奥福科技有限公司谈建筑结构抗震设计概念：结构抗震性能评价

奥富科技有限公司（原北京蓝图工程设计有限公司）

浅谈建筑结构抗震设计理念（下）

基于性能的设计：组件级损伤、变形和材料应变控制指标

结构抗震性能评估包括结构层面和构件层面。本系列第七篇讨论了结构层面的整体层间位移限值，第八篇讨论了构件层面承载力验算公式。《抗震规范》和《高层建筑规范》均未规定构件层面的变形计算限值指标，《合作标准》给出了相应规定。

构件级承载力复核分为正截面弯曲承载力复核和斜截面剪切承载力复核。剪切破坏属于脆性变形破坏，因此只采用承载力复核即可。正截面弯曲属于延性破坏，因此有时可以采用承载力复核，也可以采用变形极限复核。当然最好两者同时复核。

变形与失效评估包括构件变形和材料应变评估。

《合作标准》中对构件的变形控制分为构件的弹塑性位移角、塑性铰转角或曲率。

构件的位移角、塑性铰转角、曲率与构件材料的应变之间存在一定的关系，这种关系可以从理论上推导，并用有限元分析法进行分析，但更多的是基于试验数据，非常复杂。建议大家详细阅读《协议标准》7.1.4的条款解释和相关背景资料。大型院所的研究人员或总工程师应该熟悉这些来自国外的背景资料，以便应对复杂工程复杂情况的评估。一般工程师只要了解概念即可。

《亚洲标准》指出，虽然构件位移角的评定存在诸多问题，但国外标准由于其简单、直接，多采用位移角进行评定；塑性铰转角和曲率是评价构件损伤较好的方法，但由于获取难度大或数据离散性强，《亚洲标准》并未采用。

因此《协议标准》从构件弹塑性转角和材料应变两个方面来评定构件弹塑性损伤。

结构构件损伤等级分为6级，对应的损伤程度如下表：

对应损坏程度如下图所示：

不同部件不同性能对应的变形极限如下：

1：混凝土柱弹塑性弦杆转动变形指标限值见表7.3.8：

可以看出，延性柱（弯曲控制）弹性完整（C1，其中C为柱字母，B为梁字母，SW为剪力墙字母）的位移角为0.003，即1/333，远大于结构弹性层间位移角1/550。由于结构整体有扭转等复杂因素，因此整体层间位移角控制比构件级更严格。

弯剪控制破坏比弯控破坏更接近脆性破坏，因此其位移角控制更为严格。轴压比越大，柱的延性越差，因此对位移角的要求越严格。配箍率可提高构件的延性，因此配箍率较低，位移角要求严格。

Ⅱ：混凝土梁弹塑性弦杆转动变形指标限值见表7.3.7：

由于梁的轴力很小，一般以延性变形破坏，所以其位移角控制较框架柱宽松。

Ⅲ：混凝土剪力墙变形指标限值见表7.3.9

剪力墙由于截面较长，比柱更容易发生剪切破坏，因此其位移角控制比框架柱更严格。

4：钢筋混凝土构件（或钢与混凝土组合构件）的性能水平，也可根据表7.3.10，按混凝土压应变或损伤变量、钢筋/钢材拉应变等不利情况进行综合评估。

5：钢构件的弦转角和应变极限比混凝土构件的弦转角和应变极限更容易确定。

当采用最大应变进行评估时，采用下表：

钢构件的失效模式与板材的宽厚比密切相关，板材越薄（宽厚比越大），在同样的应力作用下，其失效程度就越大，因此应变控制越严格。

采用构件弦角评定时，《协议标准》附录D给出了具体方法。

YJK软件采用协会标准《建筑结构抗倒塌设计规范CECS392:2014》的规定进行构件损伤评估，该规范规定了构件发生不同程度损伤时，构件弦转角和材料应变的限值。

对于一个只存在于计算机中的结构模型，地震后结构损伤程度的评价和按照该模型建造的实际建筑在遭受假设地震后的实际损伤表现肯定有很大的差别，但我们永远不知道这样的评价与实际的偏差有多大，就像我们评价一个人的能力一样，我们知道这样的评价是片面的，但我们必须用一个我们认为相对合理、经过实践不断修正的评价体系，比如高考，去评价，所以工程师能做的就是理解这个评价体系背后的逻辑。我们必须相信，在同样的地震作用下，评价好的结构的损伤程度一定会低于评价差的结构，虽然它的损伤形式不一定是我们预期的那样，实际发生的地震一般也和我们想象中的地震不一样。

到此为止，我们已经讲完了性能化设计的方法，包括承载力验算公式、变形控制限值（整个结构的层间位移、构件弦角和材料应变）、抗震构造措施的调整等。但什么样的建筑采用什么级别的性能要求，什么样的构件采用什么级别的性能要求，是基于性能化设计首先要确定的事情，我们将在下一期继续讨论。

2023 年 7 月 17 日

参考：

1：建筑抗震设计规范，简称《抗震规范》

2：高层建筑混凝土设计技术规范，简称《高层规范》

3：建筑结构基于性能的抗震设计标准T/CECAZ20024-2022，简称“并标”

4：协会标准《建筑结构抗倒塌设计规范CECS392:2014》

5：建筑抗震设计规范的应用与分析，朱秉银