基于抗震性能的设计理念
张利军
抗震性能化设计的内容最早出现在2010版《抗震规范》和《高规范》中，距今已有十余年。与传统的设计方法（三级两阶段）相比钢结构框架抗震等级，性能化设计有很多新概念、新内容，计算过程复杂。虽然主要的计算可以用计算机来完成，但计算机只是工具，人才才是主角。整个设计过程必须由人来主导，从出发点到目的地，路径必须清晰，逻辑必须严谨。现在试着梳理一下性能化设计的流程和基本概念。
1.“传统设计方法 VS 性能化设计”：
1、传统设计方法是“低弹性承载力-高延性”单一解决方案；性能化设计追求承载力与延性之间的最佳平衡，可以提供“低弹性承载力-高延性”或“高弹性承载力-低延性”多种解决方案。例如：对于“性能目标1”，在大震下基本为弹性，延性只需满足最低要求；对于“性能目标2”，在大震下可能屈服，需要满足低延性要求……；对于“性能目标4”，在大震下接近严重破坏，需要满足高延性要求。
2、传统设计方法不直接进行中震验证；性能化设计的主要内容是中震验证。或许是由于当时计算机发展水平有限，不方便进行弹塑性分析。前人多将设计烈度降低1.55度，再进行弹性承载力和弹性变形验证。通过“规则控制+弹性计算+内力调整+构造措施”，间接实现中震可修性和抗震能力强。大多数结构只需进行“两级一阶段”（小震、中震弹性承载力和变形验证）设计，只有少数建筑进行弹塑性验证。
3、传统设计方法对同类构件，不论主次、不论受力高低，采用统一的调整系数和构造措施，可谓“通用”；性能化设计则以承载能力、变形能力等为综合考虑，针对性强，灵活性强，可谓“精准到位，量身定制”。
4、传统设计方法的“中震可修性”是通过放大小震弹性内力间接实现的，“中震可修性”没有具体的控制指标，可操作性不强。性能化设计直接对中震进行验证，对承载力和变形都有明确的控制指标。
5、传统设计方法以大地震时不倒塌为重点，不适用于地震后需继续使用的生命线工程；对超限工程没有具体的设计方法。虽然建筑按重要性分为甲、乙、丙、丁四类，但弹性设计的本质并未改变。传统设计方法延性高、变形大，虽然避免了倒塌，保留了结构，但附属设施受损严重，对于使用功能不能中断的建筑并不可行。性能化设计可根据超限程度和震后使用功能要求，通过承载力、变形、结构综合平衡，结合刚度和柔度，实现不同的预期性能目标。
6、与钢筋混凝土结构相比，性能化设计对钢结构更有用。钢筋混凝土结构一般都以抗震设计条件控制，因此性能化设计主要用于“超限”和抗震设计标准较高的情况下。但也有不少工程采用钢结构以非抗震设计条件控制，可以取得较好的经济性和合理性。
7、传统设计方法是经过实践检验、安全可靠的主流方法。性能化设计有其适用范围，应谨慎使用。在强震下，结构不具备承载力储备，而且提高承载力往往也会相应提高地震效应，水涨船高。高延性意味着结构有较高的变形能力，也就是消耗地震能量的能力，是抗震设计的主流方向。
2.基于性能的钢筋混凝土结构设计
除非场地良好、风力较大、设防烈度很低或采取隔震措施，一般来说，抗震设防区域的钢筋混凝土结构均受抗震设计条件控制，因此性能化设计主要用于超限结构或震后使用功能不允许中断的生命线工程。
1.钢筋混凝土结构性能化设计的核心是确定性能目标，应满足以下要求：
（1）应通过全面的技术和经济可行性分析来论证绩效目标。
性能目标与建筑使用功能及附属设施功能要求、投资规模、震后损失及修复难易程度等有关，需要综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型、不规则性等因素，并进行初步设计，再进行技术经济可行性论证。可见性能目标并非由设计单位单独确定钢结构框架抗震等级，设计院也不需要单独承担这一责任。
（2）建议以安全的方式确定绩效目标。
鉴于现行强震下的非线性计算模型和参数仍然存在较多的经验因素，且缺乏强震记录、设计施工数据对实际震害的验证，难以对结构性能做出十分准确的判断，因此在性能目标的选取上还是以稳妥为宜为好。
2.每项绩效目标由三项具体的控制指标表示：
承载力指标、层间位移指标、结构抗震等级如下：
3.《高规范》和《防腐规范》承载力性能等级计算公式汇总
下表是根据《高层建筑规范》和《防腐规范》的规定整理而成，方便查阅和理解。《高层建筑规范》和《防腐规范》并不完全相同：
（1）《高层建筑设计规范》将构件分为关键构件、普通垂直构件和吸能构件，并给出了抗弯、抗剪性能等级要求，代表了铰接顺序的控制，从第一个到最后一个为：
剪力墙连接梁─框架梁端部─剪力墙底部加强部分─框架柱根部。
（2）《防腐蚀规范》提供了极限承载力的计算公式，但《高层建筑规范》没有。
(3)《防静电规范》对每项性能目标都规定了变形控制指标，而《高层建筑规范》没有。
上表中“性能目标5”是我添加的，对应的是传统设计方法的性能目标。
3.基于性能的钢结构设计
与钢筋混凝土结构多受抗震设计条件控制不同，钢结构更多的是受非抗震设计条件控制。因此，钢结构性能化设计更有用。我们经常有这样的烦恼，比如一个玻璃棚或景观造型，不仅被别人批评蠢、大、黑、粗，连我们自己也过不去。虽然《抗震规范》规定“满足2倍地震作用可降低一度”，但长细比、宽厚比还是太严格了。这时，可以采用性能化设计，使承载力、延性等级与结构达到合理的结合。设计流程如下：
1、钢结构性能化设计的核心是确定塑性耗能区性能系数。
性能系数决定铰链的阶数，各部件性能系数之间的关系如下：
（1）框架结构：同一楼层，柱>梁；
（2）对于支撑结构及框架-中心支撑体系：在同一楼层，柱>梁>支撑；
（3）框架—偏心支撑：同一楼层，柱>支撑>梁>消能梁截面；
(4)非塑性耗能区＞塑性耗能区。
2、按传统设计方法计算多次地震作用下的弹性承载力和位移；
3.在设计地震作用下进行抗震承载力验算，主要内容有：
（1）各构件抗震组合承载力验算（公式（17.2.3）
（2）框架梁、柱的强剪、弱弯计算；
（3）强柱弱梁校验；
（4）强连接和薄弱部件的验证；
（5）强节点域验证。
钢结构性能化设计是一个反复试错，逐步逼近最优解的过程，这需要反复调整截面或重新设定性能系数。
4.根据抗震设防类别和性能水平确定构件和节点的最低延性水平。
5、主要构造措施：
（1）塑料消能区尽量采用整块材料，如需拼接，必须在工厂内拼接；
（2）位于塑性耗能区的板间对接焊缝宜采用全熔透。
（3）框架结构：
（a）与梁端及延性等级对应的板的宽厚比、轴压比、剪压比；当梁端为工字形梁时，要么控制长细比，要么设置加劲肋或角撑；板的宽厚比要保证塑性发展深度；控制轴压比是因为在高压应力作用下，剪切承载力降低，压弯延性受到影响。
（b）与延性等级对应的框架柱的长细比限值；
（c）与节点域和延性水平相对应的剪切标准化宽厚比极限；
（d）梁柱翼缘焊接、节点区域及上下600范围内的柱板间焊接均应全焊透；
（e）改进焊接孔及焊盘细节处理；
(f) 梁柱肋节点或钢筋节点的施工。
（4）支撑结构及框支结构：
（a）中心支撑的框架部分与框架结构相同；
(b) 交叉支撑、人字形支撑或 V 形支撑、偏心支撑的延性等级对应的长细比限值和板宽厚比等级。
（5）消能梁截面尤为重要，其抗剪承载力按不同的“抗震性能轴力组合”验算。延性等级为I级的消能梁截面主要控制项目为：
（a）耗能梁截面长度限制；
(b) 耗能梁截面加劲肋的设置；
（c）消能梁截面角撑设置。
6、由于地震效应的不确定性，结构延性比承载力更重要。对于多层民用钢结构，首先要保证必要的延性，一般采用高延性-低承载力；对于工业建筑，可以采用低延性-高承载力，以降低建筑成本。
4、传统设计方法与性能化设计相辅相成、相得益彰，不存在谁好谁坏、谁取代谁的问题。
钢筋混凝土结构性能化设计主要用于超限结构及地震后仍需继续使用的建筑物。钢结构基于性能化设计的适用范围为设计烈度不高于8度（0.20g）、结构高度不高于100m的框架结构、支撑结构和框支结构。
目前非线性计算模型和参数的选取仍然存在较多的经验因素，很难十分准确地判断结构性能。加之相关设计经验不多，性能化设计效果缺乏从强震记录、设计施工数据到实际震害的验证。因此，传统设计方法仍然是目前适用范围最广、可靠性最高的抗震设计主流方法。
