[分享]性能抗震设计的四种计算方法和两种目标论证
今天大家探讨一下性能抗震设计中的一些分析方法以及这些方法在性能目标论证中的合理应用和协调性。主要涉及对现行规范关于性能设计相关规定的一些理解。
这里还有规范讲解和震害案例分析：多层及高层建筑结构抗震设计及工程应用（中级）
总体上讲，现行的《建筑抗震设计规范》GB50011-2010和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010，对于性能抗震设计有比较完整的体系，包括目标制定、设计手段、目标验证等。两本规范在定量化的性能设计方面基本一致，主要从承载力设计和变形验算两个方面进行量化规定和目标验证，其中承载力设计主要基于构件层面，变形验算则以整体结构的层间位移角为主，构件的塑性转角、塑性应变等层面并未明确规定。不同类别构件根据制定的性能目标给出了明确的承载力设计验算公式，成为实际设计中的重点内容。将《高规》3.11.3进行梳理，形成如下设计验算表格：
表1 不同性能水准设计与验算方法汇总
在上述表1中针对不同的性能水准和目标，规范规定了需要采用的计算分析方法，总共有3种方法，弹性分析方法、弹塑性分析方法和等效弹性分析方法。前两种方法意义明确，本文不再赘述。等效弹性分析方法在《高规》3.11.3条文说明中有表述：为方便设计，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，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0.03）。由该表述看出，等效弹性分析方法实质上是考虑阻尼增加以及连梁刚度折减系数后进行弹性分析。下面对采用3种分析方法进行设计和验证的逻辑关系进行分析。
（1）弹性分析
采用弹性分析的内力组合进行构件截面设计和配筋，是常规设计通常采用的方法（尽管这种分析方法和基于承载能力极限状态的截面设计并不协调，这里不再单独展开讨论），对这种设计结果再次采用弹性分析手段进行目标验证是没有必要的，但可以采用弹塑性分析方法考察结构是否发生破坏。
（2）弹塑性分析
弹塑性分析手段主要用来考察结构的破坏机制、破坏程度、薄弱环节以及塑性变形程度。根据弹塑性分析的内力结果进行截面设计和配筋在逻辑上是不通的，关于这一点，之前推送的文章《弹塑性分析的内力结果你用对了吗？》有详细论述。既然不能用于配筋，那么根据已有的截面和配筋设计结果进行承载力验算行吗？个人觉得也是不行的，弹塑性分析中材料强度无论采用的是设计值还是标准值或者极限值，其承载能力在理论上都是确定的，而弹塑性分析的内力是一种受限于本构关系的响应结果，只会比这个承载力小，而不可能超越这个数值，因此进行前述6个公式的验证也没有意义的。
（3）等效弹性分析
这种方法实际上是目前性能设计中构件承载力设计与验算最常用的方法。弹性分析会高估构件的内力，导致设计浪费，而弹塑性分析的内力又不能用于配筋设计，在这种情况下采用等效弹性分析不失为一种“不得不”的手段，尽管方法有些粗糙。该方法的近似性或误差主要存在于两个方面，一是阻尼比的增加程度和连梁折减系数大小估计不准（不同连梁的折减程度及分布规律也是不同的），二是内力重分布的机制不能合理模拟，这将导致一些重要构件的内力可能不准确，并且偏于保守还是偏于危险也无法估计。实际操作中为了弥补等效弹性分析方法的不足，有时也会对该方法的设计结果再次进行弹塑性分析，得到总地震力，将此与弹性结果进行比较，对大震弹性结果进行折减，再次根据折减后的大震弹性结果进行配筋复核。
由以上分析讨论可看出，当前规范中基于性能的抗震设计，主要运用三种计算分析手段，从承载力和两变形个方面对性能目标进行验证。构件承载力设计验算主要通过弹性分析和等效弹性分析，弹塑性分析手段主要用来验算破坏模式、程度以及变形。
表2 不同设计控制方法对应的震后预期性能状况
由于以上3种分析方法各自的特点和不足，通过结合不同方法的特点，目前已经发展出第4种方法，即部分弹塑性分析方法，该方法的主要思路是将一部分特定的构件指定为理想弹性，比如外框巨柱、悬挑桁架或转换桁架中的关键构件等，而其它多数构件设定为非线性，进行部分弹塑性分析，得到预先指定为弹性构件的组合内力结果，根据该结果进行截面和配筋设计。这种方法的优点是可以较为准确合理模拟构件内力重分配、总体刚度退化带来的总体地震力降低程度以及等效阻尼的提高程度，同时可以得到一些关键构件用于设计配筋的内力。该方法用于算例的验证可参考文献《基于“伪弹塑性”分析的双重抗震防线设计方法》（建筑结构 2015.12（上））。
小结
对今天的讨论做如下总结：
（1）我国现行规范提供了性能抗震设计较为完整的技术体系框架，但在具体操作方面仍存在一些模糊的方面，导致在设计中依据的逻辑关系不是很顺畅。
（2）现行规范在性能目标定量化验证中主要包括构件的承载能力和整体结构的变形两个方面。
（3）规范提供了弹性分析、弹塑性分析和等效弹性分析三种计算分析手段，由于各自特点，这些手段在用于构件承载能力设计和验算方面尚存在一些不完善的方面。
（4）目前发展的第四种分析方法（部分弹塑性分析法）可对原有三种方法进行补充，四种方法结合协同使用，发挥各自的优点，有助于性能抗震设计的结果更为科学。
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