附录D 结构抗震性能设计

D.0.1 结构抗震性能设计应分析结构方案的特殊性、选用适宜的结构抗震性能目标，并采取满足预期的抗震性能目标的措施。
    结构抗震性能目标应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各项因素选定。结构抗震性能目标分为A、B、C、D四个等级，结构抗震性能分为1、2、3、4、5五个水准(表D.0.1)，每个性能目标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相对应。

表D.0.1 结构抗震性能目标

D.0.2 结构抗震性能目标的选用与抗震措施的选取
    当前我国的抗震设计采用基于承载力和刚度的设计方法，基于多遇地震水平下的设计内力，按照承载能力极限状态设计方法确定构件的配筋，通过抗震措施要求实现预期的结构破坏形态并确保结构构件具有预期的延性，对重要的结构验算结构的弹塑性层间位移角来保证设计罕遇地震作用下的安全。
    不同于传统的基于承载力抗震设计方法，性能化抗震设计方法使结构在不同重现期的地震作用下，达到不同的预定性能水平，从而实现结构的设计性能目标。性能化设计方法(Performance-based Design Method)自从上世纪九十年代初提出至今已经二十多年，美国ATC40与FEMA273等文件中最早系统地介绍结构构件实现抗震性能化目标的具体抗震设计方法与要求。
    在总结我国多年来对结构抗震性能研究、破坏性地震的建筑灾害调查以及超限结构抗震审查工作成果的基础上，我国《高层建筑混凝土结构设计规程》JGJ 3-2010中明确提出结构抗震性能化设计目标，设计要求与具体计算方法与参数取值建议。
    规范将结构的抗震性能水准划分为5个性能水准，分别用1、2、3、4、5级表示，对应将结构的抗震性能目标划分为四种：A、B、C、D四级抗震设计的结构。四级抗震性能目标与《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010提出结构抗震性能1、2、3、4是一致的。地震地面运动一般分为三个水准，即多遇地震(小震)、设防烈度地震(中震)及预估的罕遇地震(大震)。在设定的地震地面运动下，与四级抗震性能目标对应的结构抗震性能水准的判别准则详见《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第3.11.2条作出的规定。
    A、B、C、D四级性能目标的结构，在小震作用下均应满足第1抗震性能水准，即满足弹性设计要求；在中震或大震作用下，四种性能目标所要求的结构抗震性能水准有较大的区别。A级性能目标是最高等级，中震作用下要求结构达到第1抗震性能水准，大震作用下要求结构达到第2抗震性能水准，即结构仍处于基本弹性状态；B级性能目标，要求结构在中震作用下满足第2抗震性能水准，大震作用下满足第3抗震性能水准，结构仅有轻度损坏；C级性能目标，要求结构在中震作用下满足第3抗震性能水准，大震作用下满足第4抗震性能水准，结构中度损坏；D级性能目标是最低等级，要求结构在中震作用下满足第4抗震性能水准，大震作用下满足第5性能水准，结构有比较严重的损坏，但不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。
    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，尤其是对于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本规程适用范围很多时，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。性能目标选用时，一般需征求有关专家的意见。
    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，必要的试验验证，分析论证结构可达到预期的抗震性能目标。一般需要进行如下工作：
    1 分析确定结构超过规范、规程及法规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(静力分析及时程分析)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，提出有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，补充提供论证依据，例如对未列入的新型结构方案又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；
    6 论证结构能满足所选用的抗震性能目标的要求。

D.0.3 结构抗震性能水准可按表D.0.3进行宏观判别。

表D.0.3 各性能水准结构预期的震后性能状况

    注：“关键构件”是指该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；“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。

D.0.4 结构抗震性能水准
    1990建抗字第377号文件中将建筑地震的破坏等级划分为5级，“完好，基本完好”、“轻微损伤”、“中等破坏”、“严重破坏”和“倒塌”。对应的破坏描述与继续使用的可能性如表D.0.4所示。

表D.0.4 建筑地震的破坏等级划分(1990建抗字第377号文件)

    注：个别指5％以下的构件；部分指30％以下的构件；多数指大于50％的构件。
    这个划分方法主要用于地震后建筑的安全评估，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010参考了原来的划分原则，但将原来的第一类“完好，基本完好”分为两类“完好、无损坏”(水准1)与“基本完好、轻微损坏”(水准2)两类，原来的“轻微损伤”定义为“轻度损坏”(水准3)，对“中等破坏”定义为“中度损坏”(水准4)，“严重破坏”定义为“比较严重损坏”(水准5)。针对损坏构件的功能与重要性提出增加了具体的性能目标，其中“关键构件”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、大跨连体结构的连接体及与其相连的的竖向支承构件、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。对震后修复或加固后可否继续使用也明确提出说明，由于为设计的预期震后性能状况，所以，要求比原来的评估严格，取消了原来的“倒塌”等级。

D.0.5 不同抗震性能水准的结构可按下列规定进行设计：
    1 第1性能水准的结构，应满足弹性设计要求。在多遇地震作用下，其承载力和变形应符合的有关规定；在设防烈度地震作用下，结构构件的抗震承载力应符合下式规定：

式中：R_d、γ_RE——分别为构件承载力设计值和承载力抗震调整系数，详见《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第3.8.1条；
         S_GE、γ_G、γ_Eh、γ_Ev——见《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第5.6.3条；
         S^*_Ehk——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；
         S^*_Evk——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。
    第—类性能水准的结构，等同于“小震弹性，中震弹性不屈服”的目标，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(D.0.5-1)，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(S^*_Ehk、S^*_Evk)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，在设防烈度地震或预估的罕遇地震作用下，关键构件及普通竖向构件的抗震承载力宜符合式(D.0.5-1)的规定；耗能构件的受剪承载力宜符合式(D.0.5-1)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：
    第2性能水准的结构，关键构件及普通竖向构件等同于“小震弹性，中震不屈服”的目标，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(D.0.5-1)，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(S^*_Ehk、S^*_Evk)计算中不需要乘以与抗震等级有关的增大系数。
    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承载力只需要满足式(D.0.5-2)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作用的组合工况，式(D.0.5-2)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性能水准的结构应进行弹塑性计算分析。在设防烈度地震或预估的罕遇地震作用下，关键构件及普通竖向构件的正截面承载力应符合式(D.0.5-2)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(D.0.5-3)的规定，其受剪承载力宜符合式(D.0.5-1)的规定；部分耗能构件进入屈服阶段，但其受剪承载力应符合式(D.0.5-2)的规定。在预估的罕遇地震作用下，结构薄弱部位的层间位移角应满足JGJ 3-2010第3.7.5条的规定。

       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进入屈服阶段，竖向构件及关键构件正截面承载力应满足式(D.0.5-2)“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(D.0.5-2)及式(D.0.5-3)的要求。式(D.0.5-3)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，水平地震作用分项系数γ_Eh取0.4。这些构件的受剪承载力宜符合式(D.0.5-1)的要求。整体结构进入弹塑性状态，应进行弹塑性分析。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(S_GE、S^*_Ehk、S^*_Evk)，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末屈服。
    4 第4性能水准的结构应进行弹塑性计算分析。在设防烈度或预估的罕遇地震作用下，关键构件的抗震承载力应符合式(D.0.5-2)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(D.0.5-3)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(D.0.5-4)的规定，钢-混凝土组合剪力墙的受剪截面应符合式(D.0.5-5)的规定。在预估的罕遇地震作用下，结构薄弱部位的层间位移角应符合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)；
         V^*_Ek——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_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——剪力墙墙内钢板的强度标准值(N/mm²)；
         A^*_sp——剪力墙墙内钢板的横截面面积(mm²)。
    第4性能水准结构，关键构件抗震承载力应满足式(D.0.5-2)“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需要同时满足式(D.0.5-2)及式(D.0.5-3)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，但构件的受剪截面应满足截面限制条件，这是防止构件不发生脆性受剪破坏的最低要求。式(D.0.5-4)和(D.0.5-5)中，V_GE、V^*_Ek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、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计。
    5 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(D.0.5-2)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(D.0.5-4)或(D.0.5-5)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JGJ 3-2010第3.7.5条的规定。
    第5性能水准结构与第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，即大震不屈服的要求，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％。

D.0.6 当需要按地震残余变形确定使用性能时，结构构件除满足提高抗震安全性的性能要求外，不同性能要求的层间位移参考指标，可按表D.0.6的示例选用：

表D.0.6 结构构件实现抗震性能要求的层间位移参考指标示例

    注：设防烈度和罕遇地震下的变形计算，应考虑重力二阶效应，可扣除整体弯曲变形。
    计算时需要注意地震作用计算时阻尼比的影响，对于设防地震或罕遇地震，由于结构可能发生一定的损伤，结构的整体阻尼比会有所增大，采用弹性振型分解反应谱法计算地震作用时，除考虑场地卓越周期的变化外，可以适当考虑阻尼比增加后的情况。

D.0.7 结构的竖向构件在不同破坏状态下层间位移角的参考控制目标，若依据实验结果并扣除整体转动影响，墙体的控制值要远小于框架柱。从工程应用的角度，参照常规设计时各楼层最大层间位移角的限值，若干结构类型变形最大的楼层中竖向构件最大位移角限值如表D.0.7所示：

表D.0.7 结构竖向构件对应于不同破坏形态的最大层间位移角参考控制目标

    上述表中，对完好状态下的最大层间位移角限值与现行《建筑抗震设计规范》5.5.1条的要求保持一致。由于正常设计的绝大多数结构，其在设计水平地震作用下的层间位移多小于最大层间位移角限值，考虑到荷载与作用效应分项系数与钢筋与混凝土材料强度分项调整系数，结构构件的实际承载力是其设计承载力的1.5～2.5倍。基于材料理想弹塑性假定，即当外荷载或作用增加50％～150％时，结构理论上仍然处于弹性，位移对应增加50％～150％，平均约增加100％，即其最大层间位移角为完好状态弹性最大层间位移角的两倍，定义此状态为轻微损坏状态。
    中等破坏对应的变形限值定义为轻微损坏状态下最大层间位移角限值的两倍，主要估计对应设计中震水平的地震作用约为设计多遇地震水平地震作用的三倍左右，荷载或作用增加1倍左右后为轻微损坏状态，再增加100％时，结构刚度有所降低，但整体结构的刚度降低有限，对应位移约增加100％左右。
    对不严重破坏要求结构的最大层间位移角限值，比现行《建筑抗震设计规范》5.5.5中的结构薄弱层(部位)在设计罕遇地震作用下的最大弹塑性层间位移角限值略小，保证前期工作的轻微损坏状态。

D.0.8 结构构件细部构造对应于不同性能要求的抗震等级，可按表D.0.8的示例选用；结构中同一部位的不同构件，可区分竖向构件和水平构件，按各自最低的性能要求所对应的抗震构造等级选用：

表D.0.8 结构构件对应于不同性能要求的构造抗震等级示例

D.0.9 结构弹塑性计算分析除应符合JGJ 3-2010第5.5.1条的规定外，尚应符合下列规定：
    1 高度不超过150m的高层建筑可采用静力弹塑性分析方法；高度超过200m时，应采用弹塑性时程分析法；高度在150m～200m之间，可视结构不规则程度选择静力弹塑性方法或弹塑性时程分析方法。高度超过300m的结构，应有两个独立的计算，进行校核。
    2 复杂结构应进行施工模拟分析，应以施工全过程完成后的内力为初始状态。
    3 弹塑性时程分析宜采用双向或三向地震输入。

D.0.10 不同弹塑性分析计算方法的选择
    由于在不同设计地震作用下，结构中个别构件或部分构件可能进入弹塑性工作阶段，所以，分析过程中必须考虑材料与结构构件进入弹塑性工作状态这一基本特征。能正确再现结构构件进入弹塑性状态后结构的性能，结构弹塑性分析计算是实现结构抗震性能设计的非常重要的手段之一。
    目前，结构的弹塑性分析包括静力弹塑性分析方法和弹塑性时程分析法两种。静力弹塑性分析方法又叫PUSHOVER方法，其基本思路是首先计算结构在竖向荷载作用下的内力，高度较大或体型复杂的结构需要考虑实际建设施工顺序的影响，将实际竖向荷载分阶段施加在计算模型上，考虑施工顺序的影响。然后，在计算结构上施加沿高度按某种模式分布的模拟水平地震作用，保持水平地震作用沿高度的分布模型不变，逐渐增加总水平作用的大小，计算结构的内力与变形，得到结构从弹性阶段到进入屈服后弹塑性阶段的变化过程，当计算结构的顶点水平位移或总基底剪力达到预设的位移目标或剪力目标或结构形成机构等条件时计算结束。整个模拟过程类似于给计算结构施加水平推力，将计算结构“推倒”，从而获得结构基本能力曲线以及塑性发生位置以及塑性发展顺序，结构的破坏模式等。
    水平地震作用沿结构高度的分布模式目前没有统一规定，一般有倒三角分布模式、均匀分布模式、基于振型分解反应谱法组合结果的分布模式、基于结构振动模态的分布模式(MPA)，最近有国内外学者研究基于结构实际抗侧刚度的振型分解反应谱法组合结果的分布模式等。大部分PUSHOVER计算采用倒三角分布模式或基于振型分解反应谱法组合结果的分布模式，并在计算过程中保持不变。
    在获得结构整体的基底剪力——顶点位移关系曲线后，一般采用能力谱法(Capacity Spectrum Method)、直接基于位移的方法(Top Displacement Method)或保证延性的方法等不同的方法来评估不同设计地震作用下结构的位移响应与塑性发展状态，其中能力谱法是目前比较成熟、被普遍采用的评估方法。能力谱方法评估结构的抗震性能的基本过程包括如下几个步骤：
    首先按照承载力设计方法完成结构的抗震设计，然后进行静力弹塑性分析(推覆分析)，获得结构的基底剪力——顶点位移关系等能力曲线，然后将能力曲线转换为能力谱曲线，对于比较规则、第一振型为主的结构，按照第一振型的关系将基底剪力——顶点位移关系曲线转换为谱加速度——谱位移关系曲线。这也是这种方法适用范围的决定性因素，JGJ 3-2010规程中，建议对高度不超过150m或200m但非特别不规则的结构的高层建筑可采用静力弹塑性分析方法。
    弹塑性时程分析法则直接计算结构在指定地震激励下的弹塑性动力响应，与静力弹塑性方法相比，动力方法直接计算结构在模拟地震动力作用下的弹塑性动力响应，直接模拟结构的刚度、质量、阻尼等参数的变化以及结构构件发生屈服后动力响应的变化，不受静力弹塑性分析计算中对结构规则性的要求，所以，其计算结构的高度范围与规则性没有规定，理论上弹塑性时程分析法适用于任意高度的建筑抗震设计。但是，由于弹塑性时程分析法要求设计人员对弹塑性性能与动力计算、结果判定等方面有一定的基础知识，而且其计算周期较长，目前对超过150m特别超过200m的房屋要求采用弹塑性时程分析法计算。对高度超过300m的结构，为使弹塑性时程分析计算结果有较大的把握，要求采用两个独立的、不同力学模型的程序分别计算，对计算结果进行比对校核。
    影响弹塑性时程分析结果的因素较多，一个是输入地震记录的数量与选取问题。我国目前没有统一地制定地震记录供设计人员采用，设计人员可以采用不同的天然地震加速度记录，也可采用人工合成的地震记录，一般需要计算一组三条地震记录作用下动力响应或7条地震计录的动力响应。建议对不足7条时动力计算结果取动力响应的包络值，超过7条地震记录时选取动力响应结果的平均值。二时选取地震加速度记录时要考虑设计地震分组以及地基场地特征，要求选取的地震加速度记录的反应谱曲线统计特征与设计场地的加速度反应谱曲线基本吻合，加速度最大峰值调整到设计加速度峰值水平。而且输入加速度记录的持时不能太短，有专家建议持时不少于5倍结构的第一周期，保证结构能够完成基本周期下完整的动力响应，防止持时太短导致结构的动力响应尚未完成就停止计算而导致的误判情况。
    结构采用一维还是双向或三维输入规程没有明确规定。从对规则结构模型单维、双维与三维振动台模型动力响应量测结果看，规则结构多维激励下的动力响应可以近似按照双维或三维分别激励下的结果合成，但是，考虑到结构的附加偏心，结构屈服发生的不对称性能因素，建议弹塑性时程分析宜采用双向地震输入；对竖向地震作用比较敏感的结构，如连体结构、大跨度转换结构、长悬臂结构、高度超过300m的结构等，宜采用三向地震直接输入。双维或三维输入时，可以选用同一条地震记录按照要求在两个方向分别调整加速度峰值后同时输入，也可利用双维或三维实际记录，按照要求按比例调整各向的峰值加速度记录或只让主方向峰值加速度峰值满足规范的要求，另外的方向按照系统比例调整其加速度峰值，不必完全满足1：0.85：0.65的要求。
    从以往的大量计算经验看，由于不同地震记录反应的能量分布不同，虽然最大峰值加速度相同，但是，结构的动力响应，包括基底剪力、顶点位移或层间位移可能相差几倍甚至几十倍，同一个结构在不同模拟地震加速度激励下动力响应的相差显著是困扰这种方法应用的一个主要因素，如何合理选波是弹塑性时程分析方法应用中的最大难点之一。另外，如何评价动力计算结果，也是弹塑性时程分析方法应用中的另一个问题。大量输出数据中如何判定结构可能的动力响应大小，如何确定其合理的取值，从而为工程抗震设计提供改进意见与建议，准确找到结构中可能的薄弱环节，从而改进结构的抗震设计也是目前的一个难点之一。相比，静力弹塑性方法计算软件设计人员比较容易掌握，对计算结果的工程判断也容易一些，所以，规程适当放宽了静力弹塑性方法的适用高度。