在复杂高层建筑及超限工程设计审查中经常提到结构的性能设计问题，如何合理确定结构或重要部位的性能设计指标?

性能设计是结构抗震设计的精髓，由于房屋的重要性程度及建筑使用功能不同，结构或结构部位及结构构件的抗震设防目标也不完全相同，应根据具体情况采取相应的抗震措施。

[问题分析]

1.“性能设计”(Performance Based Design)的意义

近年来大地震的震害表明，由于城市的发展和城市人口密度的增加，城市设施复杂，经济生活节奏加快，地震灾害所引起的经济损失急剧增加，因此，以生命安全为抗震设防唯一目标的单一设防标准是不全面的，应考虑控制建筑和设施的地震破坏，保持地震时正常的生产、生活功能，减少地震对社会经济生活所带来的危害，有必要考虑性能目标的抗震设防要求。

2.“性能设计”的要点

建筑的抗震性能设计，立足于承载力和变形能力的综合考虑，具有很强的针对性和灵活性。针对工程的需要和可能，可以对整个结构，也可以对某些部位或关键构件，灵活运用各种措施达到预期的抗震性能目标，以提高抗震安全性或满足使用功能的专门要求。

抗震性能目标依据地震时建筑允许破坏的程度(即地震破坏的等级)确定。

1)地震破坏等级的划分见表2.1.2-1及图2.1.2-1。

(1)完好(图2.1.2-1中OAA')，即所有结构构件均保持弹性状态。在地震下必须满足规范规定的承载力和弹性变形的要求，即:各种承载力设计值(拉、压、弯、剪、压弯、拉弯、稳定等)满足规范对抗震承载力的要求S<R/γRe，层间变形满足规范多遇地震下的位移角限值[Δue]。

(2)基本完好(图2.1.2-1中OBB')，即结构构件基本保持弹性状态，各种承载力设计值基本满足规范对抗震承载力的要求S<R/γRe，其中的效应S不含抗震等级的调整系数，也即各抗震等级的调整系数取1.0 (就是《高规》第3.11.3条中采用的带*号的效效应值)。

(3)轻微破坏(图2.1.2-1中OCC'),即结构构件可能出现轻微的塑性变形，但未达到屈服状态，按材料标准值计算的承载力R.大于作用标准组合的效应Sk，即Sk<Rk。

(4)中等破坏(图2.1.2-1中ODD'),即结构构件出现明显的塑性变形，但控制在一般加固即可恢复使用的范围内。

(5)接近严重破坏(图2. 1.2-1中OEE'),为结构抗震设计的一般情况(一般情况指:满足《抗震规范》的最基本要求的三水准设防目标)，结构关键的竖向构件出现明显的塑性变形，部分水平构件可能失效需要更换，经过大修加固后可恢复使用。

2)性能目标的确定

(1)对照表2.1.2-1，可选定高于一般情况的预期性能目标，见表2.1.2-2及图2.1.2-1。

(2)从表2.1.2-2中不难看出，建筑的性能目标一般可分为四个等级，即从性能目标A至性能目标D,其中以性能目标A的承载力要求最高而延性要求最低，性能目标D的承载力要求最低但延性要求最高。对照图2.1.2-1可以看出:结构抗震设计时不需要达到大震完全弹性的要求。

(3)实现上述性能目标，需要落实各个地震水准下构件的承载力、变形和细部构造的具体指标。仅提高承载力时，安全性有相应的提高，但使用上变形要求不一定能满足;仅提高变形能力，则结构在小震、中震下的损坏情况大致没有改变，但抵御大震倒塌的能力提高。因此，性能设计往往侧重于通过提高承载力，推迟结构进人塑性工作阶段并减少塑性变形，必要时还需同时提高刚度以满足使用功能的变形要求，而变形能力的要求可根据结构及其构件在中震、大震下进人弹塑性的程度加以调整。

性能设计寻求的是结构或构件在承载力及变形能力的合理平衡点，当承载能力提高幅度较大时，可适当降低延性要求;而当承载力水平提高幅度较小时，可相应提高结构或构件的延性(也即当延性指标的实现有困难时，可通过提高结构或构件的承载力加以弥补;而当提高结构或构件的承载力有困难时，可通过提高结构或构件的延性加以弥补)。

对各项性能目标，结构的楼盖体系必须有足够安全的承载力，以保证结构的整体性，一般应使楼板在地震中基本处于弹性状态，否则，应采取适当的加强措施。为避免发生脆性破坏，设计中应控制混凝土结构构件的受剪截面面积，满足规范对剪压比的限值要求。性能目标中的抗震构造“基本要求”相当于混凝土结构中四级抗震等级的构造要求，低、中、高和特种延性要求，大致相当于混凝土结构中三、二、一和特一级抗震等级的构造要求。考虑地震作用的不确定性，对工程设计中的延性要求宜适当提高。

(4)对性能目标A,结构构件在预期大震下仍基本处于弹性状态，最多只产生一些不明显的非弹性变形(图2. 1.2-1中OAA'至OBB'之间)。对应于性能目标A要求建筑在多遇地震下完好(即小震弹性)，设防烈度地震下完好并能正常使用(即中震弹性或基本弹性)罕遇地震作用下能基本完好，经检修后可继续使用(即大震基本弹性或大震不屈服)。

某些特别重要的建筑，需要结构具有足够的承载力，从而保证其在中震、大震下始终处于基本弹性状态;也有一些建筑虽然不特别重要，但其设防烈度较低(如6度)或结构的地震反，应较小，也可以保证其在中震、大震下始终处于基本弹性状态;某些特别不规则的结构，业主愿意付出经济代价，也能使其在中震、大震下始终处于基本弹性状态。因此，对特殊工程及采用隔振、减震技术或低烈度设防且风力很大时，可对某些关键构件提出此项性能要求，其房屋的高度和不规则性-般不需要专门限制。

结构满足大震下弹性或基本弹性设计要求，大震下结构可不考虑地震内力调整系数，但应采用作用分项系数。各构件的细部抗震构造仅需满足最基本的构造要求(如采取抗震等级为四级的构造措施)，结构具有一些延性性能。

(5)对性能目标B (图2.1.2-1中OBB'至0CC'之间)，结构构件在中震下完好，在预期大震下可能屈服。例如:某6度设防的钢筋混凝土框架-核心简结构，其风力是小震的2.4倍，在风荷载作用下的层间位移是小震的2.5倍。结构的层间位移和所有构件的承载力均可满足按中震(不计风荷载效应)的设计要求。考虑水平构件在大震下的损坏使刚度降低和阻尼加大，竖向构件的最小极限承载力仍可满足大震下的验算要求。因此，总体结构可达到性能目标B的要求。

结构的薄弱部位或重要部位构件的抗震承载力满足大震弹性设计要求，整个结构按非线性分析计算，允许某些选定的部位接近屈服(如部分受拉钢筋屈服)，但不发生如剪切等脆性破坏。各构件的细部抗震构造需满足低延性要求(相当于混凝土结构中三级抗震等级的构造要求)。

(6)对性能目标C (图2.1.2-1中OCC'至ODD'之间)，在中震下已有轻微塑性变形，大震下有明显塑性变形。

结构的薄弱部位或重要部位构件的抗震承载力满足大震不屈服的设计要求，即不考虑内力调整的地震作用效应Sk(作用分项系数及内力调整系数均取1.0)与按强度标准值计算(材料分项系数及抗震承载力调整系数均取1.0)的抗震承载力R.满足Sk≤Rk的要求。整个结构应进行非线性分析计算，允许某些选定的部位接近屈服，但不发生如剪切等脆性破坏。各构件的细部抗震构造需满足中等延性要求(相当于混凝土结构中二级抗震等级的构造要求)。

(7)对性能目标D (图2.1.2-1中ODD'至OEE之间)，在中震下的损坏已大于性能目标C,结构总体的承载力略高于一般情况。

结构应进行非线性分析，结构的薄弱部位或重要部位构件在大震下允许达到屈服阶段，但满足选定的变形限值(如混凝土结构在大震下的层间弹塑性变形控制在1/500~1/300)，竖向构件不发生剪切等脆性破坏。各构件的细部抗震构造应满足高延性的要求(相当于混凝土结构中一级抗震等级的构造要求)。

对应于图2.1.2-1中OEE'，结构应进行非线性分析，结构的薄弱部位或重要部位构件在大震下允许达到屈服阶段，满足现行规范在大震下的弹塑性变形要求，竖向构件不发生剪切等脆性破坏。各构件的细部抗震构造应满足特种延性的要求(相当于混凝土结构中特一级抗震等级的构造要求)。

3. 《抗震规范》与“性能设计”的关系

1)《抗震规范》规定的“三水准的设防目标”的性能指标:

第一水准-当建筑遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用;

第二水准-当建筑遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用;

第三水准-当建筑遭受本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。

三水准设防目标的通俗说法为:小震不坏、基本地震(设防烈度地震)可修、大震不倒。

2)各水准的建筑性能要求

“小震不坏”一要求建筑结构在多遇地震作用下满足承载力极限状态验算要求和建筑的弹性变形不超过规定的弹性变形值;即:保障人的生活、生产、经济和社会活动的正常进行;

“基本地震可修”-要求建筑结构具有相当的变形能力，不发生不可修复的脆性破坏，用结构的延性设计(满足规范的抗震措施和抗震构造措施)来实现;即:保障人身安全和减小经济损失;

“大震不倒”-要求建筑具有足够的变形能力，其弹塑性变形不超过规定的弹塑性变形限值;即:避免倒塌，以保障人身安全。

3)为实现“三水准的设防目标”而采取的“两阶段设计步骤”如下:

4)比较可以看出《抗震规范》的“三水准设防”目标与“性能设计”的设防目标是相似的。

5)2008年5月28日中国工程院对汶川地震的灾害评估报告指出，震中区砌体结构的完好率10%。非正规设计的倒塌率100%。89规范以前的建筑倒塌率接近100%; 89规范以后的建筑:规则结构较完好、底框结构破坏严重、框架结构的完好率40%、框架-剪力墙结构及剪力墙结构基本完好。上述评估报告可反映出相应建筑的性能水准。

4.抗震性能设计的实际应用

1)抗震性能设计贯穿于结构抗震设计的始终，其并不神秘。我们结构设计中的许多工作其实就是抗震性能设计的具体内容，此处举例说明如下:

(1)《抗震规范》中的三水准设防目标，就是一种性能目标。明确要求大震下不发生危及生命的严重破坏即“大震不倒”，就是最基本的抗震性能目标;

(2)对起疏散作用的楼梯，提出采取加强措施，使之成为“抗震安全岛”的要求，确保大震下能具有安全避难和逃生通道的具体目标和性能要求;

(3)对特别不规则结构、复杂建筑结构，根据具体情况对抗侧力结构的水平构件和竖向构件提出相应的性能目标要求，提高结构或关键部位结构的抗震安全性;对水平转换构件，为确保大震下自身及相关构件的安全提出大震下的性能目标等，如:①对框支柱按“中震”设计。由于框支柱承托上部结构，为重要的结构构件，因此按“中震”弹性或“中震”不屈服设计。对应的性能目标就是在设防烈度地震(“中震”)作用下，框支柱仍处于弹性(或不屈服)状态。

②重要结构的门厅柱按“中震”设计。由于门厅柱数层通高，且作为上部楼层竖向荷载的主要支承构件，属于重要的结构构件，因此按“中震”弹性或“中震”不屈服设计。对应的性能目标就是在设防烈度地震(“中震”)作用下，门厅柱仍处于弹性(或不屈服)状态。

③对错层处的错层框架柱和错层剪力墙按“中震”设计。由于错层的影响，错层处的框架柱成为短柱，错层处的剪力墙成为短墙，其延性大为降低并承担很多的地震作用，因此，需要适当提高错层框架柱及错层剪力墙的承载力，满足强剪弱弯要求并采取更严格的抗震措施，一般按抗剪满足中震弹性要求，抗弯满足中震不屈服要求设计。对应的性能目标就是在设防烈度地震(“中震”)作用下，错层框架柱及错层剪力墙仍处于抗剪弹性、抗弯不屈服的状态。

④对水平转换构件按“大震”不屈服设计。由于转换构件承托上部结构重量，为重要的结构构件，因此，常需要按“大震”不屈服设计，并应采用在重力荷载下不考虑上部墙体共同工作的计算模型复核。对应的性能目标就是在罕遇地震(“大震”)作用下，水平转换构件仍处于不屈服状态。

⑤对承受较大拉力的楼面梁按“中震”设计。受斜柱的影响楼面梁常承受较大水平力，考虑钢筋混凝土楼板开裂后承载能力的降低，按“零刚度”楼板假定并按“中震”设计。当梁承受的拉力较大时，可考虑采用型钢混凝土梁或钢梁。

⑥对特别重要的结构，当采用双重抗侧力结构时，如钢框架-钢筋混凝土核心筒结构中，在底部加强部位的剪力墙截面按大震剪力不超过0.15 f.bwhw确定。

⑦对少量剪力墙的框架结构，当考虑框架和剪力墙协同工作，计算的弹性层间位移角不满足规范对框架-剪力墙结构的位移限值时，应按照抗震性能化设计的要求，对框架和剪力墙依据抗震设防的三水准目标进行细化。实现的就是在罕遇地震(“大震”)作用下，结构不倒塌的最基本抗震性能目标。

2)建筑抗震性能指标应根据建筑物的重要性、房屋高度、结构体系、不规则程度等情况灵活把握，确定的一般原则可见表2. 1.2-5。

3)抗震性能设计中的常见做法见表2.1.2-6。一般情况下，抗剪要求不应低于抗弯要求

4)

(1)工程概况:抗震设防烈度7度(0.15g)，场地类别为IV类。主楼房屋高度186m,地上44层，采用带钢斜撑的钢管混凝土外框架与钢筋混凝土核心简组成的混合结构体系，钢框架梁，现浇混凝土楼板。裙楼房屋高度36m，地上9层，采用现浇钢筋混凝土框架结构，楼盖采用梁板结构。

(2)主楼不规则情况见表2. 1.2-7及表2. 1.2-8。

(3)主楼超限情况分析:主楼在2~4层、6~9层局部楼板不连续，有效宽度小于50%。房屋高度超过7度IV类场地时混合结构的最大高度限值190m，属于一般不规则的高度超限的高层建筑。

(4)主楼超限结构性能目标见表2.1.2-9。

(5)主楼的主要设计措施

①外框架柱的地震剪力取总地震剪力的20%和框架按刚度分配最大层剪力的1.5倍二者的较大值;

②底部加强区混凝土简体的受剪承载力满足中震弹性和大震下截面剪压比不大于0.15的要求;

③底部加强区混凝土筒体的抗震等级按特-级(即提高-级)采取抗震构造措施，核心简四角沿房屋全高设置约束边缘构件，其他约束边缘构件向上延伸至轴压比不大于0. 25处;

④在核心筒四角处设置通高钢骨;

⑤在楼层大开洞的顶层即5层、10层的楼板下设置水平交叉钢支撑(按大震楼层剪力设计)，以增强楼层的整体刚度，确保楼层在大震下的整体性及传递水平力的有效性。同时适当加厚混凝土楼板至少不小于150mm，并按双层双向配筋，每层每方向的配筋率不小于0.3%;

⑥与裙楼的连桥采用钢结构，连桥与主楼采用滑动连接，其支座按大震下位移量设计，并采取防跌落措施。连接部位按大震不屈服计算。

(6)裙楼不规则情况见表2. 1.2-10及表2.1.2-11。

(7)裙楼超限情况分析:裙楼为扭转不规则、立面尺寸有突变及个别竖向构件不连续的工程，属于一般不规则的超限高层建筑。

(8)裙楼超限结构性能目标见表2.1.2-12。

(9)裙楼的主要设计措施

①对地下一层柱、一层框架及斜框架柱等重要构件进行中震不屈服验算;

②底层柱的抗震等级按一级(即提高一级)采取抗震构造措施;

③对大开洞周边的楼板采取加强措施，楼板厚度不小于150mm，并按双层双向配筋，每层每方向的配筋率不小于0.3%;

④对大开洞周边的梁、各层房屋周边的梁及开洞形成的无楼板梁，采取加大通长钢筋及腰筋等加强措施。

(10)超限审查的申报，超限工程应按规定进行抗震超限审查，需填写超限申报表。当进行超限审查申报时，应根据当地建设行政主管部广]制定的表格申报，此处列出某工程的超限申报表(由王春光博士提供)，供读者参考。