超高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中若干問題的探討(共5頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上超高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中若干問題的探討趙楠(北京三磊建筑設(shè)計(jì)有限公司，北京，)摘 要 針對(duì)超高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)實(shí)踐，對(duì)振型譜的應(yīng)用、抗震設(shè)防分類、彈塑性位移角統(tǒng)計(jì)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(jì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了探討，歸納總結(jié)了超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專項(xiàng)審查中針對(duì)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(hào): TU973 .31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AExploration of some questions on seismic design of super high-rise structureZhao N

2、an(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-plasti

3、c 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:

4、 super high-rise structure; vibration spectrum; elastic-plastic; transition region; characteristic period; shear-weight ratio專心-專注-專業(yè)0 引言近年來，隨著結(jié)構(gòu)材料及設(shè)計(jì)方法的不斷進(jìn)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(xiàng)目的特殊性，抗震設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)常規(guī)結(jié)構(gòu)，然而對(duì)于超出規(guī)范、規(guī)程適用范圍的超高層建筑結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行抗震分析時(shí)有哪些特殊規(guī)

5、定是設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)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(jì)人員易混淆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念，對(duì)超高層抗震分析的若干關(guān)鍵問題進(jìn)行探討13。1 地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告中振型譜的應(yīng)用地震安全性評(píng)價(jià)是根據(jù)對(duì)建設(shè)工程場址和場址周圍地震安全性評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)和分析計(jì)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(dòng)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(píng)價(jià)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(dòng)環(huán)境評(píng)價(jià)、地震地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)、

6、斷裂活動(dòng)性鑒定、地震危險(xiǎn)性分析、設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)確定、地震地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)等。根據(jù)國務(wù)院令第323號(hào)需對(duì)國家及地方的重大工程等進(jìn)行地震安全性評(píng)價(jià)。通常情況下，超高層屬于超限結(jié)構(gòu)，均需在初步設(shè)計(jì)前進(jìn)行場地的地震安全性評(píng)價(jià)。有關(guān)部門依據(jù)工程場地地震安全性評(píng)價(jià)GB17741-2005的要求向設(shè)計(jì)單位提供地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告。其中較為重要的是場地的振型譜即“安評(píng)譜”及設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)。設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)形式如表1所示。表1 安評(píng)譜地震動(dòng)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/

7、s2max多遇地震63%0.38470.125設(shè)計(jì)地震10%0.351310.401罕遇地震2%0.402050.627安評(píng)譜的正確使用是準(zhǔn)確進(jìn)行地震作用內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值確定的前提，而設(shè)計(jì)人員常常只重視設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)列表而忽視報(bào)告中提供的安評(píng)譜曲線。設(shè)計(jì)實(shí)踐中常常應(yīng)用安評(píng)譜的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)對(duì)規(guī)范譜進(jìn)行調(diào)整后輸入計(jì)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(píng)報(bào)告設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)調(diào)整規(guī)范譜計(jì)算時(shí)，會(huì)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(duì)差異更為明顯。假定結(jié)構(gòu)自振周期為5s時(shí)，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

8、評(píng)譜提高了約27%，相應(yīng)計(jì)算的地震作用也將提高。表2 地震動(dòng)參數(shù)對(duì)比Table2 Ground motion parameters contrast參數(shù)地震影響參數(shù)相對(duì)比例規(guī)范譜0.014100%規(guī)范譜+安評(píng)參數(shù)0.022157%安評(píng)譜0.0173124%圖1 振型譜對(duì)比曲線Fig.1 The modal spectral contrast curve2 結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐值囊粋€(gè)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

9、，能不設(shè)縫就不設(shè)縫，能少設(shè)縫就少設(shè)縫。設(shè)計(jì)實(shí)踐中，超高層建筑與裙房間通常形成一個(gè)整體，以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度、位移角等均會(huì)產(chǎn)生有利影響。但同時(shí)，有一個(gè)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(shí)，抗震設(shè)防類別宜劃為重點(diǎn)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(shí)，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(jì)人員在主裙間是否設(shè)縫問題的討論上，應(yīng)該對(duì)這個(gè)重要因素加以重視。3

10、 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(shí)，規(guī)范也提供了一個(gè)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(shí)，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(jí)提高一級(jí)后采用，已為特一級(jí)的可不再提高。有加強(qiáng)層時(shí)，框架部分剪力的統(tǒng)計(jì)不包括加強(qiáng)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(jì)理念，即框架作為第二道設(shè)

11、防防線相對(duì)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(duì)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(shí)的應(yīng)對(duì)措施，在一般高層建筑設(shè)計(jì)中是適用的，但在超高層設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)，框架部分會(huì)承擔(dān)過大的地震作用，可能會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)見的重大損失。因此在多項(xiàng)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(shí)，框架的承擔(dān)比例可略小于10%，且必須針對(duì)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

12、性位移角的統(tǒng)計(jì)方法超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的一個(gè)重點(diǎn)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(jì)的精神。影響彈塑性位移角計(jì)算結(jié)果的因素很多，現(xiàn)階段，其計(jì)算值的離散性與承載力計(jì)算的離散性相比較大。多遇地震設(shè)計(jì)中，考慮到小震彈性時(shí)程分析的波形樣本數(shù)量較少，而且計(jì)算的位移多數(shù)明顯小于反應(yīng)譜發(fā)的計(jì)算結(jié)果，需要以反應(yīng)譜法為基礎(chǔ)進(jìn)行對(duì)比分析。罕遇地震彈塑性時(shí)程分析時(shí)，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(jì)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(jì)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(jìn)行多遇地震彈性

13、和罕遇地震彈塑性的計(jì)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(jì)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(jì)意義。5 過渡區(qū)的概念與應(yīng)用高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有底部加強(qiáng)區(qū)及一般部位兩個(gè)概念，底部加強(qiáng)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(qiáng)區(qū)的范圍規(guī)范中有明確要求。超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中由于房屋高度很高，底部加強(qiáng)區(qū)相對(duì)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(jì)，則不滿

14、足剛度及承載力漸變的設(shè)計(jì)理念，需要在底部加強(qiáng)區(qū)與一般部位間設(shè)置一個(gè)過渡區(qū)，其要求低于底部加強(qiáng)區(qū)，但高于一般部位。過渡區(qū)的設(shè)置還體現(xiàn)了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)延性的思想?，F(xiàn)行規(guī)范中未明確過渡區(qū)的概念及設(shè)計(jì)方法。結(jié)合多項(xiàng)超高層設(shè)計(jì)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(duì)越差。結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)踐，過渡區(qū)的范圍通常取為：底部加強(qiáng)區(qū)以上至墻柱軸壓比不大于某一數(shù)值（通常取為0.250.35）的樓層；高度同底部加強(qiáng)區(qū)高度。二者取較大值。對(duì)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(qiáng)區(qū)。如，底部加強(qiáng)區(qū)按中震彈性設(shè)計(jì)時(shí)，過渡區(qū)

15、可按中震不屈服復(fù)核；底部加強(qiáng)區(qū)按中震彈性抗剪，中震不屈服抗彎設(shè)計(jì)時(shí)，過渡區(qū)可按中震不屈服抗剪設(shè)計(jì)。由于過渡區(qū)未有明確規(guī)定，屬于概念設(shè)計(jì)范疇，因此設(shè)計(jì)人員可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(jì)特征周期的取值設(shè)計(jì)特征周期時(shí)抗震設(shè)計(jì)中用的地震影響系數(shù)曲線中，反映地震震級(jí)、震中距和場地類別等因素的下降段起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的周期值，簡稱特征周期。特征周期是抗震設(shè)計(jì)中重要的動(dòng)參數(shù)之一。通常情況下，地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告會(huì)提供建設(shè)場地的特征周期數(shù)值。設(shè)計(jì)實(shí)踐中，通常在多遇地震時(shí)采用規(guī)范譜與安評(píng)譜分析的較大值，設(shè)計(jì)地震及罕遇地震分析時(shí)采用規(guī)范譜進(jìn)行分析，即中震及大震的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)，包括特征周期

16、均依據(jù)規(guī)范譜。建筑抗震設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)人員依據(jù)工程情況選用。然而對(duì)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(píng)定指標(biāo)的雙參數(shù)分類方法。在工程地質(zhì)勘察報(bào)告中，均會(huì)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(shí)，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(jì)規(guī)范GB50011-2010中4.1.2條文說明中提供了用于設(shè)計(jì)地震分組為第一組的Tg等值線表

17、格。如沈陽世茂五里河項(xiàng)目超高層設(shè)計(jì)中5，地質(zhì)勘察報(bào)告提供的場地等效剪切波速為201229m/s，場地覆蓋層厚度平均值為44.76m，參考建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2010條文說明P292頁圖7進(jìn)行線性插值，經(jīng)插值，設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范GB50011-2010中5.2.5節(jié)對(duì)最小剪重比有明確要求。最小剪重比屬于概念設(shè)計(jì)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)譜法和計(jì)算時(shí)，因取值可能偏

18、低，相應(yīng)計(jì)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(duì)剪重比的要求，水平地震剪力的取值應(yīng)進(jìn)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(jì)實(shí)踐中，多遇地震分析時(shí)要求按規(guī)范譜和安評(píng)譜進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，因此在使用安評(píng)譜進(jìn)行分析時(shí)，尚應(yīng)根據(jù)地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告提供的地震峰值加速度對(duì)最小剪重比限值進(jìn)行調(diào)整。并且在進(jìn)行最小剪重比復(fù)核時(shí)，應(yīng)按照相應(yīng)方向第一主周期進(jìn)行插值確定該方向的最小剪重比。例如，參照表1的安評(píng)譜地震動(dòng)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 weigh

19、t 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)0.01568 地震入射角建筑抗震設(shè)計(jì)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(shí)，應(yīng)分別計(jì)算各側(cè)力構(gòu)件方向的水平地震作用。圖24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

20、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(shí)，均應(yīng)按多個(gè)入射角分析結(jié)果綜合設(shè)計(jì)。9 結(jié)語超高層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是一項(xiàng)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(jì)方法、概念設(shè)計(jì)思想等諸多范疇，并隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和分析手段的提高而不斷變化發(fā)展。要求設(shè)計(jì)人員要充分理解結(jié)構(gòu)含義，靈活運(yùn)用結(jié)構(gòu)概念與各項(xiàng)技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并滿足技術(shù)與經(jīng)濟(jì)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(jì)實(shí)踐中容易混淆的結(jié)構(gòu)概念，并針對(duì)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

21、了審查專家們所提要求的核心理念，對(duì)抗震性能設(shè)計(jì)方法的思路進(jìn)行一些總結(jié)，為將來的超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些經(jīng)驗(yàn)。參 考 文 獻(xiàn)1 劉文革，唐圣貴，王敬河等.超限磚混結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)若干問題的探討J.工程抗震,2004,(2): 13-14Liu Wen-ge,Tang Sheng-gui,Wang Jing-he,etc. Overrun brick structure Seismic Design IssuesJ. Earthquake Resistant Engineering,2009,(2): 13-142 鄭文，涂津，潘文.淺談復(fù)雜結(jié)構(gòu)的中震設(shè)計(jì)J.工程抗震與改造加固,2009,31(5): 81-84Zheng Wen，Tu Jin，Pan Wen. Discussion on Seismic Design of Complicated Structure under Seismic Fortif ication IntensityJ. Earthquake Resi