高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設計分析

蘇超俊

摘要：在性能設計中核心的思路就是按照建筑的實際情況和客戶需求，并參考國標設定建筑的抗震設防的目標，并按照結(jié)構(gòu)的性能特性計算出結(jié)構(gòu)所需要的基本參數(shù)，以此獲得較好的抗震效果，同時結(jié)合經(jīng)濟性指標是項目達到安全和經(jīng)濟的雙贏。

關鍵詞：性能特性;抗震設計;抗震設防;防震目標

一、基于性能特性研究的抗震設計理論概述

1.基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設計含義

建筑設計中基于性能的抗震設計的理論形成于1992年，是由美國的學者最先提出的，隨后經(jīng)過理論的拓展和總結(jié)由美國的權(quán)威組織給出了明確的定義和描述。概括的說就是：基于性能的抗震理論以結(jié)構(gòu)抗震的性能分析為理論基礎，針對不同的抗震作用水準，將結(jié)構(gòu)的抗震性能劃分為不同的頂級，設計者根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性和實際的用途和業(yè)主及使用者的特殊要求，采用合理的抗震性能目標和適應性結(jié)構(gòu)抗震措施進行設計，使得建筑結(jié)構(gòu)在各種水準地震的作用下形成的最終的破壞程度達到相應的標準，即滿足業(yè)主或者行業(yè)標準的要求，通過對工程項目進行生命周期的費用效率分析，選擇并確定一種安全可靠且符合經(jīng)濟合理化的優(yōu)化平衡。

2.基于性能的抗震理論特征

2.1 支持采用多級設防的目標，我現(xiàn)行的是“小震不壞、中震可修、大震不倒”基本抗震原則，主要的目標是確保人身安全，這時抗震的根本思路和目標，無法避免大型地震中的巨大經(jīng)濟損失?；谛阅芸拐鹪O計理論提出了多級目標設計的理念，此種分級 方式即考慮到了生命安全也從經(jīng)濟性上考慮，最大限度的降低業(yè)主和社會的損失，保證在其可承受的范圍內(nèi)，以此為基礎更加注重非結(jié)構(gòu)件和內(nèi)部設施的保護，將經(jīng)濟效益的機制引入到了設計中，利用經(jīng)濟決策方式通過進行費用效率分析，在可靠和經(jīng)濟之間需求平衡，以確定最佳的抗震方案，達到優(yōu)化設計的目的。

2.2 擴展空間，體現(xiàn)設計的個性化?，F(xiàn)行的抗震設計主要是按照規(guī)范進行一成不變的設計，因此設計缺乏靈活性，結(jié)構(gòu)設計者總是在被動的情況下進行進行設計，而基于性能的抗震設計除了需要滿足共性規(guī)范外，也更加注重個性設計的需求，增加了業(yè)主和設計人員的交流范圍，在根據(jù)結(jié)構(gòu)的用途和業(yè)主需求確定結(jié)構(gòu)性能的目標后，設計人員就可以在此性能目標的基礎上選擇設計方法，采用相應的構(gòu)造措施，而此種設計更加的靈活，對調(diào)的設計積極性和新材料、新技術(shù)、新工藝等的應用打開了方便之門，同時結(jié)構(gòu)的抗震能力是在抗震性能的目標下形成的，也是的建筑的抗震能力可以預見。

2.3 設計方法多元化。目前基于性能的抗震理論還沒形成統(tǒng)一的研究方法，很多學者采用結(jié)構(gòu)層間變形或者定點移位作為性能指標，其從傳統(tǒng)的以力學為基礎的設計轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕巫優(yōu)榛A的設計，從彈性設計的方法轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄缘脑O計方法，解決了傳統(tǒng)設計理論上的缺憾，盡可能的是的建筑結(jié)構(gòu)的預期功能和實際地震中起到的功能相一致，以保證設計的有效性。

二、基于性能的抗震結(jié)構(gòu)設計的內(nèi)容

1.地震設防的水準設定

地震設防的標準是指設定未來可能作用在建筑上的地震等級和作用效果，美國工程師協(xié)會曾提出，基于結(jié)構(gòu)性設計理論追求能控制結(jié)構(gòu)所可能發(fā)生的各種地震破壞的水準，因此需要根據(jù)不同的重現(xiàn)期選擇可能發(fā)生的對應不同的地震動參數(shù)。在協(xié)會的報告中指出四個地震設防的水準：1）無損傷的正常狀態(tài)，即結(jié)構(gòu)只受到輕微損傷，不需要進行修理就可繼續(xù)使用而不帶有隱患;2）結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷但可修復，此種情況下結(jié)構(gòu)仍然發(fā)揮效應，但是在次要部位出現(xiàn)損傷，需要進行修復。

2.結(jié)構(gòu)抗震的性能目標設定

此項內(nèi)容就是針對某種地震設防的水準而設定期望達到的抗震性能的等級，抗震設防目標德爾建立需要綜合考慮地質(zhì)、功能、重要性、投資、效益、震后損失、重建、歷史和文化價值、社會效應、業(yè)主要求等因素。從地震設防的角度看，規(guī)范提出的抗震目標實際上是最低的設防標準，而結(jié)構(gòu)抗震設計則是根據(jù)業(yè)主需求采用的設防標準，其要高于規(guī)范設定的范圍。使用者可以根據(jù)自身的情況出發(fā)，設定一個合理的性能目標。為了方便結(jié)構(gòu)設計，這些定性的性能指標最終將被量化，成為具體結(jié)構(gòu)設計的重要參數(shù)依據(jù)。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設計

1.工程基本情況

某城市的高層建筑，按照建筑的整體設計要求，工程項目地下結(jié)構(gòu)為三層，地上為三層裙樓，主要塔樓設計為45層，從工程的高度超過了150m。項目的主體采用的是混凝土框架加核心筒的結(jié)構(gòu)形式。按照業(yè)主的需要，建筑的設計使用年限為50年，整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為二級，根據(jù)地域情況，此建筑為丙級，抗震設防為7。

2.對結(jié)構(gòu)性能的目標選擇

通過對工程具體情況的分析，設計人員通過對工程的具體情況的把握，并與業(yè)主方進行了溝通，取得了一致意見，選定此工程的抗震性能目標為以下具體幾項：1）小震情況下滿足的要求是：結(jié)構(gòu)在地震的影響下保持完好結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)明顯的損傷，震后不需要修復也可使用，且在震后不需要對人員安全采取任何保護措施。2）中震的情況下結(jié)構(gòu)應當滿足要求：在中等強度的地震中，建筑相對脆弱的部位和重要結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)輕微的裂縫，屬于輕度損壞，而在設定的部位后者延性部位則允許出現(xiàn)中度的損壞，條件是出現(xiàn)明顯的裂縫，構(gòu)件受損程度為進入屈服階段。震后需要進行維修方可繼續(xù)使用。

3.性能目標的實現(xiàn)措施

3.1 小震目標。工程在結(jié)構(gòu)設計的過程中，設計人員通常采用的是計算機輔助設計，即利用軟件將性能目標和實際的結(jié)構(gòu)的參數(shù)聯(lián)系起來，從而獲得可以指導工程建設的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)。在計算中主要遵循的是高層建筑結(jié)構(gòu)空間的有限元分析和計算方法，利用三維建模的方式進行模擬分析，為具體的計算后的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.2 中等地震的目標實現(xiàn)。結(jié)合前面的設計參數(shù)，對中等地震中所要達成的目標進行細化，并在基礎數(shù)據(jù)的基礎上對某些參數(shù)進行修正，使之到達設計的目標。根據(jù)目標要求，中震情況下，地震對結(jié)構(gòu)件的影響使之超過了彈性變形范圍，結(jié)構(gòu)的損壞將出現(xiàn)硬性的結(jié)構(gòu)損傷，但是其范圍是可以修復，此時的重點就是通過結(jié)構(gòu)的合理設計保護重點結(jié)構(gòu)的安全，即舍棄某些結(jié)構(gòu)件的完整，而保護主體框梁的安全。

3.3 大震情況的目標實現(xiàn)。在設計中，與中震目標實現(xiàn)相似，在利用軟件進行分析和比對的時候，將其設定的范圍進一步擴大，模擬在罕見的高烈度地震的影響下結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的應力改變和相互作用，實際上就是將結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的水平和豎向位移設定為最大，并以此對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行調(diào)整，使之達到：結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的效果;第一批塑性鉸出現(xiàn)在某些樓層的梁上。

四、構(gòu)造設計的措施

還以前面的工程項目為例，在結(jié)構(gòu)設計中按照參數(shù)要求，結(jié)構(gòu)中采用的水泥等級為60號，在初級抗震的軸壓比要求下，剪跨比在1.5就可以滿足性能要求，但是這樣就出現(xiàn)了剪跨比小于2的情況，因此在結(jié)構(gòu)設計中應當對此情況進行調(diào)整，以適應中等地震的要求，具體措施有：調(diào)整軸壓比，在規(guī)范的基礎上通過模擬計算進行逐級調(diào)整，使之達到保證柱體延性的需求。

五、結(jié)束語

總之，基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設計理論是一種概念性的設計方式，根據(jù)建筑的抗震設防目標，利用性能分析形成具體的結(jié)構(gòu)性參數(shù)，最終應用在設計中。同時基于性能的抗震設計還具有經(jīng)濟性特征，設計中將性能目標和經(jīng)濟合理性結(jié)合起來，以此完成對結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化。

參考文獻：

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