如何在PKPM中实现抗震性能包络设计

刘勇 朱磊

中国建筑科学研究院有限公司北京构力科技有限公司深圳分公司 北京广东 100013

[摘要]本文将主要介绍基于《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称高规）抗震性能设计的方法，由构件承载力的弹性设计要求和不屈服设计要求，分析在性能设计时通常需要调整的参数，并介绍如何在PKPM软件中快速实现抗震性能的包络设计，并结合工程案例进行说明。

[关键词]抗震；性能设计；中大震；

0 前言

现有的抗震设计主要采用的是“三水准两阶段”设计，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准性能设计目标，以及“多遇地震下抗震承载能力验算、罕遇地震下弹塑性变形验算”的两阶段设计方法，而设防烈度的结构安全是通过强柱弱梁、强剪弱弯等抗震措施和抗震构造措施保证。但随着经济水平的发展，结构设计中出现越来越多的复杂高层建筑以及超限工程，同时一些特殊的重要建筑对于抗震设计也提出了更高的要求，传统的”三水准两阶段”设计已经不能满足工程需求，因此抗震性能化设计已经成为了工程抗震设计中必不可少的基本方法。

由于抗震性能化设计明显区别于传统的小震设计，存在大量的参数和模型需要调整，同时配筋结果还需满足不低于小震弹性的要求，因此给性能设计带来了非常大的工作量。本文将结合PKPM V5软件，介绍如何快速实现高规方法的抗震性能包络设计。

1 规范要求

在《高规》中把结构抗震性能目标分为A、B、C、D四个等级，结构抗震性能分为1、2、3、4、5五个水准，每个性能目标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相对应，详见表1。

结构抗震性能目标 表1

各性能水准结构预期的震后性能状况 表2

根据不同的性能水准，高规针对关键构件、普通竖向构件和耗能构件分别提出了不同的承载力设计要求，比如中震弹性、中震不屈服等。

在中震/大震弹性的承载力设计中，构件的抗震承载力应符合下式规定：

（1）

式中:R_d，γ_RE----分别为构件承载力设计值和承载力抗震调整系数；

S_GE，γ_G----分别为重力荷载代表值的效应和重力荷载分项系数；

γ_Eh、γ_Ev----分别为水平地震分项系数和竖向地震分项系数；

S^*_Ehk，S^*_Evk----分别为水平地震作用标准值的构件内力和竖向地震作用标准值的构件内力均不需要考虑与抗震等级有关的增大系数。

在中震/大震不屈服的承载力设计中，构件的抗震承载力应符合下式规定：

（2）

式中:R_k----截面承载力标准值，按材料强度标准值计算。

根据式（1），同时考虑地震动与特征周期的变化，中震/大震弹性的承载力设计时主要有以下四点调整：

1.调整地震影响系数最大值，按设防烈度或者罕遇地震取值；

2.抗震承载力验算时不考虑风荷载作用；

3.不考虑与抗震等级有关的增大系数；

4.大震计算时，特征周期应增加0.05s。

根据式（2），中震/大震不屈服的承载力设计时，需满足构件按材料强度标准值计算的承载力不小于按重力荷载及地震作用标准值计算的组合内力，因此主要有以下八点调整：

1.调整地震影响系数最大值，按设防烈度或者罕遇烈度取值；

2.抗震承载力验算时不考虑风荷载作用；

3.不考虑与抗震等级有关的增大系数；

4.大震计算时，特征周期应增加0.05s；

5.重力荷载的分项系数取1.0，但计算重力荷载代表值时组合值系数不变；

6.材料强度取标准值计算；

7.承载力抗震调整系数取1.0；

8.地震作用分项系数取1.0，如同时考虑水平和竖向地震，非主要地震作用取0.4。

除上面的调整以外，还可以根据结构的性能水准，适当考虑结构阻尼的增加和连梁的刚度折减，阻尼比的增加值一般不大于0.02，连梁的刚度折减一般不小于0.3。

2 软件实现

由上述可知，抗震性能设计需要对模型的大量参数进行调整，但使用PKPM软件只需两步就可以实现上述所有的调整，同时程序会分别计算各个性能目标子模型，并可在主模型中查看包络结果。

第一步：打开参数定义——性能设计的参数界面，只需勾选上需要考虑的性能目标，然后输入需要调整的结构阻尼比和连梁刚度折减系数；

第二步：在前处理——多模型——性能设计子模型（高规）中，对关键构件和耗能构件等指定相应的性能目标。

图1 第一步勾选性能目标和调整参数

当然，对每一个子模型中的参数，还可以进一步的精细化调整。比如存在刚度比不满足要求的薄弱层，在小震计算时需考虑地震剪力1.25倍的放大，但希望大震不屈服计算时不考虑薄弱层的判断。那么，在该子模型的参数定义中，还可以进行参数的修改，重新计算的时候把“更新参数”改为“否”，程序就能实现不同子模型精细化的参数定义。

图2 第二步指定构件性能目标

图3 精细化调整子模型参数

在性能包络设计中，最关键的是性能目标的指定，但在前处理中修改性能目标，需要大量的时间重新计算整个模型，因此程序提供了在结果中修改指定性能目标的功能，不需要重新计算模型，就可以快速查看修改后的包络结果，如图4所示。

图4结果中修改性能目标

3 工程实例

某框支剪力墙项目根据超限项检查，将结构抗震性能目标定为C级，在多遇地震、设防烈度地震、预估的罕遇地震作用下，应分别达到1、3、4级抗震性能水准，构件具体的抗震性能目标如表3所示。采用等效弹性方法计算竖向构件及关键部位构件的组合内力。

抗震性能目标表3

在PKPM程序中指定相关构件的对应的性能目标，程序会自动生成小震、中震弹性、中震不屈服和大震不屈服四个子模型，并完成全部计算，如图5所示。在每个子模型都按照性能目标进行全楼的计算，最后相关构件根据指定的性能目标，在主模型中取包络结果。

以其中一根框支梁为例，性能目标为中震正截面不屈服、中震斜截面弹性、大震正截面不屈服、大震斜截面不屈服。

正截面配筋程序会包络计算小震模型、中震不屈服模型和大震不屈服模型，主模型正截面的包络配筋选取的是大震不屈服模型，正截面设计满足性能目标要求，见图6。

斜截面配筋程序会包络计算小震模型、中震弹性模型和大震不屈服模型，主模型斜截面的包络配筋选取的是中震弹性模型，斜截面设计满足性能目标要求，见图7。

图5性能包络设计子模型

图6某框支梁正截面包络配筋

图7某框支梁斜截面包络配筋

4 小结与展望

本文通过《高规》抗震性能设计的方法的梳理，由构件“弹性承载力设计”和“屈服承载力设计”公式，分析了在性能设计时通常需要调整的参数；并结合了 PKPM软件，介绍了如何快速实现《高规》方法的抗震性能包络设计。通常，复杂结构的抗震性能还需再通过弹塑性的计算加以深入分析，比如考察结构的弹塑性层间位移角、构件的屈服次序以及塑性铰分布等内容，由于结构的抗震性能设计更加侧重于抗震概念设计，需要设计师根据具体实际工程情况进行调整。本人水平有限，存在不足之处还望批评指正。

参考文献

[1]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010

[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010