1、基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法在高層建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用    摘要：現(xiàn)代高層建筑向著多功能、多用途及造型新穎方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)體系日益復(fù)雜和多樣化。如何進(jìn)行高層建筑的地震作用分析和抗震設(shè)計(jì)，是高層建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容。該文從地震反應(yīng)分析發(fā)展過程入手，主要分別介紹了我國現(xiàn)行常規(guī)設(shè)計(jì)方法和基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，并對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比，對(duì)今后高層建筑基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了展望。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)行常規(guī)抗震設(shè)計(jì)，基于性能的抗震設(shè)計(jì)，高層建筑設(shè)計(jì) 中圖分類號(hào)：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 引言 我國的高層建筑，尤其是超限高層建筑工程設(shè)計(jì)比較適合采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法。

2、這些工程在房屋高度、規(guī)則性等方面都不同程度地超過現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的適用范圍，如何進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)缺少明確具體的目標(biāo)、依據(jù)和手段，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)具體工程實(shí)際的超限情況，進(jìn)行仔細(xì)的分析、專門的研究和論證，必要時(shí)還要進(jìn)行模型試驗(yàn)，從而確實(shí)采取比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定更加有效的具體的抗震措施。業(yè)主也需要提供相應(yīng)的資助，設(shè)計(jì)者的論證還需要經(jīng)過抗震設(shè)防專項(xiàng)審查，以期保證結(jié)構(gòu)的抗震安全性能。這個(gè)設(shè)計(jì)程序在某種意義上類似于抗震性能設(shè)計(jì)的基本步驟。這些年來，高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查實(shí)踐表明，不少工程的設(shè)計(jì)和專項(xiàng)審查己經(jīng)涉及到基于性能抗震設(shè)計(jì)的理念和方法。 1超限高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo) 1.1結(jié)構(gòu)的抗震性能水準(zhǔn) 超限高層

3、建筑結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)地震下的性能水準(zhǔn)以及性能性能可分為如下幾個(gè)水準(zhǔn): （1）結(jié)構(gòu)在地震后完好、無損傷，一般不需修理即可繼續(xù)使用，人們不會(huì)因結(jié)構(gòu)損傷造成傷亡，可安全出入和使用。 （2）結(jié)構(gòu)在地震后基本完好，僅有個(gè)別構(gòu)件輕微裂縫，一般不需修理或稍加修理即可繼續(xù)使用，人們不會(huì)因結(jié)構(gòu)損傷造成傷亡，可安全出入和使用。 （3）地震后結(jié)構(gòu)的薄弱部位和重要部位的構(gòu)件完好、無損傷，其它部位有部分選定的具有一定延性的構(gòu)件出現(xiàn)明顯的裂縫修理后可繼續(xù)安全使用。 地震后結(jié)構(gòu)的薄弱部位和重要部位的構(gòu)件輕微損壞，出現(xiàn)輕微裂縫，其它 部位有部分選定的具有延性的構(gòu)件發(fā)生中等損壞，出現(xiàn)明顯的裂縫，進(jìn)入屈服階段，需要修理并采取一些安

4、全措施才可繼續(xù)使用。 （5）結(jié)構(gòu)在地震下發(fā)生中等程度的破壞，多數(shù)構(gòu)件輕微損壞，部分構(gòu)件中等損 壞，進(jìn)入屈服，有明顯的裂縫，需要采取安全措施，人們不能安全出入;經(jīng)過修理、適當(dāng)加固后才可繼續(xù)使用。 （6）結(jié)構(gòu)在地震下發(fā)生明顯損壞，多數(shù)構(gòu)件中等損壞，進(jìn)入屈服，有明顯的裂 縫，部分構(gòu)件嚴(yán)重?fù)p壞;但整個(gè)結(jié)構(gòu)不倒塌，也不發(fā)生局部倒塌，人員會(huì)受到傷害，但不危及生命安全。 2性態(tài)目標(biāo)的組成 每個(gè)超限高層建筑，可以根據(jù)具體的設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、房屋高度、不規(guī)則的部位和程度，以及業(yè)主的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，選擇結(jié)構(gòu)在三個(gè)水準(zhǔn)地震下的性能水準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的“超限”設(shè)計(jì)。 3抗震性能設(shè)計(jì)方法的實(shí)施 按照結(jié)構(gòu)抗震安全評(píng)價(jià)的能量原

5、則，一個(gè)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的承載力較高，則其延性變形能力要求可有所降低;結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的承載力較低，則需要較高的延性變形能力。需要強(qiáng)調(diào)的是，結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性程度直接影響結(jié)構(gòu)延性變形能力的高低。這意味著，超限高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)不規(guī)則程度及超高情況，在提高結(jié)構(gòu)承載力、提高延性變形能力或二者均提高，這二種方法中選擇比較合理又切合實(shí)際的保證安全性能的處理手段。設(shè)計(jì)要提出超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)的方法，業(yè)主要衡量超限設(shè)計(jì)所需的代價(jià)，抗震設(shè)防專項(xiàng)審查的專家要判斷超限設(shè)計(jì)的可行性，都需要圍繞著結(jié)構(gòu)安全和建筑方案設(shè)計(jì)二者的協(xié)調(diào)?？拐鹦阅茉O(shè)計(jì)需要有一個(gè)比較合理的性能水準(zhǔn)判別準(zhǔn)則在性能目標(biāo)選用時(shí)考慮的因素

6、應(yīng)比較全而面。 4結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算 超限高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能設(shè)計(jì)的計(jì)算分析應(yīng)特別詳盡，上述性能要求中的構(gòu)件承載力、變形計(jì)算、屈服后的性能，均以比較正確的計(jì)算分析和能反映結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)的合理力學(xué)模型為前提。因此，建議實(shí)現(xiàn)性能設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算和試驗(yàn)注意符合下列要求: 5結(jié)構(gòu)計(jì)算模型方面 彈性計(jì)算和非線性計(jì)算分析中，對(duì)結(jié)構(gòu)整體模型及構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)的各種計(jì)算參數(shù)要力求正確合理。對(duì)具有水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意區(qū)分不落地柱和墻體的轉(zhuǎn)換梁、框支梁相鄰層的計(jì) 摘要：現(xiàn)代高層建筑向著多功能、多用途及造型新穎方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)體系日益復(fù)雜和多樣化。如何進(jìn)行高層建筑的地震作用分析和抗震設(shè)計(jì)，是高層建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容

7、。該文從地震反應(yīng)分析發(fā)展過程入手，主要分別介紹了我國現(xiàn)行常規(guī)設(shè)計(jì)方法和基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，并對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比，對(duì)今后高層建筑基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了展望。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)行常規(guī)抗震設(shè)計(jì)，基于性能的抗震設(shè)計(jì)，高層建筑設(shè)計(jì) 中圖分類號(hào)：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 引言 我國的高層建筑，尤其是超限高層建筑工程設(shè)計(jì)比較適合采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法。這些工程在房屋高度、規(guī)則性等方面都不同程度地超過現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的適用范圍，如何進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)缺少明確具體的目標(biāo)、依據(jù)和手段，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)具體工程實(shí)際的超限情況，進(jìn)行仔細(xì)的分析、專門的研究和論證，必要時(shí)還要進(jìn)行模型試驗(yàn)，從而確實(shí)采取比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定

8、更加有效的具體的抗震措施。業(yè)主也需要提供相應(yīng)的資助，設(shè)計(jì)者的論證還需要經(jīng)過抗震設(shè)防專項(xiàng)審查，以期保證結(jié)構(gòu)的抗震安全性能。這個(gè)設(shè)計(jì)程序在某種意義上類似于抗震性能設(shè)計(jì)的基本步驟。這些年來，高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查實(shí)踐表明，不少工程的設(shè)計(jì)和專項(xiàng)審查己經(jīng)涉及到基于性能抗震設(shè)計(jì)的理念和方法。 1超限高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo) 1.1結(jié)構(gòu)的抗震性能水準(zhǔn) 超限高層建筑結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)地震下的性能水準(zhǔn)以及性能性能可分為如下幾個(gè)水準(zhǔn): （1）結(jié)構(gòu)在地震后完好、無損傷，一般不需修理即可繼續(xù)使用，人們不會(huì)因結(jié)構(gòu)損傷造成傷亡，可安全出入和使用。 （2）結(jié)構(gòu)在地震后基本完好，僅有個(gè)別構(gòu)件輕微裂縫，一般不需修理或稍加修

9、理即可繼續(xù)使用，人們不會(huì)因結(jié)構(gòu)損傷造成傷亡，可安全出入和使用。 （3）地震后結(jié)構(gòu)的薄弱部位和重要部位的構(gòu)件完好、無損傷，其它部位有部分選定的具有一定延性的構(gòu)件出現(xiàn)明顯的裂縫修理后可繼續(xù)安全使用。 地震后結(jié)構(gòu)的薄弱部位和重要部位的構(gòu)件輕微損壞，出現(xiàn)輕微裂縫，其它 部位有部分選定的具有延性的構(gòu)件發(fā)生中等損壞，出現(xiàn)明顯的裂縫，進(jìn)入屈服階段，需要修理并采取一些安全措施才可繼續(xù)使用。 （5）結(jié)構(gòu)在地震下發(fā)生中等程度的破壞，多數(shù)構(gòu)件輕微損壞，部分構(gòu)件中等損 壞，進(jìn)入屈服，有明顯的裂縫，需要采取安全措施，人們不能安全出入;經(jīng)過修理、適當(dāng)加固后才可繼續(xù)使用。 （6）結(jié)構(gòu)在地震下發(fā)生明顯損壞，多數(shù)構(gòu)件中等損壞，

10、進(jìn)入屈服，有明顯的裂 縫，部分構(gòu)件嚴(yán)重?fù)p壞;但整個(gè)結(jié)構(gòu)不倒塌，也不發(fā)生局部倒塌，人員會(huì)受到傷害，但不危及生命安全。 2性態(tài)目標(biāo)的組成 每個(gè)超限高層建筑，可以根據(jù)具體的設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、房屋高度、不規(guī)則的部位和程度，以及業(yè)主的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，選擇結(jié)構(gòu)在三個(gè)水準(zhǔn)地震下的性能水準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的“超限”設(shè)計(jì)。 3抗震性能設(shè)計(jì)方法的實(shí)施 按照結(jié)構(gòu)抗震安全評(píng)價(jià)的能量原則，一個(gè)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的承載力較高，則其延性變形能力要求可有所降低;結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的承載力較低，則需要較高的延性變形能力。需要強(qiáng)調(diào)的是，結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性程度直接影響結(jié)構(gòu)延性變形能力的高低。這意味著，超限高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)不規(guī)則程度及超高

11、情況，在提高結(jié)構(gòu)承載力、提高延性變形能力或二者均提高，這二種方法中選擇比較合理又切合實(shí)際的保證安全性能的處理手段。設(shè)計(jì)要提出超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)的方法，業(yè)主要衡量超限設(shè)計(jì)所需的代價(jià)，抗震設(shè)防專項(xiàng)審查的專家要判斷超限設(shè)計(jì)的可行性，都需要圍繞著結(jié)構(gòu)安全和建筑方案設(shè)計(jì)二者的協(xié)調(diào)?？拐鹦阅茉O(shè)計(jì)需要有一個(gè)比較合理的性能水準(zhǔn)判別準(zhǔn)則在性能目標(biāo)選用時(shí)考慮的因素應(yīng)比較全而面。 4結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算 超限高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能設(shè)計(jì)的計(jì)算分析應(yīng)特別詳盡，上述性能要求中的構(gòu)件承載力、變形計(jì)算、屈服后的性能，均以比較正確的計(jì)算分析和能反映結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)的合理力學(xué)模型為前提。因此，建議實(shí)現(xiàn)性能設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算和試

12、驗(yàn)注意符合下列要求: 5結(jié)構(gòu)計(jì)算模型方面 彈性計(jì)算和非線性計(jì)算分析中，對(duì)結(jié)構(gòu)整體模型及構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)的各種計(jì)算參數(shù)要力求正確合理。對(duì)具有水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意區(qū)分不落地柱和墻體的轉(zhuǎn)換梁、框支梁相鄰層的計(jì) 層數(shù)和層高、轉(zhuǎn)換厚板有限元的類型和劃分;對(duì)剪力墻，應(yīng)注意非線性分析中的計(jì)算模型和參數(shù)的確定;對(duì)采用滑動(dòng)支座的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用考慮支座兩側(cè)結(jié)構(gòu)相互作用和影響的整體計(jì)算模型進(jìn)行大震下的計(jì)算;對(duì)平而尺寸凹凸不規(guī)則或平而內(nèi)局部開設(shè)大洞口的結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)洞口位置、大小、數(shù)量和分布以及抗側(cè)力構(gòu)件的布置，正確選擇分片剛性樓蓋或整體非剛性樓蓋的計(jì)算模型。如樓板不能在大震下處于基本彈性狀態(tài)，則需要研究提出合理的計(jì)算模

13、型。對(duì)采用消能減震的結(jié)構(gòu)，應(yīng)正確確定構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)有效阻尼比，注意構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)的模擬和計(jì)算參數(shù)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響。 結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜難以準(zhǔn)確反映各構(gòu)件的受力狀態(tài)時(shí)，需至少采用兩種不同的力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算并予以對(duì)比分析。有時(shí)，還需要通過相應(yīng)的模型試驗(yàn)，以確定計(jì)算的可信度。 6電算結(jié)果的分析認(rèn)可 斜向地震作用計(jì)算時(shí)，不能因其總地震作用比正交方向小而忽視，應(yīng)主要檢查斜向抗側(cè)力構(gòu)件的內(nèi)力和配筋。平而輪廓規(guī)則或基本對(duì)稱的高層建筑結(jié)構(gòu)，不要求計(jì)算雙向地震作用效應(yīng)，但仍應(yīng)采用偶然偏心方法計(jì)入地震的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。 應(yīng)注意嚴(yán)格控制高層建筑的最小地震作用，當(dāng)按地震影響系數(shù)計(jì)算的結(jié)構(gòu)總地震剪力小于規(guī)定值時(shí)。表示該結(jié)構(gòu)剛度較小，非

14、線性和阻尼比的影響明顯，所受的地震作用主要不是地震加速度引起的，而是地面運(yùn)動(dòng)速度和位移引起的。一般可修改計(jì)算的周期折減系數(shù)和地震作用調(diào)整系數(shù)，以近似考慮地震地面運(yùn)動(dòng)的速度和位移的作用;當(dāng)小于規(guī)定值較多時(shí)，宜調(diào)整構(gòu)件選型或結(jié)構(gòu)總體布置使剛度有所增大，再結(jié)合周期折減等方法使地震剪力不小于規(guī)定值。 7時(shí)程分析的應(yīng)用 超限高層建筑的抗震設(shè)計(jì).往往需要采用時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，其前提是輸入的地震加速度波形選擇正確，即中一條波計(jì)算的結(jié)構(gòu)總地震剪力不小于按反應(yīng)譜方法計(jì)算的65，多條波計(jì)算的平均值不小于反應(yīng)譜法的80。有的設(shè)計(jì)為了滿足上述要求，將地震波的加速度最大值放大1.52倍。這種做法，相當(dāng)于設(shè)防烈度提

15、高半度至一度.顯然是不合適的應(yīng)重新選擇地震波。 對(duì)計(jì)算結(jié)果的比較，不僅要比較各層的地震作用力、樓層剪力和層間位移的大小，按較大值檢查構(gòu)件的截而和配筋;還要分析相鄰層的變化程度，發(fā)現(xiàn)突變部位，有助于判斷薄弱部位。 當(dāng)超限高層建筑的高度較大或比較復(fù)雜時(shí)，尚可采用多條波的包絡(luò)或平均值加一倍方差作為時(shí)程計(jì)算結(jié)果參與比較。 8豎向地震分析 超限高層建筑中的轉(zhuǎn)換大梁、長(zhǎng)懸臂構(gòu)件和連體結(jié)構(gòu)的連接體本身，8度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按規(guī)定考慮豎向地震作用;計(jì)算時(shí)宜采用時(shí)程分析法.要特別注意豎向地震的高位放大和跨中放大避免震害。 參考文獻(xiàn)： 1 胡聿賢.地震工程學(xué)M.北京:地震出版社, 2006. 2 陳立玲. 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的發(fā)展過程及抗震設(shè)防分析.山東建材，2008，04. 3 劉華新，張旭，邢穎.建筑結(jié)構(gòu)基于性能設(shè)計(jì)的研究與發(fā)展，遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，25(2)，110-112. 4 何小銀. 基于性能的結(jié)構(gòu)