第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 高层建筑钢结构基于性能的抗震设计研究 蔡辉1徐其功12李争鹏3 （1.广州市住宅建筑设计院，广东广州51000；2.广东省建筑科学研究院，广东广州510502： 3.华南理工大学土木与交通学院，广东广州510640） 提要：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： 引出在编广东省标准《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 Midas-Building和Perform-3D判断满足常规设计的结构在中震和大震作用下是否满足相应的性能水准要求.
关键词：钢结构：性能设计：Perform-3D：性能水准 1前言 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不同的几 种的组合.
文献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.
2各规范关于性能设计的描述 2.1抗震规范与高层规范中的性能设计 《建筑抗震设计规范》GB50011-20102（以下简称抗规）将性能水准分为五个等级：基本完好（含 完好）、轻微损坏、中等破坏、严重破坏和倒塌.
性能目标分为四个等级：性能1、性能2、性能3和性 能4.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：局部构件和结构整体.
为了使结构构件实现抗震性能要求，抗规以承载力控制局部构件，以层 间位移控制整体结构，抗规的性能设计侧重于通过提高承载能力而推迟结构塑性阶段，以减少塑性变形， 在必要的时候提高结构的刚度以满足使用功能上的变形要求.
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-201031（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动（小震、中震、大震）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、大跨度结构和水平长悬臂构 架中的关键构件.
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， 且高规对各个类型的构件给出了相应的计算公式.
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，现行规范对性能设计的内 容比之前有所改善，不仅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来控制并给出了相应的计算公式，对结构整体采用的 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： 作者箕介：蔡絮（1989一），男，土木工程硕土，助理工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 （1)抗规中的性能目标和性能水准主要针对对象是结构整体，而高规在这方面主要的针对对象是结构 构件.
（2）抗规中的承载力公式没有分类，对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分成关键构件，普通竖向构件和耗能构件等.
（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，而高规对层间位移限值并没有详细 给出.
（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相应的验算方法.
两本规范对于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对于构件屈服以后 性能水准的描述.
此外，这两本规范最主要是针对混凝土结构.
1.2美国规范中的性能设计 本文所说的关国规范指的是FEMA3564和ASCE41-06，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FEMA356中的描述，结构性能划分为立即使用（ImmediateOccupancy S-1），损伤控制范围 （Damage Control Range.S-2），生命安全（Life Safety S-3），有限的安全范围（Limited Safety Range S- 4)，防止倒塌（Collapse Prevention S-5），不考虑（Not Considered 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，结构没有发生损害或者发生轻微的损害.
因 结构损伤对结构对于人的生命安全和财产损失造成威胁的概率非常低，不需要修理建筑便可继续使用.
生命安全：建筑功能在地震中和地震后造成了明显损害，主体结构有较重破坏但不影响承重.
地震 时可能会造成人员的受伤，但总的来说由于结构损坏而对人员生命安全造成威胁的概率较低.
建筑需要 重新使用，必须要重新修理.
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.
of 2 of 2 3 of Qy 1 2 3 d e 9 第1型曲线 第2型由线 第3型由线 图1力一变形曲线的三种类型 （1)构件的力-变形曲线满足第1型曲线： (2）构件的力-变形曲线满足第2型曲线： e≥2g一主、次要构件均为变形控制： e<2g一主、次要构件均为力控制； (3）构件的力-变形曲线满足第3型曲线： 第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 主、次要构件均为力控制. 此外在ASCE41-06中指出，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要承受 或，可用标准化的力-变形曲线表达，如图2所示. Q 1o LS 1.0 c D 4 =0 0或△ 变形成变形比 图2标准化力-变形曲线 图3力-变形曲线表示的结构性能水准 对于“立即使用”性能水准，要求主要和次要构件的变形仅可以少量超过屈服变形或者发生可见的 破坏，并且小于极限强度对应的塑性变形（图3中C点）的0.5倍. 对于“生命安全”性能水准，要求主要构件的变形可以大幅超越屈服变形，但需小于0.75倍极限强 度对应的变形（图3中C点），次要构件则允许突破强化段，需小于0.75倍破坏变形（图3中E点）. 对于“防止倒塌”性能水准，要求主要构件可以达到极限强度但小于0.75倍破坏变形（图3中E 点），次要构件则允许构件达到其破坏变形（图3中E点）. 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成立的. 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，层间位移角限制是以抗规来确定. 对于进入屈服的构件是以变形来控制，主要的 依据是关国规范的主体思想. 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，各个性能目标都对应着一组指定的结构抗震性能水准. 对不同性能水 准下的结构设计如下所示： （1)第1性能水准的结构，应满足弹性设计要求，满足弹性层间位移角的限值. 在多遇地震作用下， 按常规设计，其承载力和变形应符合本规范的有关规定：在设防烈度地震作用下，结构的抗震承载力应 满足S≤R1E （2)第2性能水准的结构，基本处于弹性状态，层间位移角可略大于弹性位移限值，耗能构件的变形可 少量的超过弹性变形. 在设防烈度地震或预估的罕遇地震作用下，关键构件、普通竖向构件的抗震承载 力及耗能构件的力控制效应的承载力宜满足ySgYaSY≤R/7：耗能构件变形控制时 承载力应满足SS0.4S≤R (3)第3性能水准的结构应进行弹塑性分析，层间位移角不大于2倍弹性位移限值. 在设防烈度地震 或预估的罕遇地震作用下，关键构件力控制效应的承载力应满足ySYYE≤R/7kE； 关键构件的变形控制效应的承载力以及普通竖向构件、耗能构件的力控制效应时的承载力应满足式 SS0.4S≤R、Sa0.4SS≤R. 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，普通竖向构件的塑性变形小于最大强度对应的塑性变形（图2中C点）的0.5倍. 耗能构件 的塑性变形小于最大强度对应的塑性变形（图2中C点）的0.75倍. 第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 （4）第4性能水准的结构应进行弹塑性分析，在设防烈度地震作用下层间位移角不大于3倍弹性位移 限值（性能目标D），在罕遇地震作用下层间位移角不大于4倍弹性位移限值（性能目标C）. 设防烈度 地震或预估罕遇地震作用下，关键构件力控制效应承载力应满足ySg7BY≤R/YnE，关 键构件变形控制效应、普通竖向构件、耗能构件力控制效应承载力应满足SS0.4S≤R、 S0.4SS≤R. 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，普通竖向构件 的塑性变形小于最大强度对应的塑性变形（图2中C点）的0.75倍. 小部分耗能构件允许出现较为严重 的破坏，塑性变形小于最大塑性变形（图2中E点）的0.75倍. （5)第5性能水准的结构应进行弹塑性分析，层间位移角满足弹塑性位移限值. 在预估的罕遇地震作 用下，构件的力控制效应的抗震承载力宜满足式SS0.4S≤R、S0.4SS≤R. 较 多的竖向构件进入屈服阶段，塑性变形应不大于最大强度对应的塑性变形（图2中C点）：允许部分耗 能构件发生比较严重的破坏，塑性变形应小于最大塑性变形（图2中E点）. 广钢规对钢结构的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，而且分别对这三种不同的类型的构件用不同的控制指标. 对未屈服的构件，分为力控 制效应的承载力和变形控制效应的承载力，而对已经进入屈服的构件，也给出了明确的变形值. 所以这 本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. 3工程案例 本工程结构体系为框架核心筒，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8度，设计基本地震加速度0.20g，设计地震分组第三组， 场地类别111，丙类建筑，结构重要性系数为1.0. 图4工程结构模型示意图 3.1弹性时程分析与反应谱分析 按照抗规，选取三组加速度时程曲线一一两组天然波和一组人工波. 天然波选取EICentroSite波 （简称EI-cent波）和SanFernando波（简称Sanfer波），人工波是由软件SIMQKE生成. 图5是将三条波在 本工程对应的多遇地震作用下未调幅的时程数据，三条地震波与反应谱影响系数的对比如图6及表2所示. 112 - (a) EI-cent 波 (b)Sanfer 波 第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 0.35 03 设计谱 ..-El cent . sanfer波 人工波 0.05 2周碘(秒) 6 （c）人工波 图6三条地震波与反应谱影响系数的对比 图5三条地震波 表1结构主要振型周期点上的地震影响系数误差 阵型 影响系数误差（%） EI-cent 波 Sanfer 波 人工波 平均 1 12.6 48. 3 17.1 14.6 2 0.9 37.2 22.0 4. 6 3 11.5 28. 4 9.2 8. 7 由上可以发现，在结构主要振型的周期点上，这三组地震波地震影响系数的平均值与振型分解反应 谱相差不大于20%，满足规范在选择地震波关于影响系数方面要求. 在主要的结构计算方向上，由多组地震波计算的结构基底剪力平均值不应小于振型分解反应谱法计 算结构的80%，同时多组地震波的平均值也不应大于120%. 此外，每条地震波的计算结果不应小于65%也 不应大于135%. 由表2知，基底剪力也满足要求. 表2基底剪力的对比（单位：kN） 方向 反应谱 EI-cent 波 Sanfer波 人工波 平均 x 6159.5 5310.1 86.2% 5613. 1 91. 1% 6039. 9 98.1% 5654.4 91.8% Y 5910. 4 6079. 0 102. 9% 5323.0 90. 1% 5480.7 92. 7% 5627.6 95. 2% 弹性时程分析时输入上述三条地震波，沿着X和Y向分别输入，由于地震波有往复性，把每个楼层层 间位移角绝对值最大值记录起来，最后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，三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，三条波的层间位移角的最大值跟别为1/382、1/436和1/298，最大值1/298比反应谱法的 1/284稍小. 总之，三条波在X和Y方向的层间位移角均满足规范在弹性设计中限值1/250的要求. 3.2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整体，采用承载力和变形控制 局部构件. 对本工程，高度未超过A级高度以及结构较规则：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，在中震和大震做弹塑性时程分析，分别将已选的三条波调 幅且调幅后的峰值加速度分别为0.20g和0.408g，下面将对结构整体和局部构件分别验算. 对于性能目标D，在中震作用下层间位移角不宜大于3倍的弹性位移角限制，在大震作用下层间位移 角要满足弹塑性位移角限值. 对于钢结构中震和大震的层间位移角限值分别为1/84和1/50. 本工程经验算X方向中震地震波中的最大层间位移角分别为1/94、1/133、1/92，Y方向中震地震波 中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方向大震地震波中的最大层间位 移角分别为1/59、1/82、1/54，Y方向大震地震波中的最大层间位移角分别为1/55、1/83、1/57，均小
