗震设计方法与建议，但是就性能设计整体水平而言与一些国家相比仍显初级，尤其是对于钢结构的性能设计，尚未有相关规范作出规定。
1各规范关于性能设计的描述
基于性能的抗震设计，简称性能设计，是评估高层或超高层结构、超限结构的新一代方法，中美规范关于性能设计都有相关阐述。在给定的地震设防水准下，建筑物的性能状态用性能水准来表示。性能水准表示建筑结构在特定设防地震作用下所达到破坏的最大程度，性能目标是在不同设防地震水平下，建筑物所应达到的性能水准，性能目标是地震设防水准和性能水准的组合，在国内外规范中给出了几种不同的组合。
1.1抗震规范与高层规范中的性能设计
GB50011-《建筑抗震设计规范》[3](以下简称“抗规”)将性能水准分为5个等级：基本完好(含完好)、轻微损坏、中等破坏、严重破坏和倒塌;性能目标分为4个等级;不同性能要求的参考指标分为承载力参考指标和层间位移参考指标，抗规是从两个角度来评判性能水准的：结构构件和结构整体。为了使结构构件实现抗震性能要求，抗规以承载力控制结构构件，以层间位移控制整体结构，具体描述见表1。
表1结构构件实现抗震性能要求的参考指标示例
性能要求多遇地震设防地震罕遇地震性能1承载力完好,按常规设计完好,承载力按抗震等级调整地震效应的设计值复核基本完好,承载力按不计抗震等级调整地震效应的设计值复核层间位移完好,变形远小于弹性位移限值完好,变形小于弹性位移限值基本完好,变形略大于弹性位移限值性能2承载力完好,按常规设计基本完好,承载力按不计抗震等级调整地震效应的设计值复核轻微损坏—中等破坏,承载力按极限值复核层间位移完好,变形远小于弹性位移限值基本完好,变形略大于弹性位移限值有轻微塑性变形,变形小于2倍弹性位移限值性能3承载力完好,按常规设计轻微损坏,承载力按标准值复核中等破坏,承载力达到极限值后能维持稳定,降低少于5%层间位移完好,变形明显小于弹性位移限值轻微损坏,变形小于2倍弹性位移限值有明显塑性变形,变形约4倍弹性位移限制性能4承载力完好,按常规设计轻微损坏—中等破坏,承载力按极限值复核不严重破坏,承载力达到极限值后基本维持稳定,降低少于10%层间位移完好,变形小于弹性位移限值轻微损坏—中等破坏,变形小于3倍弹性位移限值不严重破坏,变形不大于塑性变形限值的90%
从表1可知，抗规的性能设计侧重于通过提高承载力而推迟结构塑性阶段，以减少塑性变形，在必要时需提高结构的刚度以满足使用功能上的变形要求。
JGJ3-《高层建筑混凝土结构技术规程》[4](以下简称“高规”)将性能目标分为A、B、C、D，性能水准分为1、2、3、4、5，并给出了各性能目标在各地震水平(多遇地震、设防地震、罕遇地震)作用下的性能水准描述。高规要求指定构件类型，包括关键构件、普通竖向构件、耗能构件；其中关键构件是指该构件的失效可能导致结构的连续破坏或危及生命安全的严重破坏的构件；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，且高规给出了各类型构件的承载力验算公式。
与过去的“小震不坏，中震可修，大震不倒”这种单一的性能目标不同，现行规范中性能设计的内容有所改善，不仅有多种性能目标可以选择，而且对各个性能水准的描述也够具体。抗规和高规的主体思想大致相同，对构件的性能水准采用承载力控制并给出了相应的计算公式，对结构整体采用层间位移控制，但是抗规和高规关于性能设计有一些不同点：
1)抗规中的性能目标和性能水准主要针对的对象是结构整体，而高规在这方面主要针对的对象是结构构件。
2)抗规中的承载力公式没有分类，对所有构件采用相同的公式；高规对不同构件提出了不同的性能水准，依据构件的重要程度区分为关键构件、普通竖向构件和耗能构件，并采用了不同的计算式。
3)抗规对于各个性能水准下的层间位移限值给出了明确的数据，而高规没有明确给出层间位移限值。
4)抗规的不同性能水准下的计算公式大致上是以材料的设计值、标准值和极限值来区别的，但是对于构件进入屈服以后还是以承载力来控制，而高规则对构件进入屈服后没有给出相应的验算方法。
两本规范中性能设计的内容比之前有很大的提高，但是存在的最大的问题就是缺乏对于构件屈服以后性能水准的描述。此外，这两本规范主要是针对混凝土结构。
1.2美国规范中的性能设计
本文所说的美国规范指的是FEMA-356[5]和ASCE41-06[6]，它们对性能设计的内容基本相同，并且对结构构件和非结构构件的性能水准及其相对应的性能指标都有描述，这里只讨论结构构件的性能设计。
根据FEMA-356中的描述，结构性能划分为立即使用(ImmediateOccupancy,S-1)，损伤控制范围(DamageControlRange,S-2)，生命安全(LifeSafety,S-3)，有限的安全范围(LimitedSafetyRange,S-4)，防止倒塌(CollapsePrevention,S-5)，不考虑(NotConsidered,S-6)六个性能水平。其中S-1、S-3、S-5、S-6为大部分结构常用的性能水平，而S-2、S-4为有其他要求的用户进行特殊定制的建筑物性能水平范围，并且对立即使用(简称IO)、生命安全(简称LS)和防止倒塌(简称CP)的性能状态有详细的描述。
立即使用：建筑功能在地震中和地震后能够继续保持，因结构损伤对生命安全和财产损失造成威胁的概率非常低，建筑不需要修理便可继续使用。
生命安全：建筑功能在地震中和地震后造成了明显损害，主体结构有较严重破坏但不影响承重。地震时可能会有人员受伤，但总体来说由于结构损坏而对生命安全造成威胁的概率较低，建筑需要修理后方可重新使用。
防止倒塌：建筑功能基本上丧失，主体结构受到了严重的破坏，但不至于倒塌。震后修理难度非常大，或者经济上不允许，不建议继续使用。
FEMA-356指出所有对结构侧向刚度有较大影响的构件，或者在结构侧向变形下仍要承载的构件，都应划分为主要构件和次要构件，并采用图1将构件的效应划分为“力(Q)控制”和“变形(Δ)控制”，分类定义如下。
a-第1类型曲线；b-第2类型曲线；c-第3类型曲线。
图1力-变形曲线的三种类型
1)构件的力-变形曲线满足第1类型曲线：
e≥2g时，主、次要构件均为变形控制；e
2)构件的力-变形曲线满足第2类型曲线：
e≥2g时，主、次要构件均为变形控制；e
3)构件的力-变形曲线满足第3类型曲线：
主、次要构件均为力控制。
此外在ASCE41-06中指出横坐标以屈服变形θy或Δy，极限强度变形θu或Δu，破坏变形θE或ΔE等表示，纵坐标以构件实际受力Q(弯矩、剪力、轴力等)与其相应屈服力Qy的比值表示，可形成标准化的力-变形曲线，如图2所示。
图2标准化力-变形曲线
对于“立即使用”性能水准，主要和次要构件的变形仅可以少量超过屈服变形，并且小于极限强度对应的塑性变形(图3中C点)50%；
对于“生命安全”性能水准，主要构件的变形可以大幅超越屈服变形，但需小于极限强度对应的变形(图3中C点)的75%，次要构件则允许突破强化段，需小于破坏变形(图3中E点)的75%；
对于“防止倒塌”性能水准，主要构件可以达到极限强度但小于破坏变形(图3中E点)的75%，次要构件则允许构件达到其破坏变形(图3中E点)。
图3力-变形曲线表示的结构性能水准
美国规范对于构件的变形性能指标给出了非常详细和完整的数据，方便在设计时参照，尤其是构件屈服后的变形指标尤为重要。
1.3在编广东省《钢结构设计规程》中的性能设计
在编的广东省标准《钢结构设计规程》(以下简称“广钢规”)中的性能设计是在我国的抗规、高规以及美国规范中取长补短中提出的。对钢结构的性能水准判定，借鉴高规的判定方法，力控制的抗震承载力基本上是以高规为准，层间位移角限值以抗规来确定。对于屈服后的构件依据美国规范的主体思想，以变形控制。
与高规一致，在编的广钢规中结构的性能目标分为四个等级分别为A、B、C和D，抗震性能水准分为1、2、3、4、5五个性能水准，对不同性能水准下的构件承载力设计如下(本节中符号意义同JGJ3-《高层建筑混凝土结构技术规程》)。
1)第1性能水准的结构，基本处于弹性状态。关键构件的抗震承载力及其他构件的“承载力控制”效应应符合
c≤Rd/γRE。
2)第2性能水准的结构,基本处于弹性状态。关键构件的抗震承载力应符合
≤Rd/γRE，其他构件“承载力控制”效应的承载力应符合
。
3)第3性能水准的结构，应进行弹塑性分析。关键构件“承载力控制”效应应符合
≤Rd/γRE；关键构件的“变形控制”效应及普通竖向构件、耗能构件“承载力控制”效应的承载力应符合
≤Rk，部分普通竖向构件及耗能构件的变形控制效应可进入屈服阶段。
4)第4性能水准的结构，应进行弹塑性分析。关键构件的“承载力控制”效应的承载力宜符合
≤Rd/γRE，关键构件的“变形控制”效应、普通竖向构件、耗能构件“承载力控制”效应的承载力宜符合
≤Rk、
≤Rk。部分普通竖向构件及耗能构件的变形控制效应进入屈服阶段,允许小部分耗能构件发生比较严重的破坏。
5)第5性能水准的结构，应进行弹塑性分析。在预估的罕遇地震作用下，构件“承载力控制”效应的抗震承载力宜符合
≤Rk。较多的竖向构件进入屈服阶段，允许部分耗能构件发生比较严重的破坏。
除构件承载力设计外，广钢规规定当构件的“变形控制”效应以标准化力-变形曲线表示时，各类型构件的塑性变形限值按表2采用。
表2各性能水准构件塑性变形限值
构件类型不同性能水准下的限值12345普通竖向构件0.25a0.25a0.5a0.75aa耗能构件0.25a0.5a0.75a0.75bb
广钢规对性能设计有很好的阐述，规范中不仅像高规一样将构件分为关键构件、普通竖向构件和耗能构件，而且对这三种不同类型的构件采用不同的控制指标。对未屈服的构件，分为力控制效应承载力和变形控制效应承载力，而对已经进入屈服的构件，也给出了明确的变形值。所以该规范的性能设计对各个性能水准的描述是“双控制”即力控制和变形控制。
2工程案例
某工程结构体系为框架核心筒结构，外围是钢框架，内筒是中心支撑组成的抗侧力体系。结构模型的总高度为155.2m，如图4所示。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第三组，场地类别为III类，丙类建筑，抗震等级为二级，结构重要性系数为1.0。
a-整体模型；b-标准层平面布置。
图4工程结构模型示意
2.1弹性时程分析与反应谱分析
按照抗规的要求，选取3组加速度时程曲线：两组天然波和一组人工波。天然波选取ElCentroSite波和SanFernando波，人工波由软件SIMQKE生成。
弹性时程分析时沿着X和Y向分别输入上述3条地震波，由于地震波有往复性，记录每个楼层层间位移角绝对值最大值，并将弹性时程分析法得到的层间位移角与反应谱法得到的进行对比：在X方向，3条波的层间位移角的最大值分别为1/373、1/413和1/316，最大值1/316比反应谱法的1/338稍大；在Y方向，3条波的层间位移角的最大值分别为1/382、1/436和1/298，最大值1/298比反应谱法的1/284稍小。总之，3条波在X和Y方向的层间位移角均满足抗规在弹性设计中限值1/250的要求。
2.2性能分析
对上述工程进行性能分析，使用广钢规中的方法，采用层间位移角控制结构整体，采用承载力和变形控制结构构件。本工程的高度未超过A级高度且结构较规则；常规设计时，结构的层间位移角较接近规范弹性设计的限值，综合考虑建筑的使用功能要求，选择性能目标D。工程中没有构件定义为关键构件，框架柱为普通竖向构件，框架梁为耗能构件，支撑为普通竖向构件。上节中所选地震波已满足弹性时程的要求，并且地震波的峰值加速度为0.0714g，在设防地震和罕遇地震作用下进行弹塑性时程分析，分别将已选的3条波调幅且调幅后的峰值加速度分别为0.20g和0.408g，下面对结构整体和结构构件分别验算。
2.2.1设防地震和罕遇地震下的层间位移角
对于性能目标D，在设防地震作用下层间位移角不宜大于3倍的弹性位移角限制，在罕遇地震作用下层间位移角要满足弹塑性位移角限值。对于钢结构，设防地震和罕遇地震作用下的层间位移角限值分别为1/84和1/50。
本工程经验算X方向设防地震作用下的最大层间位移角分别为1/94、1/133、1/92，Y方向设防地震作用下的最大层间位移角分别为1/104、1/135、1/95，均小于限值1/84；X方向罕遇地震作用下的最大层间位移角分别为1/59、1/82、1/54，Y方向罕遇地震作用下的最大层间位移角分别为1/55、1/83、1/57，均小于限值1/50。因此，在设防地震和罕遇地震作用下，弹塑性时程分析所得到的层间位移角都满足性能目标D。
2.2.2设防地震和罕遇地震下构件的力控制效应
参考FEMA-356中的TableC2-1中的分类可知，属于力控制效应包括：柱满足P/PCL≥0.5(P、PCL分别为柱轴力、柱轴压强度下限值)时的弯矩、梁和柱的剪力。属于力控制效应时，应确保构件不发生屈服。用MIDASBuilding判断构件的力控制效应，并以是否出现塑性铰作为依据，屈服后此处不再进行分析，在MIDASBuilding中采用标准双折线滞回模型。在设防地震和罕遇地震作用下，剪力铰都没有出现，轴力铰和弯矩铰的出铰情况分别如图5和图6所示。
a-支撑轴力铰；b-柱弯矩铰。
图5设防地震作用下铰分布
a-支撑轴力铰；b-柱弯矩铰。
图6罕遇地震作用下铰分布
柱的轴力属于力控制，在设防地震和罕遇地震作用下没有轴力铰出现，只有属于变形控制的支撑出现了轴力铰，并且罕遇地震作用下塑性铰的数量较多。柱满足P/PCL≥0.5的情况一般发生在底部，且未出现塑性铰。可得，结构力控制效应都满足要求。
2.2.3设防地震和罕遇地震下构件的变形控制效应
在设防地震作用下，部分普通构件及耗能构件的变形控制效应进入屈服阶段，普通竖向构件的塑性变形小于图2中C点对应塑性变形的75%，耗能构件的塑性变形小于图2中E点对应塑性变形的75%。在罕遇地震作用下，普通竖向构件的塑性变形小于图2中C点对应的塑性变形，耗能构件的塑性变形小于图2中E点对应的塑性变形。
本工程所有的梁都满足
和
(式中：bf、tf、h、tw分别为翼缘宽度、厚度、截面高度、腹板厚度；Fye为钢材屈服强度平均值)的要求，根据FEMATable5-6，a、b和c分别为9θy、11θy和0.6。因此，在设防地震作用下，梁的塑性变形限值为8.25θy；在罕遇地震作用下，梁的塑性变形限值为11θy。
工字型支撑应对其拉、压的情况分别考虑，受压和受拉时的参数a、b、c分别为0.5ΔC、8ΔC、0.2和11ΔT、14ΔT、0.8。因此，在设防地震作用下，支撑受压的塑性变形限值为0.375ΔC，受拉的塑性变形限值为8.25ΔT；罕遇地震作用下，支撑受压的塑性变形限值为0.5ΔC，受拉的塑性变形限值为11ΔT(ΔC、ΔT分别为支撑受压、受拉屈服变形值)。
梁的最大变形如图7a,图7b所示，最大的变形不是所有梁构件都达到而是极少数部分所达到的变形，梁的最大塑性变形分别为1.5θy和4.25θy。在设防地震作用下，支撑受拉未到达屈服但接近屈服，支撑受压达到了屈曲变形但是超过的不多，如图7c,图7d所示。罕遇地震作用下，支撑受拉的最大塑性变形为1.76ΔT，支撑受压的最大塑性变形为2.45ΔC，如图7e,图7f所示。
本工程选择的是性能目标D，多遇地震作用下满足规范要求，设防地震和罕遇地震作用下，从整体层间位移角指标和构件变形指标来评判结构的性能。整体指标为层间位移角，均满足不同地震水准下的要求。在构件层面，对所有属于力控制的效应也都满足要求，但属于变形控制效应的部分支撑，在罕遇地震作用下受压变形超过了相应的性能指标，并且有极少数的支撑破坏的较严重，不满足要求。通过本工程可以发现，满足规范弹性设计要求不一定能全部满足性能目标D，即性能目标D比常规设计要求稍严。
a-设防地震下梁的最大变形；b-罕遇地震下梁的最大变形；c-设防地震下支撑最大拉伸变形；
d-罕遇地震下支撑最大拉伸变形；e-设防地震下支撑最大受压变形；f-罕遇地震下支撑最大受压变形。
图7地震作用下构件变形
3结语与展望
1)我国抗规和高规关于性能设计各有特点与不足，美国FEMA-356中对钢构件有一套完整的性能指标。在编的广东省《钢结构设计规程》是在国内外规范的基础上编制的，对构件进入屈服以后，采用变形控制并给出了详细的变形限值。
2)满足规范弹性设计要求的工程，性能分析时不一定满足广东省《钢结构设计规程》中的性能目标D。中心支撑在地震作用下，拉杆屈服前，压杆可能已经达到了临界荷载，并且压杆的变形是在拉杆进入塑性状态的同时突然加快的。
3)钢结构基于性能的抗震设计是一项前沿而复杂的课题，尤其对构件进入屈服后变形的性能指标还未研究，目前进行性能设计时构件变形控制多是采用美国规范中的性能指标，FEMA-356中性能指标是否适用于我国实际工程，有待后续研究。
参考文献
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