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【摘 要】 对设计使用年限为100年、建筑抗震设防类别为重点设防类的框架结构进行基于性能的抗震设计。根据选定的结构构件性能指标，采用两种结构计算分析软件进行小震、中震、大震下的结构线弹性、静力弹塑性分析，以保证结构抗震性能目标的实现。
【关键词】 重点设防类；型钢混凝土框架结构；结构抗震性能化设计
1 结构概况
宁夏档案馆，位于银川市，为甲级档案馆。地下一层，地上局部六层，建筑面积40000m2。平面为88m×88m的正方形，柱网尺寸为8米，各层层高4.8m。建筑抗震设防类别为重点设防类（简称乙类），设计使用年限为100年，所在地区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2g，设计地震分组为第二组。场地类别为Ⅱ类，特征周期Tg=0.40s。
1.1结构型式
由于建筑功能的特殊要求，考虑到楼面荷载较大，楼层层高较高的特点，经方案比较，本工程结构型式最终确定为型钢混凝土框架结构，其中框架梁组合构件采用工字型截面型钢，框架柱采用十字型截面型钢。标准层结构平面图如图1-1所示。
图1-1 标准层结构平面图
1.2结构主要构件尺寸
构件类型 混凝土强度等级 截面 截面含钢率
框架柱 C45 1000×1000 8.28%
框架梁 C35 600×700 4.57%
楼、屋面板 C35 200厚
2 荷载及作用
2.1风荷载
银川市基本风压：重现期为100年时kN/m2，重现期为50年时kN/m2，重现期为10年时kN/m2。
2.2地震作用
根据《抗规》[1]规定，对设计使用年限超过50年的结构，其地震作用需做适当调整。参考《设计通则》[2]内容，本工程地震危险性特征分区为Ⅱ区，地震动参数分区为4区，场地设计谱的特征周期为0.4s，场地设计谱的最大值=2.25。各阶段地震作用下地震设计参数如表2.2-1所示。
表2.2-1 地震设计参数
设计等级 地震烈度 100设计基准期超越概率 设计地面加速度A（g） （地震系数） （地震影响系数）
1 多遇地震（小震） 63% 0.1102 0.1102 0.25
2 设防烈度（中震） 10% 0.2562 0.2562 0.58
3 罕遇地震（大震） 5% 0.3033 0.3033 0.68
3 性能目标
抗震性能目标是指在设定的地震作用下结构的预期性能水准。通常是在业主和结构设计师协商的基础上，确定结构性能，由结构设计人员选择适当的设计和计算方法对结构及构件进行设计，并确认结构具有确定的结构性能。现行《抗规》提出4个性能目标等级、3个地震水准、7个性能水准，详细定义了各个性能目标下对应的结构宏观破坏程度、承载力验算、材料强度取值及层间位移参考指标。7个性能水准分别为：小震完好、中震完好、基本完好、轻-中等破坏、轻微损坏、中等破坏、不严重破坏。
《设计通则》把抗震建筑按使用功能分为四类，对应不同的地震动水平，规定了建筑的最低抗震性态要求。结构性能水平分为四个阶段：充分运行、基本运行、生命安全、接近倒塌。
经综合考虑，本工程结构性能目标设定如表3-1所示：
表3-1 结构性能目标
地震动水平 结构构件性能目标 结构层间位移性能目标
多遇地震（小震） 充分运行 1/550
设防烈度（中震） 运行 1/200
罕遇地震（大震） 基本运行 1/100
结构在多遇地震作用下保持弹性：结构构件承载力和层间位移均满足《抗规》要求，构件满足弹性设计要求，抗震构造措施满足《抗規》要求。该阶段设计表达式为：或
式中：S——结构构件内力组合的设计值，包括组合的弯矩、剪力、和轴向力设计值等；
R——结构构件承载力设计值；
SE——地震作用下结构构件内力组合的设计值，包括组合的弯矩、剪力、和轴向力设计值等；
——承载力抗震调整系数，按《抗规》选用。
设防烈度地震作用下保持弹性：不考虑地震组合内力调整系数，但考虑荷载作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数，框架柱、框架梁承载力满足中震计算弹性。该阶段设计表达式为：
罕遇地震作用下不屈服：不考虑地震组合内力调整系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数，荷载作用分项系数均取1.0。框架柱、框架梁允许承载力接近屈服阶段，但不发生剪切等脆性破坏，构件的抗震构造满足延性要求。该阶段设计表达式为：
式中：SEK——地震作用下结构构件内力标准组合的设计值，包括组合的弯矩、剪力、和轴向力设计值等；
RK——结构构件承载力设计值，其中材料强度取用标准值，材料分项系数取为1.0。
4 结构分析
按《抗规》要求，结构的抗震等级为一级，按《设计通则》要求，结构抗震设计类别为D类。地震作用下结构构件内力调整系数如表4-1所示：
表4-1 结构构件内力调整系数
结构抗震 框架柱端弯矩增大系数 框架柱端剪力增大系数 框架梁端剪力增大系数 底层框架柱端弯矩增大系数 角柱调整后的弯矩。剪力增大系数
一级框架结构 1.7 1.5 1.3 1.7 1.10
D类框架结构 1.5 1.45 1.4 1.5 1.10～1.30
结构分析分别采用中国建筑科学研究院PKPM系列的SATWE、PMSAP和美国CSI公司的ETABS2013.1.4中文版进行计算，水平地震作用计算方法为振型分解反应谱法。 多遇地震作用下，采用弹性分析。由软件自行判断最不利作用方向。周期折减系数取值0.80以考虑非结构构件对刚度的影响。结构阻尼比取值=0.05。地下一层与地上一层剪切刚度比为3.2（X向）、2.9（Y向），地下室顶板为上部结构的嵌固部位。地上结构主要分析结果见表4-2所示：
表4-2 多遇地震作用下结构分析结果
分析方法 振型分解反应谱法
分析软件 SATWE PMSAP ETABS
第一平动周期T1 0.5688s 0.569s 0.575s
第二平动周期T2 0.5664s 0.567s 0.574s
第一扭转周期Tt 0.5295s 0.529s 0.531s
Tt/T1 0.93 0.93 0.93
结构底部剪力系数（剪重比） X向 17.36% X向 17.36% X向 16.73%
Y向 17.41% Y向 17.21% Y向 16.73%
地震作用下
最大层间位移角 X向 1/638 X向 1/630 X向 1/641
Y向 1/621 Y向 1/608 Y向 1/650
规定水平地震作用下最大扭转位移比 X向 1.01 X向 1.016 X向 1.044
Y向 1.02 Y向 1.036 Y向 1.007
楼层侧移刚度之比最小值（底/上） Ratx1 1.0 Ratx1 1.25 Ratx1 1.0
Raty1 1.0 Raty1 1.25 Raty1 1.0
楼层抗剪承载力之比最小值（底/上） X向 1.0 X向 1.0 X向 1.0
Y向 1.0 Y向 1.0 Y向 1.0
基底剪力（kN） X向 86283.4 X向 85627 X向 80993
Y向 86034.2 Y向 85156 Y向 80978
基底弯矩（kN.m） X向 1189583 X向 1215770 X向 1144289
Y向 1185534 Y向 1208968 Y向 1143726
注：1.Ratx1、Raty1为X、Y方向本层侧移刚度与上一层侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小值。
多遇地震作用下，验算结果表明结构构件均处于弹性状态。楼层剪力与层间位移角分析结果如图4-1、图4-2所示。
图4-1 层间位移角曲线图
图4-2 楼层剪力曲线图
设防烈度地震作用下，采用弹性分析。周期折减系数取值1.0，结构阻尼比取值=0.05。结构分析结果见表4-3所示：
表4-3 设防烈度地震作用下结构分析结果
分析方法 振型分解反应谱法
分析软件 SATWE PMSAP ETABS
第一平动周期T1 0.5688s 0.569s 0.575s
第二平动周期T2 0.5664s 0.567s 0.574s
第一扭转周期Tt 0.5295s 0.529s 0.531s
Tt/T1 0.93 0.93 0.93
结构底部剪力系数（剪重比） X向 33.41% X向 33.16% X向 31.8%
Y向 33.30% Y向 32.98% Y向 31.8%
地震作用下
最大层间位移角 X向 1/338 X向 1/333 X向 1/342
Y向 1/329 Y向 1/322 Y向 1/347
规定水平地震作用下最大扭转位移比 X向 1.01 X向 1.016 X向 1.044
Y向 1.02 Y向 1.036 Y向 1.007
楼层侧移刚度之比最小值（底/上） Ratx1 1.0 Ratx1 1.25 Ratx1 1.0
Raty1 1.0 Raty1 1.25 Raty1 1.0
楼层抗剪承载力之比最小值（底/上） X向 1.0 X向 1.0 X向 1.0
Y向 1.0 Y向 1.0 Y向 1.0
基底剪力（kN） X向 165104.9 X向 163847 X向 154233
Y向 164588.3 Y向 162939 Y向 154093
基底弯矩（kN.m） X向 2246090 X向 2326705 X向 2144155
Y向 2238220 Y向 2313712 Y向 2141503
设防烈度地震作用下，验算结果表明，第二层中庭24m跨普通钢筋混凝土井字梁在框架柱端处8个截面抗剪承载力超限，对超限构件采取设置通长型钢后，抗剪承载力满足弹性设计要求。8根門廊处普通钢筋混凝土框架柱（400×400）纵向钢筋配筋率超限，对超限构件采取调整截面措施。其余主要构件均满足弹性设计要求。楼层剪力与层间位移角分析结果如图4-3、图4-4所示。
图4-3 层间位移角曲线图
图4-4 楼层剪力曲线图
罕遇地震作用下，采用增加阻尼的等效线性化方法分析。周期折减系数取值1，10，结构阻尼比取值=0.06。结构分析结果见表4-4所示。
表4-4 罕遇地震作用下结构分析结果
分析方法 振型分解反应谱法
分析软件 SATWE PMSAP ETABS
地震作用下最大层间位移角 X向 1/333 X向 1/302 X向 1/308
Y向 1/325 Y向 1/292 Y向 1/313
基底剪力（kN） X向 169672.8 X向 182360 X向 171234
Y向 169268.3 Y向 181564 Y向 171083
基底弯矩
（kN.m） X向 2289137 X向 2585288 X向 2381093
Y向 2283115 Y向 2573875 Y向 2378280
罕遇地震作用下，验算结果表明少量框架柱抗剪承载力及抗弯承载力接近屈服承载力，第二层中庭24m跨普通钢筋混凝土井字梁在框架柱端处8个截面抗剪承载力超限，对超限构件采取设置通长型钢后，抗剪承载力满足弹性设计要求。楼层剪力与层间位移角分析结果如图4-5、图4-6所示。
图4-5 层间位移角曲线图
图4-6 楼层剪力曲线图
在倒三角形荷载作用下，分别对结构进行X向、Y向大震作用下弹塑性静力分析。需求谱采用调整后的规范反应谱。以X向分析结果为例，结构的能力曲线、需求曲线见抗倒塌验算见图4-7所示。能力曲线与需求曲线交点[T（s），A（g）]为0.601，0.429。性能点最大层间位移角为1/319，性能点基底剪力为171274.5kN。分析结果表明，大震作用下的结构变形性能满足性能目标要求。
图4-7 结构的能力曲线、需求曲线见抗倒塌验算
参考文献：
[1] GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[2] CECS160：2004建筑工程抗震性态设计通则[S].北京：中国计划出版社，2004.
【关键词】 重点设防类；型钢混凝土框架结构；结构抗震性能化设计
1 结构概况
宁夏档案馆，位于银川市，为甲级档案馆。地下一层，地上局部六层，建筑面积40000m2。平面为88m×88m的正方形，柱网尺寸为8米，各层层高4.8m。建筑抗震设防类别为重点设防类（简称乙类），设计使用年限为100年，所在地区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2g，设计地震分组为第二组。场地类别为Ⅱ类，特征周期Tg=0.40s。
1.1结构型式
由于建筑功能的特殊要求，考虑到楼面荷载较大，楼层层高较高的特点，经方案比较，本工程结构型式最终确定为型钢混凝土框架结构，其中框架梁组合构件采用工字型截面型钢，框架柱采用十字型截面型钢。标准层结构平面图如图1-1所示。
图1-1 标准层结构平面图
1.2结构主要构件尺寸
构件类型 混凝土强度等级 截面 截面含钢率
框架柱 C45 1000×1000 8.28%
框架梁 C35 600×700 4.57%
楼、屋面板 C35 200厚
2 荷载及作用
2.1风荷载
银川市基本风压：重现期为100年时kN/m2，重现期为50年时kN/m2，重现期为10年时kN/m2。
2.2地震作用
根据《抗规》[1]规定，对设计使用年限超过50年的结构，其地震作用需做适当调整。参考《设计通则》[2]内容，本工程地震危险性特征分区为Ⅱ区，地震动参数分区为4区，场地设计谱的特征周期为0.4s，场地设计谱的最大值=2.25。各阶段地震作用下地震设计参数如表2.2-1所示。
表2.2-1 地震设计参数
设计等级 地震烈度 100设计基准期超越概率 设计地面加速度A（g） （地震系数） （地震影响系数）
1 多遇地震（小震） 63% 0.1102 0.1102 0.25
2 设防烈度（中震） 10% 0.2562 0.2562 0.58
3 罕遇地震（大震） 5% 0.3033 0.3033 0.68
3 性能目标
抗震性能目标是指在设定的地震作用下结构的预期性能水准。通常是在业主和结构设计师协商的基础上，确定结构性能，由结构设计人员选择适当的设计和计算方法对结构及构件进行设计，并确认结构具有确定的结构性能。现行《抗规》提出4个性能目标等级、3个地震水准、7个性能水准，详细定义了各个性能目标下对应的结构宏观破坏程度、承载力验算、材料强度取值及层间位移参考指标。7个性能水准分别为：小震完好、中震完好、基本完好、轻-中等破坏、轻微损坏、中等破坏、不严重破坏。
《设计通则》把抗震建筑按使用功能分为四类，对应不同的地震动水平，规定了建筑的最低抗震性态要求。结构性能水平分为四个阶段：充分运行、基本运行、生命安全、接近倒塌。
经综合考虑，本工程结构性能目标设定如表3-1所示：
表3-1 结构性能目标
地震动水平 结构构件性能目标 结构层间位移性能目标
多遇地震（小震） 充分运行 1/550
设防烈度（中震） 运行 1/200
罕遇地震（大震） 基本运行 1/100
结构在多遇地震作用下保持弹性：结构构件承载力和层间位移均满足《抗规》要求，构件满足弹性设计要求，抗震构造措施满足《抗規》要求。该阶段设计表达式为：或
式中：S——结构构件内力组合的设计值，包括组合的弯矩、剪力、和轴向力设计值等；
R——结构构件承载力设计值；
SE——地震作用下结构构件内力组合的设计值，包括组合的弯矩、剪力、和轴向力设计值等；
——承载力抗震调整系数，按《抗规》选用。
设防烈度地震作用下保持弹性：不考虑地震组合内力调整系数，但考虑荷载作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数，框架柱、框架梁承载力满足中震计算弹性。该阶段设计表达式为：
罕遇地震作用下不屈服：不考虑地震组合内力调整系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数，荷载作用分项系数均取1.0。框架柱、框架梁允许承载力接近屈服阶段，但不发生剪切等脆性破坏，构件的抗震构造满足延性要求。该阶段设计表达式为：
式中：SEK——地震作用下结构构件内力标准组合的设计值，包括组合的弯矩、剪力、和轴向力设计值等；
RK——结构构件承载力设计值，其中材料强度取用标准值，材料分项系数取为1.0。
4 结构分析
按《抗规》要求，结构的抗震等级为一级，按《设计通则》要求，结构抗震设计类别为D类。地震作用下结构构件内力调整系数如表4-1所示：
表4-1 结构构件内力调整系数
结构抗震 框架柱端弯矩增大系数 框架柱端剪力增大系数 框架梁端剪力增大系数 底层框架柱端弯矩增大系数 角柱调整后的弯矩。剪力增大系数
一级框架结构 1.7 1.5 1.3 1.7 1.10
D类框架结构 1.5 1.45 1.4 1.5 1.10～1.30
结构分析分别采用中国建筑科学研究院PKPM系列的SATWE、PMSAP和美国CSI公司的ETABS2013.1.4中文版进行计算，水平地震作用计算方法为振型分解反应谱法。 多遇地震作用下，采用弹性分析。由软件自行判断最不利作用方向。周期折减系数取值0.80以考虑非结构构件对刚度的影响。结构阻尼比取值=0.05。地下一层与地上一层剪切刚度比为3.2（X向）、2.9（Y向），地下室顶板为上部结构的嵌固部位。地上结构主要分析结果见表4-2所示：
表4-2 多遇地震作用下结构分析结果
分析方法 振型分解反应谱法
分析软件 SATWE PMSAP ETABS
第一平动周期T1 0.5688s 0.569s 0.575s
第二平动周期T2 0.5664s 0.567s 0.574s
第一扭转周期Tt 0.5295s 0.529s 0.531s
Tt/T1 0.93 0.93 0.93
结构底部剪力系数（剪重比） X向 17.36% X向 17.36% X向 16.73%
Y向 17.41% Y向 17.21% Y向 16.73%
地震作用下
最大层间位移角 X向 1/638 X向 1/630 X向 1/641
Y向 1/621 Y向 1/608 Y向 1/650
规定水平地震作用下最大扭转位移比 X向 1.01 X向 1.016 X向 1.044
Y向 1.02 Y向 1.036 Y向 1.007
楼层侧移刚度之比最小值（底/上） Ratx1 1.0 Ratx1 1.25 Ratx1 1.0
Raty1 1.0 Raty1 1.25 Raty1 1.0
楼层抗剪承载力之比最小值（底/上） X向 1.0 X向 1.0 X向 1.0
Y向 1.0 Y向 1.0 Y向 1.0
基底剪力（kN） X向 86283.4 X向 85627 X向 80993
Y向 86034.2 Y向 85156 Y向 80978
基底弯矩（kN.m） X向 1189583 X向 1215770 X向 1144289
Y向 1185534 Y向 1208968 Y向 1143726
注：1.Ratx1、Raty1为X、Y方向本层侧移刚度与上一层侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小值。
多遇地震作用下，验算结果表明结构构件均处于弹性状态。楼层剪力与层间位移角分析结果如图4-1、图4-2所示。
图4-1 层间位移角曲线图
图4-2 楼层剪力曲线图
设防烈度地震作用下，采用弹性分析。周期折减系数取值1.0，结构阻尼比取值=0.05。结构分析结果见表4-3所示：
表4-3 设防烈度地震作用下结构分析结果
分析方法 振型分解反应谱法
分析软件 SATWE PMSAP ETABS
第一平动周期T1 0.5688s 0.569s 0.575s
第二平动周期T2 0.5664s 0.567s 0.574s
第一扭转周期Tt 0.5295s 0.529s 0.531s
Tt/T1 0.93 0.93 0.93
结构底部剪力系数（剪重比） X向 33.41% X向 33.16% X向 31.8%
Y向 33.30% Y向 32.98% Y向 31.8%
地震作用下
最大层间位移角 X向 1/338 X向 1/333 X向 1/342
Y向 1/329 Y向 1/322 Y向 1/347
规定水平地震作用下最大扭转位移比 X向 1.01 X向 1.016 X向 1.044
Y向 1.02 Y向 1.036 Y向 1.007
楼层侧移刚度之比最小值（底/上） Ratx1 1.0 Ratx1 1.25 Ratx1 1.0
Raty1 1.0 Raty1 1.25 Raty1 1.0
楼层抗剪承载力之比最小值（底/上） X向 1.0 X向 1.0 X向 1.0
Y向 1.0 Y向 1.0 Y向 1.0
基底剪力（kN） X向 165104.9 X向 163847 X向 154233
Y向 164588.3 Y向 162939 Y向 154093
基底弯矩（kN.m） X向 2246090 X向 2326705 X向 2144155
Y向 2238220 Y向 2313712 Y向 2141503
设防烈度地震作用下，验算结果表明，第二层中庭24m跨普通钢筋混凝土井字梁在框架柱端处8个截面抗剪承载力超限，对超限构件采取设置通长型钢后，抗剪承载力满足弹性设计要求。8根門廊处普通钢筋混凝土框架柱（400×400）纵向钢筋配筋率超限，对超限构件采取调整截面措施。其余主要构件均满足弹性设计要求。楼层剪力与层间位移角分析结果如图4-3、图4-4所示。
图4-3 层间位移角曲线图
图4-4 楼层剪力曲线图
罕遇地震作用下，采用增加阻尼的等效线性化方法分析。周期折减系数取值1，10，结构阻尼比取值=0.06。结构分析结果见表4-4所示。
表4-4 罕遇地震作用下结构分析结果
分析方法 振型分解反应谱法
分析软件 SATWE PMSAP ETABS
地震作用下最大层间位移角 X向 1/333 X向 1/302 X向 1/308
Y向 1/325 Y向 1/292 Y向 1/313
基底剪力（kN） X向 169672.8 X向 182360 X向 171234
Y向 169268.3 Y向 181564 Y向 171083
基底弯矩
（kN.m） X向 2289137 X向 2585288 X向 2381093
Y向 2283115 Y向 2573875 Y向 2378280
罕遇地震作用下，验算结果表明少量框架柱抗剪承载力及抗弯承载力接近屈服承载力，第二层中庭24m跨普通钢筋混凝土井字梁在框架柱端处8个截面抗剪承载力超限，对超限构件采取设置通长型钢后，抗剪承载力满足弹性设计要求。楼层剪力与层间位移角分析结果如图4-5、图4-6所示。
图4-5 层间位移角曲线图
图4-6 楼层剪力曲线图
在倒三角形荷载作用下，分别对结构进行X向、Y向大震作用下弹塑性静力分析。需求谱采用调整后的规范反应谱。以X向分析结果为例，结构的能力曲线、需求曲线见抗倒塌验算见图4-7所示。能力曲线与需求曲线交点[T（s），A（g）]为0.601，0.429。性能点最大层间位移角为1/319，性能点基底剪力为171274.5kN。分析结果表明，大震作用下的结构变形性能满足性能目标要求。
图4-7 结构的能力曲线、需求曲线见抗倒塌验算
参考文献：
[1] GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[2] CECS160：2004建筑工程抗震性态设计通则[S].北京：中国计划出版社，2004.