朱立刚总工：美国高层建筑抗震性能化设计简介

引 言

自20世纪90年代，随着美国西海岸城市建设开发的需求，出现了高度更高、建筑形态更加多样化、结构体系更复杂以及高强高性能材料的高层建筑。但是美国西海岸是一个地震频繁的地区，这些结构体系或材料不在现行建筑规范的高度限制范围内。在许多情况下，结构规范的有关规定被发现过于严格，比如除非采用包含具有延性构造的抗弯框架以形成双重抗侧力系统，否则高度会被限制在240ft(约73m)；同时也限制了一些创新结构体系应用,比如钢框架+屈曲约束支撑或带有伸臂、腰桁架加强层的结构体系。太平洋地震工程研究中心(PEER)牵头组成的高层建筑课题小组(TBI) ^[1] 对抗震性能化设计进行了一系列的研究，并制定了相应的设计指南。此外美国西海岸地震区旧金山和洛杉矶也分别制定了地方法规。基于性能化的抗震设计方法和能力设计原则研究越来越充分、应用越来越多，美国ASCE及IBC等规范也特别规定允许采用抗震性能化设计方法作为规范的替代方法。这些指南和规定也进一步促进和发展了创新结构体系和材料在高层结构抗震设计的应用。

本文简要介绍美国主要抗震性能化标准，并以TBI作为主要参考，介绍美国抗震性能化设计流程、性能目标、设计参数，并结合ARUP美国部分项目及世界高层建筑与都市人居学会(CTBUH)制定的performance-based seismic design for tall building所提供的部分案例，对美国抗震性能化设计进行了进一步探讨。

美国抗震性能化发展历程

自1960年加州工程师学会(SEAOC)首次颁布了蓝皮书recommended lateral force requirements and commentary，第一次提出“三水准”性能目标，即“小震不坏，中震结构不坏、允许非结构破坏，大震不倒、允许结构和非结构构件破坏”，美国抗震设计在美国应用技术委员会(ATC)研究和推动下，不断更新完善。抗震性能化设计发展主要时间阶段：

(1) 1992年ATC-33首次将性能化抗震概念用于建筑物的加固。

(2) 1995年(Northridge地震后)SEAOC制定的performance-based seismic engineering vision 2000详细阐述基于性能化设计的概念及实施框架，包括从设计准则的选择和性能水平的定义到具体设计方法、步骤，把性能设计延伸到新建筑的设计。

(3) 1996年以后，ATC-40报告首次将基于性能设计的抗震设计理论纳入其中，并相继出台了FEMA 273、FEMA 306、FEMA 356等一系列指导性文件。其中FEMA 273首次定义结构不同性能水准：1)可运行(OP)；2)立即入住(IO)；3)生命安全(LS)；4)防止倒塌(CP)。

(4) 2002年美国联邦应急管理署(FEMA)推行发展性能化设计的计划，由ATC编写了新一代基于性能抗震设计指南。

(5) 2006年美国土木工程师学会(ASCE)汇总了FEMA研究成果，颁布ASCE-06：seismic evaluation and retrofit of existing buildings。

(6)近10年来 PEER牵头编制TBI (tall buildings initiative) v2010、v2017。

(7) CTBUH在2008年及2017分别制定performance-based seismic design for tall building ^[2] 。

目前最新的美国高层结构抗震性能化设计主要采用的标准指南(图1)如下：

(1) CTBUH制定的performance-based seismic design for tall building，中文译名《高层抗震性能化设计》(2017年版)。

(2) TBI 制定的guidelines for performance-based seismic design of tall building，中文译名《高层抗震性能化设计指南》。

(3) 洛杉矶高层结构委员会(LATBSDC)2017年编写的an alternative procedure for seismic analysis and design of tall buildings located in the Los Angeles region，中文译名《洛杉矶地区的高层建筑结构抗震分析和设计的替代程序》 ^[3] 。

(4) 旧金山建筑部门编制的AB-083：requirements and guidelines for the seismic design of new tall buildings using non-prescriptive seismic-design procedures,中文译名《采用非规范方法的新建高层建筑抗震设计程序》 ^[4] 。

美国抗震性能化设计的流程和要求

总体看，美国要求从事抗震性能化设计的结构工程师应该具有很高的专业素质，具有判断和选取合适的地震波能力、动力弹塑性分析的知识和经验，必须对结构原型的安全性负责。结构工程师应选择合适的计算软件并根据计算软件的力学原理，合理地将结构原型简化为符合计算软件力学原理的计算模型，并根据力学概念将模型计算结果合理转化为结构计算所需要的内力、变形等，用于结构原型设计。例如TBI对采用抗震性能化设计方法的团队和人员，有如下知识和经验的明文要求：1)地面地震动风险评估能力；2)抗震结构系统的选择能力；3)非线性动力结构响应与分析能力；4)熟悉并应用结构的构造；5)明确足够的施工质量保证，确保施工符合设计要求。LATBSDC还特别要求结构工程师掌握能力设计的方法，熟悉不同材料和构件的非线性特点以及对结构损伤评估的能力。

由于抗震性能化设计是采用规范替代设计方法，加上高层结构的复杂性、独特性，设计通常需要对结构系统进行高级分析；并且其设计复杂性在设计指南的编写中亦无法完全预见，因此独立同业评审是非常必要的。美国大多数建筑主管部门都会根据IBC或ASCE 7的替代方法条款，在审批的时候要求启动独立抗震同业评审(seismic peer review)。许多建筑主管部门通常还建议这个同业评审团队由有经验的工程师和学术界专家组成,并且在建筑抗震设计或地震危险性评估方面具有丰富的经验。通常按照建筑法规，对于如下建筑一般会强制要求进行同业评审：1)建筑规范中定义的地震风险评估为Ⅳ类建筑；2)宽高比≥7的建筑物；3)高度超过500ft(160m)或总建筑面积超过1 000 000ft ² (100 000m ² )的建筑物；4)高于7层的建筑，其中任何构件支撑的总面积超过建筑面积的15%；5)采用非线性时程分析、Pushover分析或渐进加载技术设计的建筑结构。

在采用抗震性能化设计方法之前，需征得建筑主管部门的同意。设计单位基于抗震性能化设计所制定的设计准则、方法和目标，需要报当地主管建筑部门批准,同时同业评审对结构设计的这些方面进行独立、客观的技术审查，并提供审核意见。其各阶段主要流程如图2所示。

美国抗震性能化设计的基本性能目标和准则

首先根据建筑重要性、功能及人员数量，确定其风险类别。通常由建筑主管部门根据建筑法规确定，ASCE 7-16 ^[5] 对风险类别定义如下：1)办公楼面积≤750 000平方尺，约75 000m ² ，风险类别Ⅱ;2)办公楼面积>750 000平方尺，约75 000m ² ，风险类别Ⅲ;3)住宅、公寓人数≤5 000人，风险类别Ⅱ。

风险类别Ⅰ、Ⅱ类、普通使用功能，在罕遇地震MCER控制10%倒塌的概率；类似中国标准设防类别。

风险类别Ⅲ类、特殊使用功能，在罕遇地震MCER控制5%倒塌的概率；类似中国重点设防类别。

风险类别Ⅳ类、重要设施，在罕遇地震MCER控制2.5%倒塌概率，包括在设计地震工况下(中震)保持功能目标；类似中国特殊设防类别。

在某些情况下对于多塔大底盘建筑，高层建筑与其他建筑物共享一个公共的裙房，一些建筑主管部门通常会按照裙房以上所有塔楼占用率人数确定地震风险类别。如果塔楼和裙楼设有防震缝，每栋建筑都对地震震动作出独立响应，那么可以允许根据防震缝划分单元范围内的人员使用情况来确定风险类别。

根据美国规范ASCE 7-16有关抗震要求，对于大部分项目，都是可以按照风险类别Ⅰ、Ⅱ类去制定性能目标，对于风险类别为Ⅲ、Ⅳ类的结构，其相应的性能水准会比Ⅱ类适当提高。图3为不同地震设防水准下风险类别与相关的预期性能。

▲ 图3 不同地震设防水准下风险类别与相关的预期性能

目前美国抗震性能设计一般按照两阶段、两水准设计方法进行抗震性能评估,即：1)服务水准评估(service-level evaluation，简称SLE)。这一水准地震作用采用30年内超过50%概率，相当于43年重现期，此阶段地震水准是按照地震发生概率定义，相当于中国规范的小震，因此很多文献也将其翻译成频(常)遇地震。2)基于风险目标最大考虑地震(risk-targeted maximum considered earthquake，简称MCER)，相当于2 475年重现期。ASCE 7-16按照不同风险类别定义这一水准地震破坏概率，表1显示不同风险类别和破坏概率之间关系。

可以采用纯弹性模型，也可以采用非线性模型分析。这一阶段评估的目的是验证建筑物的结构和非结构构件在经历频遇地震之后是否保持基本弹性及正常使用功能；对于耗能构件也允许屈服进入轻微塑性(允许进行有限维修)。

(1) 构件承载力计算要求

根据能力设计原则，构件承载力验算主要根据能力与需求之比(demand capacity ratio ，即DCR)，其中，变形控制的模式：DCR≤1.5 (风险类别Ⅰ、Ⅱ)、DCR ≤ 1.2 (风险类别Ⅲ)、DCR ≤专门确定 (风险类别Ⅳ)；承载力控制的模式：LATBSDC要求DCR≤0.7 ，TBI要求DCR≤1。

(2) 结构层间位移角控制要求

不论结构形式和高度，层间位移角控制限值均为1/200。SLE工况下层间位移角限值主要作用是避免非结构构件发生较大的变形。

这一阶段分析应采用三维动力弹塑性进行评估。该评估级别旨在证明：当建筑物受到上述地震动作用时，倒塌概率较低。需评估包括抗侧力系统的结构构件和其他结构构件，幕墙及其与结构的连接必须能够适应MCER位移响应而不会发生故障。

(1) 结构层间位移角控制要求

TBI规定在罕遇地震下结构不倒塌的要求为：1)11条时程波层间位移角平均值≤3.0%，最大值≤4.5%；2)11条时程波层间残余变形平均值≤1.0%，最大值≤1.5%。

(2) 构件损伤要求

变形控制模式(风险类别为Ⅱ类的建筑)：1)混凝土墙压应变(非约束混凝土)限值为0.3%；2)混凝土墙压应变(约束混凝土构造按照ACI 318)限值为0.15%。

混凝土连梁塑性转角限值：1)普通混凝土连梁不大于2%；2)有交叉斜撑的混凝土连梁不大于5%；3)风险类别为Ⅲ类，其限值要除以1.25。

(3) 力控制的模式

对于关键构件或关键受力模式(比如强剪)，其承载力不小于1.5倍11条时程波最大值的平均值；对于普通构件或普通受力模式，其承载力小于1.0倍11条时程波最大值的平均值

 美国抗震性能化设计主要原则和设计参数

(1) 基于能力设计的原则，根据不同的结构体系以及结构构件在大震下的预期表现，明确结构构件受力模式是按照承载力设计还是按照变形设计。其中对于按照变形设计，需要考虑屈服的位置和非线性表现，控制其变形不会出现临界强度衰减，并且通过塑性耗能，限制对其他结构构件的要求，从而可以将其他构件设计为具有足够的强度，以可靠地保持基本弹性。

(2) 为便于设计人员明确和掌握能力设计的原则，TBI和LATBSDC都根据不同结构体系，对所有抗侧力构件所受到的作用(action)分别定义为力控制(force-control action)模式和变形控制(deformation control action) 模式。其中力控制模式又根据其重要性分为关键和普通两种。

(3) 能力设计的原则不是强调构件是否是耗能构件还是关键构件，其原则是基于预期屈服和破坏的模式。例如对于连梁这种耗能构件，希望其受弯屈服耗能，控制其变形不超过设计性能目标；同时为避免其发生剪切脆性破坏，那么剪切模式就是一个力控制模式，通过这种性能化设计方法，达到“强剪弱弯”这种预期屈服机制。

所有需要采用抗震性能化设计的项目，均需要进行场地地震安全性评价。用于计算和确定SLE和MCER水准下的地震加速度反应谱。根据场地和结构动力特性，根据现场特定地震危险性概率分析(probabilistic seismic hazard analysis，简称PSHA)得出的MCER纵坐标不得低于ASCE 7-16第11章规定的纵坐标的20%以上。如果超过20%，则需要征得同业审查和相关政府主管部门的批准。

美国抗震性能化设计规程如TBI、CTBUH等地方性能化设计指南对一些重要参数都有明确的规定，这其中包括重力荷载代表值、等效黏滞阻尼比(简称阻尼比)、结构等效刚度、偶然偏心计算等，虽然每本规范要求略有差异，但是阻尼比及结构等效刚度取值基本一致。

SLE阶段评估可以不考虑偶然偏心影响。但是仍然需要按照ASCE 7计算每一层的扭转放大系数Ax，如果有任一楼层Ax超过1.2,那么MCE _R 阶段评估和分析就需要考虑偶然偏心的不利影响，其中Ax=考虑固有扭转和偶然扭转计算的第x楼层最大位移/考虑固有扭转计算的第x楼层最大位移。

美国IBC和ASCE 7规范都明确规定，采用抗震性能化设计可以作为规范设计替代方法。其设计方法和要求与规范有不少区别，这点与中国抗震性能化设计作为规范设计的一个补充，有着明显不同。对比了美国常用的设计规范ASCE 7-16与TBI，见表2。

尽管抗震性能化设计最低性能要求与规范具有等效性能，但许多结构工程师和同业审阅者需要其略高于结构规范最低性能。例如，ASCE 7-16允许所有时程分析评估在MCER负载下的平均最大楼层层间位移角不大于4%，而TBI和LATBSDC对于风险Ⅱ类的结构多条波最大楼层层间位移角平均值不大于3%，并且任一层瞬间层间位移角峰值均不能大于4.5%。此外，TBI和LATBSDC都要求楼层残余变形限值不大于1.5%，但ASCE 7-16没有对残余变形的验证要求。

美国抗震性能化设计案例简介

如前文所述，美国的抗震性能化设计在不同项目上应用，都需要事先与抗震同业评审专家组进行充分讨论后制定，并报政府主管部门同意。因此项目不同，所采用性能化设计方法、目标、设计参数也是各有不同，这点与中国目前所采用的“套餐”式的抗震性能化设计有很大不同。这进一步体现抗震性能化设计具有独特的“针对性”，而不是千篇一律。

此外采用抗震性能化设计，旨在满足罕遇地震下这种极端地震事件中的倒塌预防的基本安全目标，因此在确保结构抗震性能不低于规范中所要求同等倒塌概率前提下，采用抗震性能化设计是可以不遵循相关结构规范的要求，比如剪重比、位移比等要求。

总结介绍了CTBUH制定的performance-based seismic design for tall building第2版中的4个案例，并参考我司一些项目的实践经验，以供参考。

西雅图市民广场项目为45层塔楼+裙楼，建筑高度170m,43～45层为屋顶设备层，28～42层为住宅，27层为屋顶设备层，3～26层为办公，1～2层为商业；地下室5层。结构体系采用混凝土核心筒+顶部伸臂桁架+伸臂支撑柱。按照最大使用人数地震风险类别被指定为Ⅲ类。使用LS-DYNA中的非线性时程分析(NLTHA)对结构的性能进行了评估。结构模型及抗侧力体系示意见图5。

采用两种模型对结构进行评估：1)基础固结模型，采用刚性板下限刚度评估塔楼性能和基础筏板性能需求；2)基础采用轴向弹簧模型，采用刚性板上限刚度评估裙房顶板和地下室外墙性能需求。剖面示意图见图6。

主要构件按照能力设计原则分类如表3所示。对于力控制的模式，需要按照Ⅲ类建筑，承载能力要考虑0.8折减。结构性能目标见表4。

由于建筑物的高度、几何复杂性和非分类结构系统，以及高抗震要求，采用洛杉矶当地性能化设计指南LATBSDC，并由学术界和建筑界的国家认可地震专家组成的同业评审小组(PRP)批准。根据CBC 2013(加州建筑规范2013)和2014洛杉矶市建筑规范，该建筑地震风险等级Ⅱ，结构抗震性能化设计采用两水准性能目标：

(1) DBE水平：定义为MCER的三分之二,相当于中国中震水准。

(2) 基于风险MCE _R 水平：50年内的倒塌风险调整为1%，(中国罕遇地震是50年倒塌概率为2%,相当于重现期2 475年)。

(3) 设计性能目标和性能准则

1)根据CBC 2013采用隔震建筑的最低要求是遭受DBE地震作用时，性能水准要求达到立即使用(IO)。为了达到这一性能水平，结构的所有主要构件在DBE下保持弹性，在MCER下保持“基本弹性”,即定义为DCR=1.5)。

2)采用较低的层间位移角。设计团队和专家评审组充分沟通后，确定MCE _R 下的东西方向层间位移角限值0.7%、南北方向(横向)层间位移角限值1.0%。

3)钢箱“带”由于抵抗显著的轴向力和弯矩，并且是抵抗重力和侧向力的主要结构构件，因此其性能目标是保持基本弹性。

4)偏心钢板剪力墙作为以承载力控制为主的构件，其设计准则如下：DBE工况下，DCR<1；MCER工况下，竖向边柱DCR<1；水平梁DCR<1.5。

5)时程分析：选用9条时程波进行评估，其中2条用于DBE工况分析，5条用于MCER工况下构件性能检查，2条用于MCER工况下整体性能检查。在每一个设计迭代中共有63个独立的时程分析。

每个单独响应参数(构件力、位移等)的设计值基于一个“套件”中7个地震动中每个地震动的最大值的平均值。如果考虑多个套件，则在设计中使用最大平均值。

CTBUH制定的performance-based sesimic design for tall building 2 ^nd edition提供了四个性能化设计案例，限于篇幅，对案例1和3分别总结其性能化设计的要点，如表5所示。

其中，案例1、3的结构模型示意图见图8，结构平面示意图见图9。

众所周知，混凝土的无侧限压缩应变极限为0.003，但Wallace(2007)的研究表明，PERFORM-3D在某些情况下可能会低估压缩应变高达50%。因此，设计团队和同业评审小组一致同意使用0.001 5的压缩极限。此外为确保核心筒作为力控制模式，压缩应变计算考虑同时放大1.5倍。

总结及前景

通过对美国抗震性能化设计标准介绍，并结合具体案例进一步说明在高层结构设计中抗震性能化设计的不同应用。对比我国的抗震性能化设计，笔者认为有如下特点可以供同行参考和借鉴：

(1) 美国抗震性能化设计是作为一种规范替代设计方法，是不同于规范的一种设计方法。除了要满足不低于规范倒塌概率的要求，结构性能目标是可以有针对性地制定，体现抗震性能化设计所具有独特的“针对性”。而中国抗震性能化设计是在满足抗震规范的大框架和前提下进行性能提高的设计，基本上采用套餐模式，虽然项目差异很大，但是性能目标基本相同。

(2) TBI等抗震性能化标准明确规定了在罕遇地震下结构整体及构件不可以接受的准则，这也可以理解为中国规范的强制条文。

(3) 按照能力设计原则，采用两阶段设计方法进行常遇地震(SLE)和罕遇地震(MCE _R )两水准评估，实现不低于或高于规范同等抗倒塌性能。目前中国抗震性能化设计仍采用三阶段、三水准设计；而即将实行的CECS标准《建筑结构抗震性能化设计标准》则是采用两阶段、两水准设计。

(4) 根据风险类别，与主管部门、同业评审单位以及业主共同制定结构性能目标和设计准则。风险类别越高的结构，其性能目标也相应提高；这与中国抗震性能化设计比较一致，即重点设防类别建筑其性能要求要适当提高，安全等级宜为一级。

(5) 根据风险类别不同，结构承载力能力、变形能力要考虑折减，风险类别Ⅲ类折减0.8。对力控制模式或构件，按照罕遇地震(MCE _R )“不屈服”设计，一般设计内力可以采用1.5倍时程计算平均值。对于变形控制模式或构件，其弹塑性变形不超过延性变形能力。中国抗震性能化设计中(大)震不屈服设计一般只针对关键构件采用等效弹性反应谱地震力进行复核，此外对于重点设防类别的结构弹塑性分析中有关塑性转角限值并没有考虑结构重要性进行折减。

(6) 结构模型模拟更全面，包括基础、地下室外墙、隔板、重力柱等。时程作用点一般从基础底板施加。混凝土结构构件刚度考虑开裂，一般需要做适当折减。中国规范中弹塑性分析模型一般从嵌固端考虑，初始结构构件刚度不考虑开裂后刚度折减。

(7) 根据本场地地震风险评估，确定常遇、罕遇地震作用和时程波，而不是采用规范反应谱。时程波选取根据项目特点，无论是数量还是特征，都是和同业评审专家组进行充分讨论后确定。

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