上海众鑫建筑设计研究院有限公司上海200437
摘要：近年，由于城市化进程加快，大中城市的高密度集中布局区域，城市用地十分有限，所以垂直化建造是必然结果，高层和超高层建筑越来越多，因此对于超限高层自身的抗震性能也提出了更高的要求，在超限高层建筑的抗震设计中采用基于性能要求的设计方法，有助于提高建筑工程抗震设计的可靠性，避免安全隐患。
关键词：超限高层；抗震设计；性能设计
引言
随着科学技术和社会生产的发展，建筑结构体系也在一起进步，而随着建筑的垂直化发展，按照不同地区小震作用下的结构强度和薄弱层验算已经无法满足超限高层的设计要求，因此基于性能要求的设计方法逐渐提上日程，通过性能设计方法证明结构达到小震不坏，中震可修，打针不倒的抗震设防目标。基于性能要求的设计方法使建筑结构抗震是抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡。
1性能设计的起源
基于性能目标的抗震设计理念与方法，源自20世纪90年代的美国，并在此后日益得到工程界的关注与重视。美国加州工程师协会SEAO于1995年提出了针对新建建筑物基于性能目标进行抗震设计的理念；随后1996年，美国FEMA237(FederalEmergencyManagementAgency)和学术报告ATC-40中提出了针对既有建筑物的评定以及加固改造过程中使用抗震性能目标的建议，提供了评估与设计方法（Pushover），针对Pushover分析方法给出了一整套详细说明及范例；1998年至2000年期间，美国FEMA又发布了后续有关性能设计的标准和技术报告；2003年美国ICC发布了《建筑物及设施的性能规范》，其内容涉及结构构件、非结构构件及设备设施的正常使用性能、长期使用性能、施工过程中的性能以及遭遇地震及火灾等灾害时的性能，该规范对基于性能目标的设计方法做出了明确规定。日本也在期间将基于性能目标的抗震设计思想正式列入加固与设计标准中，并由BRI（BasicRateInterface）提出了一系列性能设计标准。欧洲混凝土协会（CEB）于2003年起出版了一系列性能设计的相关报告。而我国近年来也在基于性能目标的抗震设计方面做过不少研究与论证，并制定了相关规范与规程。
2结构抗震性能设计的理论基础
基于性能目标的抗震设计是以结构抗震性能分析为前提，按照不同设防水准将整体结构和结构构件的抗震性能分为不同等级，结构工程师可以根据业主要求和相关规范规程，采用合理措施以达到抗震性能目标。
要实现基于性能的抗震设计，首先就要确定目标性能，这是整个设计基础与关键。确定目标性能则包括以下三个方面：
1）地震动水准
地震动水准即在设计基准期内定义一组参照的地震风险，根据重现期选择可能发生的地震动参数波谱，这些地震动参数即称为地震动水准，在我国相关规范中则对应的就是多遇地震、设防地震、罕遇地震。
2）结构性能水平量化指标
结构性能水平表示在某一地震水准下的有限程度的破坏，包括结构构件破坏以及它们破坏所引起的后果。《高层建筑混凝土结构技术规程》中对于结构性能水准分为1、2、3、4、5五个水准（表2.1）。
3）抗震设计的目标性能
结构设计抗震设计的目标性能是针对某一地震动水准而期望达到的抗震性能等级，应综合考虑建造费用、抗震设防类别、设防烈度、结构的特殊性、场地条件、震后损失大小和灾后检测修复难易程度等因素。《高层建筑混凝土结构技术规程》中对于结构抗震性能目标分为A、B、C、D四个等级（表2.2）。
3基于性能要求的抗震设计在超限高层设计中的应用
对于一般常规建筑结构，根据我国《建筑抗震设计规范》总则中的规定可概括为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。
然而对于超限高层，这些工程在房屋高度、规则性等方面都不同程度地超过现行标准规范的适用范围，如何进行抗震设计缺少明确具体的目标、依据和手段。设计者需要根据具体工程实际的超限情况，按照国家相关法令、文件、规程，进行仔细分析、研究和论证，如需必要还应进行模型试验，并要结合业主相关要求，从而采取比现有规范更加合理有效的抗震措施，并通过超限专项审查，以保证结构的安全性能。而在此过程中，设计者一般会主动提出基于性能要求的设计理念，或在专项审查过程中被提出基于性能设计的要求。
在目前我国城市化发展的现状下，业主对于建筑物的高度及复杂程度要求越来越高，超限高层的普遍化不可避免，因而基于性能要求的抗震设计在超限高层建筑的设计中的应用也会越来越普遍且成熟。
4常规抗震设计和基于性能要求的抗震设计的比较
对于常规性能设计，在现有规范中所规定的三水准设防目标，即小震不坏、中震可修、大震不倒，其设计方法和步骤可以看出已经初步具有性能设计的雏形，且在改版规范中在概念设计及性能要求上更加具体化。然而常规抗震设计方法与基于性能目标的抗震设计方法还是有一定区别，主要体现在以下三个方面：
4.1设防目标
现行规范中对于三水准设防目标，其中对于小震有明确的性能指标，大震有明确的位移指标，而其余则是宏观的性能要求，在《建筑工程抗震设防分类标准》中，按照使用功能的重要性，将建筑分为甲乙丙丁四类，对其防倒塌的宏观控制进行区分。
而基于性能目标的抗震设计则是按使用功能及遭遇地震的影响程度，提出多个预期目标，包括结构构件、非结构构件、设施的各种具体性能指标，由业主和设计者根据具体工程选择预期目标。
4.2实施方法
常规抗震设计在实施方法上，是按照现行规范规定，进行指令性设计。一般步骤首先是通过概念设计布置结构构件，其后进行小震模型下的弹性设计，和大震变形验算，通过经验性内力调整、放大，采取相应规定的构造措施，即认为可以实现宏观设防目标。
而基于性能要求的抗震设计出了满足基本要求外，还需提出符合预期性能要求的论证，其中包括结构体系分析，抗震措施的选择，有必要时进行相关模型试验，而后需经过专项审查评估予以确认。
4.3应用范畴
常规抗震设计目前应用是最为广泛的，对于满足规范对于高度和规则性要求的建筑结构普遍适用，但是无法适应新的结构体系以及新材料新技术的发展，会有越来越大的局限性。
而基于性能要求的抗震设计则是为解决复杂且超过现行规范要求的建筑结构设计提供了新的解决途径，使得新的结构体系能够得以实现，新技术新材料能得以应用，从而能促进行业的整体发展。但目前此方面仍有许多技术问题有待研究考证和改进，仍处于发展阶段，有一定风险性，且对于从业人员的理论和实践要求也更高，所以在应用上，目前仍有一定限制。
5抗震性能设计方法
5.1性能水准判断及性能目标的选用
按照结构抗震的能量原则，结构的承载力越高，其延性变形能力要求可有所降低，反之结构承载力较低，则需要较高的延性变形能力，而结构的延性变形能力的高低会受到结构的规则性高低的影响，结构的抗震设计要素主要体现在这三个方面。因此在超限高层结构抗震设计时，应结合结构的规则性，在提高承载力，提高延性变形能力，或者二者同时提高，这三种要求中选择安全合理，且切合实际的方式进行设计。选择设计方案时，既要满足业主对于经济性的要求，又要满足专项审查对于安全性可行性的要求，如此便需要设计者综合考虑，选用最为合适的性能目标。
选择性能目标首先需要对性能水准有准确判断。
首先，对于各项性能水准，结构的楼盖体系必须保证其足够的承载力，以保证结构的整体性，楼板在地震作用下应基本处于弹性反应状态；抗震构造则可参照抗震规范中抗震等级三、二、一以及特一级构造措施。
性能水准1中，结构满足弹性设计要求，全部构件的抗震承载力和层间位移均要满足现行规范的要求，对于性能目标为A或B的结构可不考虑地震内力调整，对于性能目标为C或D的结构，可先按规范进行小震阶段的结构设计，在通过非线性分析校核中震和大震作用下的性能水准，根据校核进行二次设计。
性能水准2中，结构的薄弱部位或关键构件抗震承载力应满足弹性设计要求；整体结构按非线性分析计算，允许部分非关键部位接近屈服，但不发生脆性破坏，抗震构造措施满足低延性要求。
性能水准3中，结构的薄弱部位或关键构件不屈服，不考虑内力调整的地震作用效应和抗震承载力按强度标准值计算满足要求；结构应进行非线性计算，允许选定部位进入屈服阶段但不发生脆性破坏，抗震构造措施满足中等延性要求。
性能水准4中，结构应进行非线性计算，薄弱部位或关键构件允许达到屈服阶段但满足选定变形限制，竖向构件不发生脆性破坏，抗震构造措施满足高延性要求。
基于对性能水准的准确判断，在超限高层结构设计过程中，设计者则可根据建筑结构用途，重要性，以及业主对于成本控制的要求，在保证安全性的前提下选择合理的结构性能目标。
5.2结构抗震计算
超限高层建筑结构基于性能设计的计算应根据性能要求中的构件承载力、变形验算以及屈服后的性能要求选择合理的力学模型。弹性和非线性分析计算中，模型构件及计算参数务必要选择正确合理，至少采用两种不同的力学模型进行计算分析，并对分析结果进行对比印证，以确定电算的可信度。
超限高层的抗震设计，往往需要采用时程分析发进行补充计算，输入的地震波波形必须满足规范的相关要求，如不满足，则需调整计算，选择合适波形。
超限高层还需要对结构层间位移进行控制，以保证结构整体刚度和整体安全。超限高层进行薄弱层变形计算的方式主要包括静力弹塑性分析法（push-over）和弹塑性时程分析法。push-over方法是对结构在罕遇地震作用下进行弹塑性变形分析的一种简化方法，该方法能够很好的评估结构的整体性和局部弹塑性变形，对于一般高层建筑，是一种可行性较高且快捷的简化分析法；而弹塑性动力时程分析则能比较准确且全面地得出结构在罕遇地震作用下的反应全过程，但计算分析工作繁琐，且计算结果受所选地震波以及模型的影响较大。但随着计算机技术的进步，弹塑性动力时程分析过程变得越来越快捷，逐渐成为薄弱层变形计算的主流方法。
6结语
通过以上论述，可得到以下几点结论：
1）基于性能要求的抗震设计是结构设计的一种发展趋势，常规抗震设计相比，对于结构的性能目标和性能水准有更加量化的判断与选择，对于超限高层的抗震设计提供了很好的设计方法。2）对于性能设计的水准、目标，设计者可以根据实际工程进行判断与选择，对于建筑高度，规则性，复杂程度没有过多限制，使得各种超限高层建筑抗震设计的可行性大大提高，建筑设计局限性大大减小，推动了建筑结构多样化发展，变不可能为可行。3）基于性能要求的抗震设计虽然在逐步发展，但仍有一些问题有待研究，例如地震作用的不确定性，计算模型的准确性合理性等等，这些问题仍需要在实际工程中深入考证，以推动此设计方法日趋成熟。
参考文献
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[6]韩小雷、季静，基于性能的超限高层建筑结构抗震设计—理论研究与工程应用[M]中国建筑工业出版社。
作者简介
王锐，男，汉族，毕业于同济大学土木工程学院，现供职于上海众鑫建筑设计院有限公司，专业方向：结构工程设计。