超高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中若干問題的探討

超高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中若干問題的探討 趙楠 北京三磊建筑設(shè)計有限公司 北京 摘 要 針對超高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計實踐 對振型譜的應(yīng)用 抗震設(shè)防分類 彈塑性位移角統(tǒng)計方法 過渡區(qū)的設(shè)置原則 特征周 期的取值方法及最小剪重比調(diào)整方法等設(shè)計關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行了探討 歸納總結(jié)了超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計專項審查中針對這些問題的解決思 路 關(guān)鍵詞 超高層結(jié)構(gòu) 振型譜 彈塑性 過渡區(qū) 特征周期 剪重比 中圖分類號中圖分類號 TU973TU973 31 文獻標(biāo)志碼文獻標(biāo)志碼 A A Exploration of some questions on seismic design of super high rise structure Zhao Nan Beijing Sunlay LTD Beijing China Abstract To aim at practice on seismic design of super high rise structure we have made exploration for the key links of the design such as the application of vibration spectrum the classification of seismic fortification statistical method of elastic plastic displacement angle setting principle of transition region the method of obtaining numerical values for characteristic period adjusting measure of minimum shear weight ratio and so on have summarized solution for these questions in special review on design of super high rise structure Keywords super high rise structure vibration spectrum elastic plastic transition region characteristic period shear weight ratio 0 引言 近年來 隨著結(jié)構(gòu)材料及設(shè)計方法的不斷進步 我國的超高層建筑發(fā)展十分迅速 建筑高度被不斷刷 新 由于超高層項目的特殊性 抗震設(shè)計應(yīng)采取更為 嚴(yán)格的技術(shù)措施以保證安全 當(dāng)前我國的高層建筑抗 震設(shè)計規(guī)范 規(guī)程較為完善 但其有一定的適用范圍 主要是針對常規(guī)結(jié)構(gòu) 然而對于超出規(guī)范 規(guī)程適用 范圍的超高層建筑結(jié)構(gòu) 對其進行抗震分析時有哪些 特殊規(guī)定是設(shè)計人員普遍關(guān)心的問題 本文結(jié)合超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐 歸納總結(jié)了超高 層抗震審查過程中專家意見及建議 尤其是設(shè)計人員 易混淆的結(jié)構(gòu)設(shè)計概念 對超高層抗震分析的若干關(guān) 鍵問題進行探討 1 3 1 地震安全性評價報告中振型譜的應(yīng)用 地震安全性評價是根據(jù)對建設(shè)工程場址和場址周 圍地震安全性評價的地震與地震地質(zhì)環(huán)境的調(diào)查 場 地地震工程地質(zhì)條件勘測 通過地震地質(zhì) 地球物理 地震工程等多學(xué)科資料的綜合評價和分析計算 按照 工程類型 性質(zhì) 重要性 科學(xué)合理地給出與工程抗 震設(shè)防要求相應(yīng)的地震動參數(shù) 以及場址的地震地質(zhì) 災(zāi)害預(yù)測結(jié)果 地震安全性評價工作的主要內(nèi)容包括 工程場地和場地周圍區(qū)域的地震活動環(huán)境評價 地震 地質(zhì)環(huán)境評價 斷裂活動性鑒定 地震危險性分析 設(shè)計地震動參數(shù)確定 地震地質(zhì)災(zāi)害評價等 根據(jù)國務(wù)院令第 323 號需對國家及地方的重大工 程等進行地震安全性評價 通常情況下 超高層屬于 超限結(jié)構(gòu) 均需在初步設(shè)計前進行場地的地震安全性 評價 有關(guān)部門依據(jù) 工程場地地震安全性評價 GB17741 2005 的要求向設(shè)計單位提供地震安全性評 價報告 其中較為重要的是場地的振型譜即 安評譜 及設(shè)計地震動參數(shù) 設(shè)計地震動參數(shù)形式如表 1 所示 表 1 安評譜地震動參數(shù)樣式 Table1 Seismic safety evaluation report of ground motion parameters 地震烈度超越概率 Tg sAmax cm s2 max 多遇地震 63 0 38470 125 設(shè)計地震 10 0 351310 401 罕遇地震 2 0 402050 627 安評譜的正確使用是準(zhǔn)確進行地震作用內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn) 值確定的前提 而設(shè)計人員常常只重視設(shè)計地震動參 數(shù)列表而忽視報告中提供的安評譜曲線 設(shè)計實踐中 常常應(yīng)用安評譜的設(shè)計地震動參數(shù)對規(guī)范譜進行調(diào)整 后輸入計算程序確定地震內(nèi)力 這種做法是不妥的 如圖 1 所示曲線 使用安評報告設(shè)計地震動參數(shù)調(diào)整 規(guī)范譜計算時 會提高結(jié)構(gòu)承擔(dān)的地震作用 尤其超 高層結(jié)構(gòu)的自振周期較長 從圖 1 可以看出 高周期 段地震影響系數(shù)的相對差異更為明顯 假定結(jié)構(gòu)自振 周期為 5s 時 地震影響系數(shù)見表 2 所示 規(guī)范譜調(diào) 整后的地震影響參數(shù)較之安評譜提高了約 27 相應(yīng) 計算的地震作用也將提高 表 2 地震動參數(shù)對比 Table2 Ground motion parameters contrast 參數(shù)地震影響參數(shù)相對比例 規(guī)范譜 0 014100 規(guī)范譜 安評參數(shù) 0 022157 安評譜 0 0173124 圖 1 振型譜對比曲線 Fig 1 The modal spectral contrast curve 2 結(jié)構(gòu)單元劃分的一個重要影響因素 結(jié)構(gòu)縫 伸縮縫 沉降縫 防震縫 的設(shè)置 應(yīng) 根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)平面和豎向布置的情況 地基情況 基 礎(chǔ)類型 結(jié)構(gòu)剛度及抗震要求和荷載作用的差異等條 件綜合考慮 通常情況下 應(yīng)調(diào)整建筑平面尺寸和結(jié) 構(gòu)布置 采取必要的構(gòu)造和施工措施 能不設(shè)縫就不 設(shè)縫 能少設(shè)縫就少設(shè)縫 設(shè)計實踐中 超高層建筑與裙房間通常形成一個 整體 以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度 對結(jié)構(gòu)的抗扭剛度 位移角等均會產(chǎn)生有利影響 但同時 有一個重要的 影響因素易被忽略 即結(jié)構(gòu)單元內(nèi)經(jīng)常使用人數(shù) 根 據(jù) 建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn) GB50223 2008 中 6 0 11 條文規(guī)定 高層建筑中 當(dāng)結(jié)構(gòu)單元內(nèi)經(jīng)常使 用人數(shù)超過 8000 人時 抗震設(shè)防類別宜劃為重點設(shè) 防類 超高層建筑因其結(jié)構(gòu)的重要性 宜偏嚴(yán)控制 所 以當(dāng)主樓與大面積裙房相連 且主樓高度較高 主要 使用功能為住宅時 結(jié)構(gòu)單元內(nèi)經(jīng)常使用人數(shù)容易突 破 8000 人 因此建議設(shè)計人員在主裙間是否設(shè)縫問 題的討論上 應(yīng)該對這個重要因素加以重視 3 筒體結(jié)構(gòu)中框架部分承擔(dān)的地震剪力比例 根據(jù) 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 JGJ3 2010 中 9 1 11 條文規(guī)定 筒體結(jié)構(gòu)中框架部分分配的 樓層地震建立標(biāo)準(zhǔn)值的最大值不宜小于結(jié)構(gòu)底部總地 震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的 10 當(dāng)不滿足時 規(guī)范也提供了一 個調(diào)整方法 各層框架部分承擔(dān)的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng) 增大到結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的 15 與此同時 各層核心筒墻體的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值宜乘以增大系數(shù) 1 1 但可不大于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值 墻體的 抗震構(gòu)造措施應(yīng)按抗震等級提高一級后采用 已為特 一級的可不再提高 有加強層時 框架部分剪力的統(tǒng) 計不包括加強層及其上 下層 規(guī)范的這款條文體現(xiàn)了抗震多道防線的設(shè)計理念 即框架作為第二道設(shè)防防線相對于第一道防線的核心 筒不能太弱 如果框架部分太弱 則需對第一道防線 加以更為嚴(yán)格的措施要求 規(guī)范提供了各層框架部分地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值最大值 小于總剪力標(biāo)準(zhǔn)值 10 時的應(yīng)對措施 在一般高層建 筑設(shè)計中是適用的 但在超高層設(shè)計實踐中 由于地 震作用程度較高 核心筒大面積開裂剛度下降時 框 架部分會承擔(dān)過大的地震作用 可能會出現(xiàn)不可預(yù)見 的重大損失 因此在多項工程的超限審查過程中 均 要求筒體結(jié)構(gòu)中各層框架部分的最大地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值 必須滿足底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的 10 若在某些特 殊情況下 確不能滿足時 框架的承擔(dān)比例可略小于 10 且必須針對不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件提出較高的性能目 標(biāo) 不能簡單的按照規(guī)范條文執(zhí)行 4 彈塑性位移角的統(tǒng)計方法 超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程的一個重點環(huán)節(jié)就是分 析結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性位移角 體現(xiàn)了三 階段水準(zhǔn)設(shè)計的精神 影響彈塑性位移角計算結(jié)果的因素很多 現(xiàn)階段 其計算值的離散性與承載力計算的離散性相比較大 多遇地震設(shè)計中 考慮到小震彈性時程分析的波形樣 本數(shù)量較少 而且計算的位移多數(shù)明顯小于反應(yīng)譜發(fā) 的計算結(jié)果 需要以反應(yīng)譜法為基礎(chǔ)進行對比分析 罕遇地震彈塑性時程分析時 由于阻尼的處理方法不 夠完善 波形的數(shù)量很有限 一般不多于 7 條 直 接將計算出的彈塑性位移角最為結(jié)構(gòu)最終的彈塑性位 移角是不妥的 不具備統(tǒng)計意義 4 因此國內(nèi)的專家 學(xué)者提出了以下的修正方法 用同一軟件 同一波形進行多遇地震彈性和罕遇 地震彈塑性的計算 得到同一波形 同一部位彈塑性 位移 層間位移 與多遇地震彈性位移 層間位移 的比 值 然后將此比值取平均 7 條波 或包絡(luò) 3 條波 再乘以反應(yīng)譜法計算的該部位多遇地震位移 層間位 移 從而得到罕遇地震下該部位的彈塑性位移 層間 位移 的參考值 此方法的核心思路是在波形樣本數(shù)有限的情況下 盡可能通過修正使其具備一定的統(tǒng)計意義 5 過渡區(qū)的概念與應(yīng)用 高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中 有底部加強區(qū)及一般部位兩個 概念 底部加強區(qū)由于其重要性 設(shè)防要求通常高于 一般部位 底部加強區(qū)的范圍規(guī)范中有明確要求 超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中由于房屋高度很高 底部加強 區(qū)相對于整體結(jié)構(gòu)而言占比很小 若參照一般高層結(jié) 構(gòu)設(shè)計 則不滿足剛度及承載力漸變的設(shè)計理念 需 要在底部加強區(qū)與一般部位間設(shè)置一個過渡區(qū) 其要 求低于底部加強區(qū) 但高于一般部位 過渡區(qū)的設(shè)置 還體現(xiàn)了增強結(jié)構(gòu)延性的思想 現(xiàn)行規(guī)范中未明確過渡區(qū)的概念及設(shè)計方法 結(jié) 合多項超高層設(shè)計過程中的審查專家意見 過渡區(qū)的 設(shè)置通常參照主要抗側(cè)力構(gòu)件即重要鋼筋混凝土剪力 墻的軸壓比 這是由于墻體軸壓比反映了構(gòu)件的延性 軸壓比越高則延性相對越差 結(jié)合設(shè)計實踐 過渡區(qū)的范圍通常取為 底部 加強區(qū)以上至墻柱軸壓比不大于某一數(shù)值 通常取為 0 25 0 35 的樓層 高度同底部加強區(qū)高度 二 者取較大值 對于過渡區(qū)也應(yīng)設(shè)定相應(yīng)的性能目標(biāo) 但可低于 底部加強區(qū) 如 底部加強區(qū)按中震彈性設(shè)計時 過 渡區(qū)可按中震不屈服復(fù)核 底部加強區(qū)按中震彈性抗 剪 中震不屈服抗彎設(shè)計時 過渡區(qū)可按中震不屈服 抗剪設(shè)計 由于過渡區(qū)未有明確規(guī)定 屬于概念設(shè)計范疇 因此設(shè)計人員可根據(jù)經(jīng)驗自行設(shè)定過渡區(qū)范圍 并制 訂相應(yīng)的抗震性能目標(biāo) 6 設(shè)計特征周期的取值 設(shè)計特征周期時抗震設(shè)計中用的地震影響系數(shù)曲 線中 反映地震震級 震中距和場地類別等因素的下 降段起始點對應(yīng)的周期值 簡稱特征周期 特征周期 是抗震設(shè)計中重要的動參數(shù)之一 通常情況下 地震 安全性評價報告會提供建設(shè)場地的特征周期數(shù)值 設(shè)計實踐中 通常在多遇地震時采用規(guī)范譜與安 評譜分析的較大值 設(shè)計地震及罕遇地震分析時采用 規(guī)范譜進行分析 即中震及大震的設(shè)計地震動參數(shù) 包括特征周期均依據(jù)規(guī)范譜 建筑抗震設(shè)計規(guī)范 GB50011 2010 中 5 1 4 節(jié) 中提供了各類場地類別和設(shè)計地震分組下的特征周期 數(shù)值 其是基于規(guī)范反應(yīng)譜的 供設(shè)計人員依據(jù)工程 情況選用 然而對于場地類別位于分界線附近的工程 簡單套用 5 1 4 節(jié)中的表格就稍顯不妥 場地類別的劃分是以平均剪切波速和覆蓋層厚度 作為評定指標(biāo)的雙參數(shù)分類方法 在工程地質(zhì)勘察報 告中 均會提供建設(shè)場地的平均剪切波速及覆蓋層厚 度指標(biāo) 當(dāng)場地類別介于分界線附近時 規(guī)范允許用 插入方法確定邊界線附近 指相差 15 的范圍 的 Tg值 建筑抗震設(shè)計規(guī)范 GB50011 2010 中 4 1 2 條文說明中提供了用于設(shè)計地震分組為第一組的 Tg 等值線表格 如沈陽世茂五里河項目超高層設(shè)計中 5 地質(zhì)勘 察報告提供的場地等效剪切波速為 201 229m s 場 地覆蓋層厚度平均值為 44 76m 參考 建筑抗震設(shè)計 規(guī)范 GB50011 2010 條文說明 P292 頁圖 7 進行線性 插值 經(jīng)插值 設(shè)計地震分析采用的場地特征周期為 0 39s 罕遇地震分析采用的場地特征周期為 0 44s 其與規(guī)范 5 1 4 節(jié)中表格是有區(qū)別的 7 最小剪重比的應(yīng)用 建筑抗震設(shè)計規(guī)范 GB50011 2010 中 5 2 5 節(jié) 對最小剪重比有明確要求 最小剪重比屬于概念設(shè)計 范疇 主要為限制各樓層的最小水平地震剪力 確保 周期較長的結(jié)構(gòu)的安全 剪重比是規(guī)范考慮長周期結(jié)構(gòu)用振型分解反應(yīng)譜 法和底部剪力法計算時 因地震影響系數(shù)取值可能偏 低 相應(yīng)計算的地震作用也偏低 因此出于安全考慮 規(guī)范規(guī)定了樓層水平地震剪力的最小值 若樓層水平 地震剪力小于規(guī)范對剪重比的要求 水平地震剪力的 取值應(yīng)進行調(diào)整 并應(yīng)按調(diào)整后的地震作用確定層間 位移角等重要結(jié)構(gòu)指標(biāo) 設(shè)計實踐中 多遇地震分析時要求按規(guī)范譜和安 評譜進行包絡(luò)設(shè)計 因此在使用安評譜進行分析時 尚應(yīng)根據(jù)地震安全性評價報告提供的地震峰值加速度 對最小剪重比限值進行調(diào)整 并且在進行最小剪重比 復(fù)核時 應(yīng)按照相應(yīng)方向第一主周期進行插值確定該 方向的最小剪重比 例如 參照表 1 的安評譜地震動參數(shù) 該工程的 最小剪重比應(yīng)調(diào)整為表 3 所示 表 3 最小剪重比調(diào)整后限值 Table3 Minimum shear weight ratio after adjustment 類別7 度 0 125g 扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯或基本周期小于 3 5s 的結(jié)構(gòu)0 0208 基本周期大于 5 0s 的結(jié)構(gòu)0 0156 8 地震入射角 建筑抗震設(shè)計規(guī)范 GB50011 2012 中 5 11 條 規(guī)定 有斜交抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu) 當(dāng)相交角度大于 15o時 應(yīng)分別計算各側(cè)力構(gòu)件方向的水平地震作用 圖 2 4 表示核心筒角度為 20o的超高層結(jié)構(gòu)地震 入射角情況 圖 2 入射角度為 0 度示意圖 Fig 2 Incident angle is 0 degrees 圖 3 入射角度為 20 度示意 Fig 3 Incident angle is 20 degrees 圖 4 入射角度為 20 度示意 Fig 4 Incident angle is 20 degrees 各斜向入射角分析不僅僅用于多遇地震承載力分 析 在確定扭轉(zhuǎn)位移比 層間位移角及彈塑性位移角 等重要結(jié)構(gòu)指標(biāo)時 均應(yīng)按多個入射角分析結(jié)果綜合 設(shè)計 9 結(jié)語 超高層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計是一項非常具有挑戰(zhàn)和重 大意義的事情 她涵蓋了性能化設(shè)計方法 概念設(shè)計 思想等諸多范疇 并隨著科學(xué)技術(shù)的進步和分析手段 的提高而不斷變化發(fā)展 要求設(shè)計人員要充分理解結(jié) 構(gòu)含義 靈活運用結(jié)構(gòu)概念與各項技術(shù)措施來實現(xiàn)結(jié) 構(gòu)的三水準(zhǔn)設(shè)計準(zhǔn)則 并滿足技術(shù)與經(jīng)濟的雙重平衡 標(biāo)準(zhǔn) 本文列舉了一些在超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐中容易混 淆的結(jié)構(gòu)概念 并針對超限審查過程中遇到的問題 歸納了一些常用的解決方案 探討了審查專家們所提 要求的核心理念 對抗震性能設(shè)計方法的思路進行一 些總結(jié) 為將來的超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一些經(jīng)驗 參 考 文 獻 1 劉文革 唐圣貴 王敬河等 超限磚混結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計若干問題的探討 J 工程抗震 2004 2 13 14 Liu Wen ge Tang Sheng gui Wang Jing he etc Overrun brick structure Seismic Design Issues J Earthquake Resistant Engineering 2009 2 13 14 2 鄭文 涂津 潘文 淺談復(fù)雜結(jié)構(gòu)的中震設(shè)計 J 工程抗震與改造加固 2009 31 5 81 84 Zheng Wen Tu Jin Pan Wen Discussion on Seismic Design of Complicated Structure under Seismic Fortif ic