超高層結(jié)構(gòu)體系的性能設(shè)計(jì)方法

1基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法對(duì)于有限的高層建筑結(jié)構(gòu)的抗強(qiáng)設(shè)計(jì)通常有兩個(gè)思路。其中之一是根據(jù)中國(guó)國(guó)際規(guī)范對(duì)小地震作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)和脆弱層的試驗(yàn)，提高結(jié)構(gòu)組件的抗強(qiáng)性，對(duì)結(jié)構(gòu)要求相當(dāng)嚴(yán)格。另一方面，該結(jié)構(gòu)應(yīng)證明結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了“小地震不破壞，中震可以修復(fù)，大地震不能回來”的抗強(qiáng)防御目標(biāo)?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)一個(gè)新的重要發(fā)展方向,它使抗震設(shè)計(jì)從宏觀定性的目標(biāo)向具體量化的多重目標(biāo)過渡。文獻(xiàn)認(rèn)為,我國(guó)的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。采用基于性能要求的抗震設(shè)計(jì)方法,有助于提高高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)的可靠性、避免抗震安全隱患,同時(shí)又促進(jìn)高層建筑技術(shù)發(fā)展。我國(guó)近年來在復(fù)雜及超限高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已開始應(yīng)用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法,但仍然存在一些有待研究和急需解決的問題,如結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的確定,地震作用的確定,基于構(gòu)件意義上的結(jié)構(gòu)彈塑性分析模型和參數(shù)的選取以及設(shè)計(jì)人員的理解和把握。本文針對(duì)廣州某復(fù)雜超限高層建筑結(jié)構(gòu),采用基于性能的設(shè)計(jì)方法對(duì)該結(jié)構(gòu)在三水準(zhǔn)地震作用下的抗震性能進(jìn)行定性和定量分析,從而證明了該結(jié)構(gòu)體系在不同地震作用下的安全性。2平面類型的完善本工程是位于廣州市區(qū)珠江南岸的一幢超高層商住樓,占地面積11062m2,總建筑面積138063m2。地下五層至地上三層為車庫(kù)、商場(chǎng)、會(huì)所等,采用框架剪力墻結(jié)構(gòu);四層為轉(zhuǎn)換層;五至四十八層為住宅,采用剪力墻結(jié)構(gòu)。為了充分發(fā)揮該地塊臨珠江的優(yōu)越地理位置,使住宅盡可能多的房間面對(duì)珠江,沿江部分轉(zhuǎn)換層以上剪力墻采用45度斜向正交布置。其標(biāo)準(zhǔn)層和轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面布置分別如圖1、2所示。建筑總高度156m,超出《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)規(guī)定B級(jí)高度鋼筋混凝土部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)高層建筑的最大適用高度120m,超限程度達(dá)30%。同時(shí)由于建筑上要求沿江部分采用45度斜向正交布置,令整個(gè)結(jié)構(gòu)平面上的布置很不規(guī)則,轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)為主次梁轉(zhuǎn)換。此外,豎向不規(guī)則、平面凹凸不規(guī)則、平面樓板局部不連續(xù)、豎向質(zhì)量不均勻等超限問題的存在,整個(gè)工程成為了一個(gè)十分復(fù)雜的超限高層建筑。其主要構(gòu)件基本信息見表1。3結(jié)構(gòu)抗強(qiáng)設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)3.1地震設(shè)計(jì)目標(biāo)作者根據(jù)本工程的特點(diǎn)和重要性,以及業(yè)主的要求,并參照國(guó)內(nèi)外有關(guān)規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn),提出了本工程在不同水平地震作用下的性能指標(biāo),作為設(shè)計(jì)的目標(biāo),見表2。3.2負(fù)荷組合與性能目標(biāo)的設(shè)計(jì)公式(1)荷載組合設(shè)計(jì)所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力應(yīng)按現(xiàn)行規(guī)范的要求,求出最不利的荷載組合進(jìn)行設(shè)計(jì),確保多遇地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足承載力的要求,同時(shí)考慮構(gòu)件的內(nèi)力增大、調(diào)整系數(shù)。(2)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件內(nèi)力除普通樓板、次梁以外,所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力,根據(jù)其不同的類型以表2的抗震性能為目標(biāo),按表3的最不利荷載組合進(jìn)行設(shè)計(jì),但不考慮規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件內(nèi)力增大、調(diào)整系數(shù)。設(shè)計(jì)表達(dá)式:SEk≤RkγRESEk≤RkγRE或SE≤RγRE?RkSE≤RγRE?Rk為按材料標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的承載力,R為按材料設(shè)計(jì)值計(jì)算的承載力,γRE為地震作用分項(xiàng)系數(shù)。(3)在罕見地震的作用下，重要結(jié)構(gòu)要素的設(shè)計(jì)沒有屈服底部加強(qiáng)區(qū)豎向構(gòu)件、轉(zhuǎn)換構(gòu)件、首層和轉(zhuǎn)換層樓板、薄弱部位樓板、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及地基的承載力應(yīng)按表4的最不利的荷載組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。4地震作用下結(jié)構(gòu)的抗強(qiáng)分析4.1設(shè)計(jì)地震波的選用本工程抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,建筑場(chǎng)地類別為II類。時(shí)程分析選用了7條地震波(見表5)。根據(jù)不同的地震階段,采用不同的阻尼比和分析方法(見表6)。4.2結(jié)構(gòu)算例結(jié)果多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分別采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM系列的SATWE和美國(guó)CSI公司的ETABS8.50中文版進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算多遇地震作用時(shí),周期乘以0.95折減系數(shù)以考慮非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)剛度的影響。結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果列于表7,其中時(shí)程分析結(jié)果取7條地震波作用下計(jì)算結(jié)果的平均值。從表7可以看出:(1)SATWE和ETABS的計(jì)算結(jié)果非常接近,而且均符合規(guī)范要求和滿足多遇地震作用下的抗震性能要求;(2)由于彈性時(shí)程分析的平均效應(yīng)均小于振型分解反應(yīng)譜法下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力,但滿足多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果80%的規(guī)定,因此采用振型分解反應(yīng)譜法下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行設(shè)計(jì)。4.3結(jié)構(gòu)的彈性分析采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM系列的SATWE進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算設(shè)防烈度地震作用時(shí),考慮混凝土開裂剛度退化,彈性模量折減15%,周期乘以1.1增大系數(shù)。主要計(jì)算結(jié)果如表8。根據(jù)分析結(jié)果,結(jié)構(gòu)仍基本處于彈性狀態(tài),其變形特征和受力規(guī)律與多遇地震作用下的情況基本一致,但由于阻尼的增大和結(jié)構(gòu)剛度的減弱,結(jié)構(gòu)受力增大的倍數(shù)略小于設(shè)防烈度與多遇地震下地震影響系數(shù)的比值。從表8分析可得,本工程主塔體結(jié)構(gòu)滿足設(shè)防烈度地震作用下的抗震性能要求。4.4結(jié)構(gòu)性能分析結(jié)果建筑結(jié)構(gòu)的非線性分析可以分為彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析和彈塑性靜力推覆分析(PUSHOVER)。根據(jù)文獻(xiàn),由于本結(jié)構(gòu)為基本周期長(zhǎng)達(dá)5s的多自由度高柔體系,而彈塑性靜力推覆分析只適用于短周期(≤2s)和高振型影響不大的結(jié)構(gòu),故不適用于本工程。本工程采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM系列的EPDA進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。根據(jù)美國(guó)荷載規(guī)范SEI/ASCE7-02有關(guān)結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析的規(guī)定,對(duì)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力、變形和層間位移等,當(dāng)采用不小于7條地震波進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析時(shí),可以采用各條地震波分析結(jié)果的平均值作為設(shè)計(jì)依據(jù);當(dāng)采用小于7條地震波時(shí),應(yīng)取各條地震波分析結(jié)果的最大值作為設(shè)計(jì)依據(jù)。本工程采用7條地震波(GM1～GM7),分別按0度、90度為主方向進(jìn)行三向彈塑性時(shí)程分析,并以0度結(jié)果平均值和90度結(jié)果平均值的不利情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)。同時(shí),由于結(jié)構(gòu)平面采用45度斜向正交布置,故選取對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)影響較大的地震波GM1、GM4,分別按45度、135度為主方向進(jìn)行分析,以此作為0度、90度結(jié)果的補(bǔ)充驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)主要分析結(jié)果如表9所示。從表9的分析可得:(1)從兩條主要地震波彈塑性分析結(jié)果來看,結(jié)構(gòu)在45度、135度的地震作用響應(yīng)較0度、90度的情況為小,故本工程采用0度和90度作為主要分析方向;(2)最大層間位移角和轉(zhuǎn)換層層間位移角均滿足表1設(shè)定的抗震性能目標(biāo);(3)在罕遇地震作用下,基底剪力與傾覆彎矩大約為多遇地震作用下的4.5倍;(4)從振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)報(bào)告來看,7度大震后,模型在X、Y向頻率均有所下降,說明結(jié)構(gòu)剛度下降,模型開始出現(xiàn)裂縫并不斷發(fā)展,結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入彈塑性階段,這也證明了彈塑性分析結(jié)果是合理可靠的。5地震作用下主要結(jié)構(gòu)單元的抗強(qiáng)分析5.1轉(zhuǎn)換層樓板在嚴(yán)格段地震作用下的反應(yīng)特性由于EPDA軟件無法考慮樓板應(yīng)力,本文通過G+βE水平地震增大系數(shù)法(又稱“彈性大震法”)用ETABS偏于安全地計(jì)算罕遇地震作用下的樓板應(yīng)力。在ETABS分析中,考慮1.0恒載+0.5活載+6.25多遇地震作用,首先可以得出轉(zhuǎn)換層樓板在彈性大震作用下的應(yīng)力圖,然后對(duì)最不利的中間部位用截面法分析,得出樓板的合成剪力為2525kN(此時(shí)不再考慮1.5的增大系數(shù)),根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)附錄E公式(E.1.2)進(jìn)行驗(yàn)算:滿足轉(zhuǎn)換層樓板在罕遇地震作用下不屈服的性能指標(biāo)。同樣可得出標(biāo)準(zhǔn)層的薄弱處樓板在1.0恒載+0.5活載+1.0水平地震工況下的應(yīng)力圖,對(duì)最不利的中間部位用截面法分析,得出樓板的合成剪力為2739kN(此時(shí)不再考慮1.5的增大系數(shù)),根據(jù)《抗規(guī)》附錄E公式(E.1.2)進(jìn)行驗(yàn)算:滿足標(biāo)準(zhǔn)層薄弱處樓板在罕遇地震作用下不屈服的性能指標(biāo)。5.2墻、基礎(chǔ)和地基除了轉(zhuǎn)換層和薄弱層樓板,作者還對(duì)框支柱、轉(zhuǎn)換梁、底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻、基礎(chǔ)和地基等在不同地震作用下的內(nèi)力分別進(jìn)行了計(jì)算分析,其結(jié)果見表10。分析結(jié)果表明,所有構(gòu)件均滿足規(guī)范要求和設(shè)定的性能目標(biāo)?？梢哉J(rèn)為結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各種地震作用下都能達(dá)到表2所給出的性能目標(biāo)。6結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟隨著科技水平的不斷提高和現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)思想中不足之處的逐漸暴露,以實(shí)際震害為背景提出的基于性能的抗震設(shè)計(jì),目前受到國(guó)際上普遍的關(guān)注。并且作為未來抗震設(shè)計(jì)的主要發(fā)展思想,也得到了國(guó)際上廣泛的認(rèn)可。本文應(yīng)用上述基于性能的設(shè)計(jì)方法對(duì)實(shí)際超限高層建筑進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其主要步驟如下:(1)在充分把握結(jié)構(gòu)功能、受力及變形特征的基礎(chǔ)上,根據(jù)結(jié)構(gòu)整體抗震性能及各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性,確定具體的性能目標(biāo);(2)在結(jié)構(gòu)彈性分析(SATWE、ETABS)和彈塑性分析(EPDA)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過反復(fù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析和