摘 要：建筑結構是由不同力學單元組合形成的復雜系統，從系統層次控制結構在強震下的動力響應與損傷過程對結構抗震設計具有重要意義。為使建筑結構具有“穩定、有序、漸進、可控”的地震損傷機制與破壞模式，預先設計明確的損傷機制和提高結構整體屈服后剛度是有效途徑。在此背景下，“體系能力設計法”得以提出和發展。體系能力設計法通過在體系層次設置主、次結構，使結構的彈塑性動力響應受控于抗震能力較高的主結構，從而實現性態控制。該文綜述了體系能力設計法中的關鍵科學問題在近年來的重要發展，并探討了體系能力設計法的工程指導意義與未來發展方向。

　　關鍵詞：損傷機制;屈服后剛度;性態控制;抗震設計;性能檢驗;高層建筑

　　1 體系能力設計法的提出背景

　　隨著抗震工程的發展，建筑結構抗震設計方法漸趨成熟，抗震設計的主要目標從保證結構的地震安全逐步發展到控制地震損失和保障功能可恢復性[1 − 2]。無論針對何種目標，從系統層次明確結構在地震作用下的損傷機制與破壞模式，對實現整體結構的抗震性態目標具有重要的科學意義與工程價值。因此，如何提出一套理論可靠且實際操作性強的抗震設計方法，使建筑結構能夠具有“穩定、有序、漸進、可控”的損傷機制與破壞模式，成為抗震工程領域亟待突破的關鍵科學難題，引發了行業學者的廣泛關注[3 − 4]。實現建筑結構的抗震性態目標需要控制結構彈塑性地震響應的離散性。

　　但是，經杰[5] 的研究表明，一般建筑結構在地震作用下的非彈性響應基本無規律可循。這主要體現在：1) 不同的地震作用可能在建筑不同樓層產生很大的非彈性地震響應;2) 對于同樣的地震作用和結構體系，如果結構的周期不同，也可能在不同樓層產生很大的非彈性地震響應。

　　因此，常規設計方法多停留在對結構性能目標的被動檢驗，難以從系統層次主動地控制建筑結構的地震響應。經杰[5]、馬千里等[6]、周靖[7]、Christopoulos等[8] 的一系列研究表明：在結構進入彈塑性階段后，如果結構整體的屈服后剛度過小，會出現“薄弱層”并引起損傷和變形的集中，進而增大結構地震響應的離散性。

　　相比之下，具有明確損傷機制和整體屈服后剛度的結構，其地震響應的離散性通常較小[9]。所以，提高結構整體屈服后剛度、預先設計明確的損傷機制，對于結構抗震性能的穩定和震后殘余位移的控制具有重要影響，上述觀點為建筑結構的性態控制提供了新的發展方向。通常而言，單一結構體系難以具有足夠高的結構整體屈服后剛度[10]。因此，各國學者[11 − 13]嘗試以不同結構體系的先后屈服來滿足上述需求，并相繼提出了主-次結構、剛-柔結構等概念。

　　以主-次結構為例，它是指將結構在體系上區分為主體結構 (主結構) 和次要結構 (次結構)。在荷載分配上，主結構主要承擔豎向荷載和部分水平荷載，次結構主要承擔水平荷載。次結構先于主結構屈服，起到耗能和保護主結構的作用[10]。這種設計既可以實現較高的結構整體屈服后剛度(由主結構提供)，又設定了明確的損傷機制 (次結構先屈服耗能，主結構保持完好或低損傷)，對控制結構地震響應具有重要意義。在此基礎上，葉列平[14] 將構件層次的能力設計法擴展到體系層次，提出了“體系能力設計法”。

　　2 體系能力設計法的基本理念

　　“體系能力設計法”的理念來源于能力設計法(capacity design method)[15]。能力設計法的主要思想是，通過控制不同構件之間或同一構件的不同受力狀態之間的承載力級差，避免結構出現不合理的損傷機制，使結構具有足夠的塑性變形能力和耗能能力，防止結構倒塌。目前流行的 “強柱弱梁、強剪弱彎、強連接 (節點) 弱構件” 就是該設計思想的具體體現。

　　能力設計法的關鍵在于將控制的概念引入結構抗震設計，有目的地引導結構損傷向合理的預期模式發展，是一種主動的結構抗震設計思想。體系能力設計法將能力設計法的基本理念從構件層次提升到結構體系層次，通過對整體結構的不同部分設定能力級差，采用不同的抗震能力要求，保證主結構在大震下能夠提供足夠的結構整體屈服后剛度 (通過保持彈性或損傷程度很低)，并明確預期損傷部位 (次結構)，使結構的彈塑性動力響應受控于抗震能力較高的主結構，避免變形和能量集中。

　　為方便定量表達，葉列平[14] 定義了兩個參數：

　　1) 能力系數，指各構件的實際承載力與抗震承載力需求之比;2) 能力比，指不同構件的能力系數之比。對于主-次結構體系，可使主結構中的水平抗側力構件具有較大的能力系數，而使次結構具有較小的能力系數，并通過能力比控制主、次結構在不同水平地震作用下的性態差異和損傷程度。體系能力設計法對主結構的特殊性能要求主要體現在：

　　1) 具有高承載力，且能提供足夠的結構整體屈服后剛度。由于次結構率先進入塑性階段并耗能，因此在強震作用下，結構整體屈服后剛度主要由主結構提供。為明確結構整體屈服后剛度需求，眾多研究學者對屈服后剛度系數 η (即結構整體屈服后剛度與初始彈性剛度的比值) 開展了研究。針對框架結構，Nakashima 等[11] 提出，為使框架結構不出現變形和能量集中，應滿足 η ≥0.75。Connor 等[12] 以桿系模型為研究對象，指出應滿足 η ≥ 0.33。經杰[5] 和程光煜[10] 的研究表明，當 η ≥ 0.5 時，可以避免變形和累積滯回耗能集中于某一樓層，且 η 越大，結構地震損傷的分布越均勻。

　　馬千里等[6] 發現 η > 0.2 時，結構彈塑性地震響應具有較好的穩定性 (響應的離散性隨地震動強度變化的穩定程度);若 η > 0.4，則結構在強震作用下的彈塑性響應不僅具有較好的穩定性，還具有較小的離散性。雖然研究者對于結構整體屈服后剛度的定量需求尚未達成共識，但一致認為主結構需在強震下基本保持彈性或損傷程度較低，以滿足結構整體屈服后剛度需求。

　　2) 具有高彈性變形能力。目前絕大多數建筑結構構件需要發生較大的變形才能充分耗散地震能量，因此，為使次結構能夠充分耗能，主結構必須在維持基本彈性的同時具有足夠的變形能力[16]。

　　3) 殘余變形小。地震后結構的可恢復能力和結構的殘余變形關系密切。過大的殘余變形會使得結構難以修復而不得不拆除。由于次結構屈服，結構的復位能力將主要由主結構提供。因此，即使主結構不能保持彈性，也應盡量減小其殘余變形。

　　與此同時，體系能力設計法要求次結構具有：

　　① 適當的承載力，即次結構需要率先進入彈塑性并開始耗能，吸收地震能量;② 高耗能能力，即地震能量將主要依靠次結構耗散。體系能力設計法的先進性主要在于，它不僅預先設定了不同構件的損傷次序，還對主結構在大震下的具體性能指標 (如結構整體剛度退化水平、殘余變形大小等) 提出了明確的要求，從而使結構整體的地震響應可控。

　　同時，體系能力設計法明確了主、次結構構件的性能要求，從而可以指導主、次結構構件的研發：一方面，主結構采用高強構件，應提供盡可能高的結構整體屈服后剛度，同時具有高承載力、高彈性變形能力和較小的殘余變形，這是單純通過增大傳統低強材料構件的截面所難以達到的;另一方面，次結構采用耗能構件，應通過合適的承載力設定與構造設計，形成合理的失效路徑，盡量吸收、消耗地震能量。

　　3 體系能力設計法中的關鍵科學問題

　　3.1 主、次結構的確定

　　在體系能力設計法中，應首先將結構體系明確劃分為主結構與次結構。根據體系能力設計法對主—次結構的設計要求，主結構承擔部分水平荷載的同時，還需要提供足夠的側向剛度或能夠控制結構的變形模式，以保證結構整體屈服后剛度要求。由于主結構始終保持彈性或低損傷狀態，通常可以同時用于承擔豎向荷載。

　　次結構在損傷前主要用于抵抗水平荷載，次結構構件的布置形式一般應對側向變形比較敏感，且失效后對結構豎向荷載的傳遞影響不大。所以，次結構中的構件應對結構體系整體抵抗豎向荷載的重要性較低。但并非對于抵抗豎向荷載重要性低的構件都要用于次結構，這些構件也可用于構成主結構以保證其側向剛度或控制結構的變形模式。基于上述主、次結構的特征，一般可以通過識別結構體系中各構件、子結構在不同荷載形式下的重要性，來確定其是否適合于作為主結構或次結構的一部分。

　　需要說明的是，某一構件是作為主結構還是作為次結構，并非完全取決于其構件類型，而應根據體系能力設計法的基本概念和實際的構造形式與需求，靈活地選擇與設定。只要不違背體系能力設計法的基本概念，同類型的兩個構件，可以分別屬于主結構和次結構，并根據主、次結構的實際需求分別進行設計。在長期的工程實踐中，關于不同結構構件對各類荷載形式的重要性已經積累了初步的定性經驗：

　　① 在抵抗重力荷載時，柱一般比梁重要 (“強柱弱梁”)，下層柱通常比上層柱重要;② 在抵抗水平荷載時，邊柱一般比中柱重要，核心筒和剪力墻通常比框架重要;③ 無論何種荷載形式，連接比與其相連的構件重要 (“強連接弱構件”)。這些工程經驗為主、次結構的選取與分配提供了重要參考。主—次結構體系一般有以下兩種類型：

　　1) 主結構對抵抗水平、豎向荷載都重要，次結構僅對抵抗水平荷載重要。一個典型的例子是鋼筋混凝土剪力墻結構，其中，剪力墻作為主結構，對結構抵抗地震水平荷載和重力豎向荷載都至關重要;連梁作為次結構，主要抵抗水平荷載，但失效后對結構的豎向荷載傳遞影響不大。

　　2) 部分主結構只承擔水平荷載，不承擔豎向荷載，但是對控制側向變形意義重大;另外一部分主結構主要承擔豎向荷載;而次結構僅對抵抗水平荷載重要。典型的例子是搖擺墻-框架結構，其主結構為搖擺墻和框架柱，次結構為框架梁。地震作用下，搖擺墻雖然不承擔豎向荷載，但承擔水平荷載，對控制結構整體變形模式至關重要;框架柱對豎向荷載傳遞重要，并承擔部分水平荷載;各層的框架梁通過在梁端形成塑性鉸以耗散地震能量。

　　盡管以往的工程經驗對劃分主、次結構具有一定的指導意義，但在實際應用中，由于缺乏對構件重要性的定量評價，會導致主、次結構的確定過分地依賴工程設計人員的經驗和專業水平，并且會限制體系能力設計法對不同類型結構 (尤其是新型結構體系) 的適用性。目前已有一些研究提出了與荷載形式相關的構件重要性定量評價方法[17 − 18]。

　　3.2 主、次結構的實現方案

　　3.2.1 主結構實現方案

　　根據第 2 節總結的體系能力設計法對主結構的要求，主結構中通常需要使用柱、墻等構件。在具體實施操作時，可參考以下兩種方式：

　　1) 采用高承載力、高變形能力和低殘余位移的豎向構件。土木工程結構中新型高強材料 (如高強鋼材、纖維增強復合材料等) 的迅速發展為實現高承載力構件提供了保障。通過使用新型高強材料、優化截面形式，研究人員提出了多種新型高強、高變形能力的柱構件，可以高效地滿足主結構大震彈性的需求[22 − 25]。

　　但是對于剪力墻、核心筒等關鍵構件，由于其幾何形式的限制，簡單地采用高強材料并不能從本質上大幅提升其彈性變形能力，而通常需要提出新的構造形式。例如，曾勇[26] 提出一種新型雙功能帶縫剪力墻，在中、小地震作用下帶縫墻具有較大的剛度和承載力，在大震作用下連接鍵退出工作，帶縫墻在維持一定的抗側剛度的同時還能保證優越的變形能力。張磊[27]以鋼混組合柱、鋼梁組成主結構，以耗能支撐作為次結構構件，形成框架-支撐筒，以替代普通的鋼筋混凝土核心筒，大幅提高了筒體的彈性變形能力。

　　2) 改造關鍵構件外部受力形式剪力墻、核心筒等關鍵構件之所以難以具有較大的彈性變形能力，主要是因為這些構件較大的平面尺寸導致在邊緣處產生的大應變與混凝土材料有限的峰值壓應變之間存在矛盾。為此，通過弱化這些關鍵構件與基礎或其他構件之間的約束[28 − 30]，使它們在地震作用下發生搖擺，可以同時保證高承載力和高變形能力，進而控制整體結構的變形模式。

　　其中的典型代表是搖擺墻-框架結構體系，該體系由傳統的延性框架和具有很大剛度和承載力、且能夠繞墻底轉動的搖擺墻組成，并通過有效的水平連接措施保證框架與搖擺墻在地震作用下協同工作。此外，可以利用框架結構與搖擺墻連接界面上較大的相對位移設置耗能構件，作為結構體系中的預期損傷部位，不僅使整體結構具有更明確的損傷機制，還有助于減小結構的地震響應[31 − 32]。

　　3.2.2 次結構實現方案

　　體系能力設計法要求次結構先于主結構進入塑性階段并耗能，因此次結構通常可以選擇各類新型耗能構件和裝置等，如屈曲約束支撐、高性能耗能連梁、耗能伸臂桁架、耗能梁柱節點等[25, 33 − 50]。需要注意的是，結構設計本身是對整個結構體系的幾何構形、剛度分布、變形能力、承載力和耗能能力的綜合設計。應將建筑結構視作一個系統來研究其設計理論和方法，以有效實現整個結構的各種設計目標。在體系能力設計法中，次結構的設計應考慮次結構與主結構的匹配、以及次結構的損傷次序。

　　3.3 體系設計方法

　　現行設計方法在初始設計后，通常需要經過驗算、設計修改與優化的反復迭代過程以滿足結構在不同地震水準下的性能目標，是一種間接的設計方法。根據體系能力設計法的基本概念和主-次結構體系的特點，采用主結構低損傷、次結構先耗能的機制，可以更加主動、直接地控制結構體系在地震下的性態，離散性更小。

　　基于體系能力設計法的概念，曲哲[67] 在框架結構中引入搖擺墻作為主結構以控制結構體系的變形和損傷模式，并將損傷耗能部位限定在框架梁端。在初步設計階段，以框架結構按一階模態振動時的層間位移集中程度作為變形模式控制指標，確定搖擺墻的剛度需求;完成多遇地震線彈性設計后，采用等代結構法，確定罕遇地震階段預期損傷的框架梁端的變形能力需求和非預期損傷的框架柱和搖擺墻的承載力需求。抗震性能評估結果表明，搖擺墻—框架結構框架的絕大多數塑性鉸可以按照預期目標出現在框架梁端，且框架梁端的塑性變形程度沿樓層分布趨于均勻。

　　與普通框架結構相比，該體系能夠更直接、容易地實現預期損傷機制。程光煜[10]、繆志偉[68] 等多位學者也分別針對鋼支撐框架、鋼筋混凝土框架—剪力墻等多種結構體系開展了相關研究，但其研究結果均顯示，對于常規結構體系，如果采用體系能力設計法的基本思想，那么主結構通常需要具有很高的承載力才能保證性能目標的實現，這在實際工程中往往難以推廣。

　　而高層與超高層結構體系則在這方面具有先天的優勢。按現行規范設計的高層和超高層建筑具有多道防線，且多個高層建筑工程的實際抗震分析結果均表明，高層建筑的主結構承載力非常高，自然滿足了體系能力設計法對主結構的要求。因此，將體系能力設計法應用于高層與超高層結構，對于控制這類結構的地震災變響應具有重要的工程價值。解琳琳[69] 基于體系能力設計法的理念，提出了一種針對巨柱—核心筒—伸臂超高層結構體系的大震功能可恢復設計方法。

　　該方法選取高性能關鍵豎向承重構件——剪力墻 (核心筒) 和巨柱組成主結構，保證其在地震下無損傷或只產生輕微損傷;采用高性能可更換耗能連梁和伸臂桁架作為次結構，并將耗能連梁作為“第一道耗能防線”，在中震下開始屈服參與耗能，將伸臂桁架作為“第二道耗能防線”，在大震下開始屈服并參與耗能。具體地，首先根據大震功能可恢復的彈性層間位移角限值確定結構的宏觀設計參數;進一步基于宏觀設計參數和各類關鍵構件剛度之間的內在關聯，確定各類關鍵構件滿足性能目標要求的合理剛度;然后采用基于能量的耗能設計方法設計各類耗能構件，控制結構的大震最大彈塑性層間側移角。解琳琳[69] 采用上述方法完成了一棟 7 度設防的 525 m 超高層結構的初步設計。

　　整套設計流程幾乎不需迭代，耗時僅約 1 h，而且相比現行規范“小震設計，精細建模，大震驗算，反復迭代”的設計流程，在同樣滿足大震功能可恢復目標下，能減少約 12% 的材料用量，為實現巨柱-核心筒-伸臂超高層結構的震后功能可恢復提供了直接、高效、經濟的設計方法。除本文作者團隊外，很多專家學者在結構體系的理論研究和設計方法方面也開展了很好的工作[66, 70 − 76]。

　　3.4 體系性能檢驗方法

　　通過上述分析可見，體系能力設計法在高層結構的抗震設計中具有很大的潛力。為保證設計結果達到設計目標，需要有合適的檢驗手段。考慮到高層建筑試驗的難度較大，一般可通過數值模擬分析進行性能檢驗。高層結構設計方案的檢驗一般有以下 3 方面需求：① 罕遇地震下設計結果驗算;② 極端地震下安全性檢驗;③ 初始設計階段的簡化分析。目前，罕遇地震下設計結果的驗算通過設計軟件或常規有限元分析軟件即可完成。例如，Poon、Jiang、Fan 等[77 − 79] 分別對上海中心大廈 (632 m)、北京財富中心二期 (264 m)、臺北 101 大廈 (508 m)等復雜高層結構開展了抗震性能的數值分析與檢驗。

　　4 體系能力設計法的指導意義與未來發展方向體系能力設計法的理論優勢在于：

　　(1) 將能力設計法的核心理念從構件層次提升到體系層次，能夠幫助梳理性能目標，在強震作用下主動引導結構損傷依照預期機制發展，同時通過使主結構保持彈性或低損傷狀態實現較大的結構整體屈服后剛度，降低結構彈塑性響應的離散性，提升抗震性能的穩定性;(2) 通過明確各類次結構構件的能力系數，實現次結構逐級屈服，保證次結構損傷發展的有序性;(3) 通過調節主結構與次結構構件之間的能力級差，使次結構先于主結構發生屈服耗能，并通過延長失效路徑，提升整體結構抗震設防的多層次性，實現整體結構損傷過程的漸進性;(4) 相較于傳統的間接設計方法，通過驗算、設計修改與優化的反復迭代過程被動地滿足結構在不同地震水準下的性能目標，能夠更加主動、直接地控制設計方案在地震下的性態，實現結構損傷破壞的可控性。

　　因此，體系能力設計法對于實現建筑結構在地震作用下的損傷機制與破壞模式的“穩定、有序、漸進、可控”具有重要的指導意義。將體系能力設計法應用于實際建筑結構，尤其是高層和超高層建筑中，仍存在一些問題需要在未來開展深入研究，包括：

　　(1) 如何保證主結構的性能目標，即如何保證主結構提供足夠的結構整體屈服后剛度，且具有高承載力、高變形能力，在地震中無損傷或低損傷;(2) 如何確定和優化次結構的形式以及具體布置;(3) 如何確定主、次結構的能力系數和能力比，需要考慮的因素包括與不同抗震設防目標的關系，整體結構地震響應彈塑性位移模式的控制目標，在實際工程中的可操作性等;(4) 如何確定局部變形與結構整體變形模式的關系;(5) 如何確定結構耗能和損傷分布規律與變形模式之間的關系;(6) 如何確定結構性能控制與非結構構件、重要設備性能需求的關系;(7) 新型結構體系的提出和體系能力設計法的實際應用。

　　參考文獻：

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　　[1]周穎, 吳浩, 顧安琪. 地震工程: 從抗震、減隔震到可恢復性[J]. 工程力學, 2019, 36(6): 1 − 12.Zhou Ying, Wu Hao, Gu Anqi. Earthquake engineering:From earthquake resistance, energy dissipation, andisolation, to resilience [J]. Engineering Structures, 2019,36(6): 1 − 12. (in Chinese)

　　[2]曲哲, 葉列平. 基于損傷機制控制的鋼筋混凝土結構抗震設計方法研究[J]. 建筑結構學報, 2011, 32(10): 21 −29.

　　作者：葉列平1，金鑫磊1，田 源1，陸新征1，繆志偉2，曲 哲3，林旭川3，盧 嘯4