目前, 我国《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[1] (简称抗规) 规定抗震设防目标是:当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震作用时, 主体结构不受损坏或不需修理可继续使用;当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震作用时, 可能发生损坏, 但经一般性修理仍可继续使用;当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震时, 不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。为实现这个抗震设防目标, 抗震设计采用了“二阶段”设计方法:第一阶段采用结构在小震下的弹性反应谱得到相应的地震作用效应, 在可靠度分析基础上用分项系数表达式进行结构构件抗震承载力验算;第二阶段是通过内力调整系数放大和基于概念设计的抗震构造措施满足结构在中震、大震作用下的“中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。按以上设防目标和设计方法设计的建筑结构必须满足抗规的适用条件, 即一般工程界所说的“非超限结构”。

　　 而对于超出抗规适用条件的超限结构, 国家的超限审查技术要点^[2]要求采用比抗规更高的抗震设防目标, 工程设计一般是采用抗震性能化设计, 即对特定的超限结构选定抗震性能目标, 之后进行技术和经济的可行性分析和论证。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[3] (简称高规) 第3.11条, 结构抗震性能目标一般分为A, B, C, D四个等级, 目前工程界对一般的超限结构的抗震设计大多采用C级性能目标。当采用C级性能目标时, 结构的关键构件及普通竖向构件达到抗弯中震不屈服、抗剪中震弹性以及耗能构件达到中震抗剪不屈服的目标。抗震性能化设计实质上是以量化计算的方式, 保证超限结构在中震或大震下的承载力和变形能力, 以防止结构的倒塌。

　　 如前所述, 非超限结构按规范设计时, 是用结构在小震下的弹性反应谱分析得到相应地震作用效应后, 按规范要求进行内力调整及效应组合, 使结构构件承载力满足抗规公式 (5.4.2) 。如非超限结构按C级抗震性能目标设计, 结构需满足关键构件及普通竖向构件抗弯中震不屈服、抗剪中震弹性和耗能构件抗剪中震不屈服的目标。

　　 中震不屈服计算不考虑风荷载组合, 取消荷载分项系数及组合系数, 取消地震内力调整系数及组合内力调整系数, 取消承载力抗震调整系数, 材料强度采用标准值, 采用设防地震的地震影响系数最大值^[4]。因此, 中震不屈服计算与小震弹性计算对比, 有增大设计内力的因素, 也有减小设计内力的因素, 并不能简单地认为中震不屈服计算得到的设计内力较小震弹性计算的大。中震弹性计算不考虑风荷载组合, 考虑荷载分项系数及组合系数, 取消地震内力调整系数及组合内力调整系数, 考虑承载力抗震调整系数, 材料强度采用设计值, 采用设防地震的地震影响系数最大值。因此, 中震弹性计算得到的构件承载力一般较小震弹性计算的大。

　　 由上述分析可知, 对于未确定结构形式和抗震等级的非超限结构, 按规范“二阶段”设计与按性能目标设计时构件承载力哪个更大是难以得出结论的。但对于目前采用较多的50~120m高的非超限剪力墙结构和框架-剪力墙结构, 由于其结构形式及抗震等级已确定, 通过以上分析可知, 按规范设计时这些结构构件的承载力小于按性能目标设计的承载力。

　　 上述结构中剪力墙为主要的抗侧力构件, 当风荷载不起控制作用时, 其内力主要由地震效应产生的内力控制, 并随地震效应的增大而增大。按规范小震弹性计算时, 荷载分项系数为1.30, 剪力墙抗剪抗弯、框架梁抗剪的抗震承载力调整系数均为0.85, 7度抗震设防剪力墙抗震等级为二、三级, 内力调整系数如表1所示。

　　 C级性能的第一目标是竖向构件剪力墙抗弯满足中震不屈服。中震不屈服计算时, 荷载分项系数为1, 材料强度采用标准值 (钢筋强度标准值为设计值的1.11倍, 混凝土强度标准值为设计值的1.40倍, 综合考虑抗弯设计系数取1.20, 抗剪设计系数取1.40) , 由于7度抗震设防时, 小震、中震的地震影响系数最大值分别为0.08和0.23, 所以中震不屈服计算得到的剪力墙弯矩标准值为小震弹性计算的2.87倍, 如构件是二、三级抗震等级, 考虑上述各项调整因素后, 相对于小震弹性计算, 中震不屈服计算剪力墙弯矩实际放大系数为2.87÷1.30÷1.20÷0.85=2.16。而影响剪力墙的抗弯承载力的因素为所受到的弯矩及轴力, 组合中震效应的内力后, 剪力墙弯矩增加, 除结构周边的小墙肢因不考虑竖向荷载分项系数而轴力减小外, 根据《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[5]的计算公式, 剪力墙所需的抗弯承载力也加大。所以, 上述非超限结构的剪力墙抗弯承载力按规范设计小于按性能目标设计。

　　 C级性能的第二目标是竖向构件剪力墙抗剪满足中震弹性。中震弹性设计时考虑荷载分项系数, 材料强度采用设计值, 不考虑内力调整系数。中震弹性计算得到的剪力墙剪力标准值为小震弹性计算得到的2.87倍, 如构件是二级抗震等级, 考虑上述各项调整系数后, 相对于小震弹性计算, 中震弹性计算剪力墙剪力实际放大系数为2.87÷1.4÷1.4÷0.85=1.72。而一般情况下影响剪力墙抗剪承载力的主要因素是地震效应产生的剪力, 所以, 上述非超限结构剪力墙抗剪承载力按规范设计小于按性能目标设计。

　　 C级性能的第三目标是耗能构件框架梁抗剪满足中震不屈服, 同理, 如构件是二级抗震等级, 考虑各项调整系数后, 仅考虑地震效应时, 相对于小震弹性计算, 中震抗剪不屈服计算梁剪力实际放大系数为2.87÷1.3÷1.4÷1.2÷0.85=1.55。框架梁剪力是由地震效应的剪力及竖向荷载剪力叠加所得, 因此组合中震效应的剪力后, 上述非超限结构的框架梁的实际剪力有可能减小也有可能增加, 但增加的幅度显然不及剪力墙弯矩及剪力的增加幅度。

　　 综合以上分析, 50~120m高的非超限剪力墙结构和框架-剪力墙结构, 按规范方法设计的剪力墙抗弯抗剪承载力均小于按性能目标设计的结果, 即按规范方法设计并不能以量化计算方式保证结构在中震或大震下的承载力和变形能力, 以防止结构倒塌。因此, 此类结构的竖向构件有必要提高抗震设防标准。

　　 另一方面, 如耗能构件支座抗弯纵筋按小震弹性计算结果配置, 支座抗剪箍筋按支座纵筋屈服能承受的弯矩对应的剪力及竖向荷载产生的剪力的组合值配置, 则在中震作用效应下, 耗能构件支座纵筋屈服, 但实际受到的剪力最大值为上述组合值, 耗能构件抗剪仍不屈服。在此, 把竖向构件满足抗弯中震不屈服、抗剪中震弹性以及耗能构件满足抗弯、抗剪小震弹性的性能目标定义为“C-”性能目标, 在7度抗震设防区, 50~120m高的非超限剪力墙结构和框架-剪力墙结构抗震设计满足“C-”性能目标时, 才可以从量化计算方式上防止结构的倒塌。

　　 既然非超限结构有必要提高抗震设防标准, 但规范为什么没有明确要求呢?众所周知, 规范是一个时期技术的总结, 同时也是社会某个时期经济实力的反映。提高抗震设计标准, 结构是安全了, 但造价就会增大, 所以, 2010版规范虽然将抗震设计标准有所提高, 但仍未能全面提高。其实, 再仔细分析50~120m高的非超限剪力墙结构和框架-剪力墙结构的计算结果, 可知提高抗震标准后造价增加较少。

　　 由剪力墙结构及框架-剪力墙结构的剪力墙受力特点可知, 剪力墙弯矩仅在底部1/8~1/5高度范围内较大, 而上部的弯矩较小^[6]。因此, 在中震计算时, 剪力墙底部弯矩增大较多, 需增加纵向受弯钢筋, 而剪力墙上部弯矩尽管按比例增大, 但绝对值自然较小, 剪力墙仍是构造配筋。另一方面, 这些弯曲型或剪弯型结构, 随着高度的增加, 抗弯需要的剪力墙多于抗剪需要的剪力墙, 即随着高度增加, 底部剪力墙的抗剪承载力比抗弯承载力富余, 当提高抗震设计标准时, 底部剪力墙截面及抗剪配筋均不需增加、或截面及抗剪配筋只需少量增加。

　　 因此, 50~120m高的非超限剪力墙及框架-剪力墙结构按性能目标设计后, 其竖向构件的混凝土用量几乎不会增加, 钢筋一般只是底部纵筋及水平筋增加, 对整个结构的造价增加较小。下面具体例子的计算结果说明了上述分析的正确性。

　　 目前, 为降低项目成本, 建筑高度及相应的结构形式都会尽量靠近规范限值, 下面四个例子都是目前房地产项目在7度抗震设防区常用的建筑高度及结构形式, 四个例子中结构都是非超限结构。例1:17层剪力墙结构, 首层层高4m, 2~17层层高均为3m, 总高52m, 抗震等级三级, 结构布置如图1所示;例2:25层剪力墙结构, 首层层高4m, 2~25层层高均为3m, 总高76m, 抗震等级三级, 结构布置如图2所示;例3:33层剪力墙结构, 首层层高4m, 2~33层层高均为3m, 总高100m, 抗震等级二级, 结构布置如图3所示;例4:32层框架-核心筒结构, 首层层高5.4m, 2~32层层高均为3.6m, 总高117m, 抗震等级二级, 结构布置如图4所示。

　　 以上例子按本文所提及的“C-”性能目标设计与按规范“二阶段”设计的结果相比, 结构下面几层剪力墙端部暗柱纵筋增大, 暗柱钢筋用量见表2, 剪力墙截面不需增大, 抗剪水平钢筋也只是个别比小震计算的大, 表2未列出的上部各层的剪力墙配筋与小震计算结果较为接近或相同。

　　 由计算结果可见:剪力墙抗弯配筋一般是中震不屈服计算结果比小震弹性结果大, 而抗剪配筋中震弹性计算结果与小震弹性结果比较接近。所以, 不必增加剪力墙厚度, 只要增加剪力墙端柱配筋, 就可以使结构的剪力墙满足抗弯中震不屈服、抗剪中震弹性的“C-”性能目标。根据计算结果实际配筋, 按整栋建筑总面积统计, “C-”性能目标的配筋比小震计算的钢筋用量只增加约1.0~1.5 kg/m², 增加造价较小, 但却大大提高了结构的安全可靠度。

　　 (1) 本文所列的几类典型非超限结构按规范的“二阶段”设计未能从量上保证结构构件承载力满足“中震可修、大震不倒”的抗震水准目标, 为提高结构的抗震能力, 建议此类非超限结构按本文所述的“C-”性能目标设计。

　　 (2) 7度抗震设防区中, 本文所列的几类典型非超限结构按“C-”性能目标设计后, 混凝土用量基本不需增加, 钢筋用量只增加约1.0~1.5kg/m², 对工程造价影响不大, 却能较大地提高结构的抗震性能, 增加结构安全度。

　　 (3) 8度抗震设防区或7度抗震设防区不同结构形式的非超限结构按“C-”性能目标设计后的经济性分析有待进一步研究。