基于性能要求的超高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

基于性能要求的超高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

1性能設(shè)計(jì)方法20世紀(jì)90年代以來(lái)，基于性能的抗壓設(shè)計(jì)理念和方法在美國(guó)開(kāi)始流行起來(lái)，并引起了工程公司的注意。美國(guó)的ATC40(1996年)、FEMA237(1997年)提出了既有建筑評(píng)定、加固中使用多重性能目標(biāo)的建議,并提供了設(shè)計(jì)方法。美國(guó)加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(huì)SEAO于1995年提出了新建房屋基于性能的抗震設(shè)計(jì)。1998年和2000年,美國(guó)FEMA又發(fā)布了幾個(gè)有關(guān)基于性能的抗震設(shè)計(jì)文件。2003年美國(guó)ICC(InternationalCodeCouncil)發(fā)布了《建筑物及設(shè)施的性能規(guī)范》,其內(nèi)容廣泛,涉及房屋的建筑、結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)及設(shè)施的正常使用性能、遭遇各種災(zāi)害時(shí)(火、風(fēng)、地震等)的性能、施工過(guò)程及長(zhǎng)期使用性能,該規(guī)范對(duì)基于性能設(shè)計(jì)方法的重要準(zhǔn)則作了明確的規(guī)定。日本也開(kāi)始將抗震性能設(shè)計(jì)的思想正式列入設(shè)計(jì)和加固標(biāo)準(zhǔn)中,并已由建筑研究所(BRI)提出了一個(gè)性能標(biāo)準(zhǔn)。歐洲混凝土協(xié)會(huì)(CEB)于2003年出版了“鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)基于位移的抗震設(shè)計(jì)”報(bào)告。澳大利亞則在基于性能設(shè)計(jì)的整體框架以及建筑防火性能設(shè)計(jì)等方面做了許多研究,提出了相應(yīng)的建筑規(guī)范(BCA1996)。我國(guó)在基于性能的抗震設(shè)計(jì)方面也發(fā)表了不少論文加以研究和探討?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)新的重要發(fā)展,它的特點(diǎn)是: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(guò)渡,業(yè)主(設(shè)計(jì)者)可選擇所需的性能目標(biāo);抗震設(shè)計(jì)中更強(qiáng)調(diào)實(shí)施性能目標(biāo)的深入分析和論證,有利于建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新,經(jīng)過(guò)論證(包括試驗(yàn))可以采用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中還未規(guī)定的新的結(jié)構(gòu)體系、新技術(shù)、新材料;有利于針對(duì)不同設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件及建筑的重要性采用不同的性能目標(biāo)和抗震措施。這一方法是一種發(fā)展方向。目前,這一方法在工程中還未得到廣泛的應(yīng)用,還有一些問(wèn)題有待研究改進(jìn),諸如:地震作用的不確定性、結(jié)構(gòu)分析模型和參數(shù)的選用存在不少經(jīng)驗(yàn)因素、模型試驗(yàn)和震害資料欠缺、對(duì)非結(jié)構(gòu)和設(shè)施的抗震性能要求和震后災(zāi)害估計(jì)缺乏研究。但是,這一方法隨著工程中的不斷應(yīng)用,必然會(huì)趨于成熟。作者認(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。這些工程在房屋高度、規(guī)則性等方面都不同程度地超過(guò)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,按照建設(shè)部第111號(hào)部長(zhǎng)令《超限高層建筑工程抗震設(shè)防管理規(guī)定》,以及《全國(guó)超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查專家委員會(huì)抗震設(shè)防專項(xiàng)審查辦法》和《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》等的要求,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(mén)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(guò)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(lái),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)審查已經(jīng)涉及到基于性能抗震設(shè)計(jì)的理念和方法。有的工程的設(shè)計(jì)者主動(dòng)提出采用基于性能的設(shè)計(jì)理念和要求,有的工程在抗震審查中由專家組的專家提出某些基于性能的設(shè)計(jì)要求?？梢哉J(rèn)為,目前在我國(guó)超限高層建筑工程中試點(diǎn)采用基于性能抗震設(shè)計(jì)的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。本文闡述基于性能抗震設(shè)計(jì)方法與常規(guī)抗震設(shè)計(jì)方法的比較,提出超限高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)、性能水準(zhǔn)、以及實(shí)施抗震性能設(shè)計(jì)的方法,并列舉了應(yīng)用性能設(shè)計(jì)理念和要求的部分工程實(shí)例。2基于性能抗強(qiáng)設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)抗強(qiáng)設(shè)計(jì)的差異2.1結(jié)構(gòu)體系的地震響應(yīng)設(shè)計(jì)我國(guó)在上個(gè)世紀(jì)80年代修訂工業(yè)與民用建筑的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí),首次提出了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)防目標(biāo),采用了“三水準(zhǔn)兩階段設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)方法,并于1989年以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ11—89正式發(fā)布施行。這個(gè)常規(guī)設(shè)計(jì)原則的特點(diǎn)是:其一,對(duì)應(yīng)于“小、中、大”的三個(gè)地震水準(zhǔn),通過(guò)全國(guó)主要地震區(qū)域65個(gè)城鎮(zhèn)地震發(fā)生概率的統(tǒng)計(jì)分析,分別采用50年超越概率63%、10%和2%～3%的概率定量指標(biāo),相應(yīng)的地震影響系數(shù)最大值的比例約為1∶2.8∶4.5～6;衡量強(qiáng)烈地震后房屋建筑“不壞、可修、不倒”等破壞程度,則依據(jù)《建筑地震破壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)》(1990建抗字第377號(hào)),有明確的震害概念,如表1所示,這些要求,基本上屬于宏觀的性能控制。其二,為實(shí)現(xiàn)上述三水準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo),規(guī)范采用兩階段設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化方法。第一階段設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力驗(yàn)算,采用結(jié)構(gòu)在小震下按彈性反應(yīng)譜理論得到的地震作用標(biāo)準(zhǔn)值和相應(yīng)的地震作用效應(yīng)(內(nèi)力和變形),在可靠度分析基礎(chǔ)上用分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)式進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震承載力的驗(yàn)算,一些剛度較小的結(jié)構(gòu)還要進(jìn)行層間變形的驗(yàn)算;然后通過(guò)與概念設(shè)計(jì)相關(guān)的內(nèi)力調(diào)整放大和抗震構(gòu)造措施來(lái)滿足第二水準(zhǔn)和第三水準(zhǔn)地震的宏觀性能控制要求。第二階段設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)的彈塑性變形驗(yàn)算,對(duì)地震下易倒塌的結(jié)構(gòu)和有特殊要求的建筑結(jié)構(gòu),要求其薄弱部位應(yīng)滿足在大震下不倒塌的位移限制,并采取相應(yīng)的專門(mén)的抗震構(gòu)造措施;這些結(jié)構(gòu)的第三水準(zhǔn)要求也有相對(duì)明確的位移指標(biāo)。因此,可以認(rèn)為,我國(guó)1989年抗震規(guī)范的設(shè)計(jì)方法和步驟已經(jīng)具有性能設(shè)計(jì)的雛形,2001年抗震規(guī)范在概念設(shè)計(jì)、性能控制要求上又有進(jìn)一步發(fā)展和具體化。2.2性能要求下的抗震設(shè)計(jì)方法在性能要求體系中的應(yīng)用前景按照本文前言中關(guān)于“性能設(shè)計(jì)”的介紹,下面將建筑結(jié)構(gòu)常現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)與基于性能抗震設(shè)計(jì)做一些簡(jiǎn)單的比較(表2)。這個(gè)比較說(shuō)明,基于性能要求的抗震設(shè)計(jì)方法是一個(gè)重要的發(fā)展,目前在超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用是可行的,若要在所有建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用,還有待深入探討及設(shè)計(jì)人員的理解和掌握。目前,也可用此方法對(duì)按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)程設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的性能目標(biāo)進(jìn)行深入分析探討,使經(jīng)驗(yàn)性的增大系數(shù)和構(gòu)造等規(guī)定與定量化的性能目標(biāo)、性能水準(zhǔn)有所比較,這是很有實(shí)際意義的。3性能試驗(yàn)和性能階段建筑物抗震設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)指某一設(shè)定地震地面運(yùn)動(dòng)(如在給定年限內(nèi)超越概率63%、10%和2%～3%的小震、中震和大震)下建筑的預(yù)期性能水準(zhǔn)。建筑物的性能水準(zhǔn)包括結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)和建筑附屬設(shè)施的性能水準(zhǔn)的各種組合。當(dāng)前,“超限”高層建筑工程指高度或規(guī)則性方面超過(guò)規(guī)范、規(guī)程適用范圍的高層建筑工程。因篇幅所限,本文研究這些超限高層建筑的結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì),著重提出結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)和水準(zhǔn)。3.1結(jié)構(gòu)損傷的治療和預(yù)防超限高層建筑結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)地震下的性能水準(zhǔn)以及性能目標(biāo)的示意圖見(jiàn)圖1,結(jié)構(gòu)抗震性能可分為如下幾個(gè)水準(zhǔn):1a.結(jié)構(gòu)在地震后完好、無(wú)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)損傷造成傷害,可安全出入和使用。1b.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)損傷造成傷害,可安全出入和使用。2.地震后結(jié)構(gòu)的薄弱部位和重要部位的構(gòu)件完好、無(wú)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。3.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。4.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(guò)修理、適當(dāng)加固后才可繼續(xù)使用。5.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。3.2性能目標(biāo)要求每個(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)。表3提供了一些可供選擇的性能目標(biāo):性能目標(biāo)A,小震和中震均滿足性能水準(zhǔn)la的要求,大震下滿足性能水準(zhǔn)1b的要求;整體結(jié)構(gòu)完好;其高度和不規(guī)則性一般不需要專門(mén)限制。性能目標(biāo)B,小震下滿足性能水準(zhǔn)1a的要求,中震滿足性能水準(zhǔn)1b的要求,大震滿足性能水準(zhǔn)2的要求;整體結(jié)構(gòu)基本完好;其高度和不規(guī)則性一般也不需要專門(mén)限制。性能目標(biāo)C,小震下滿足性能水準(zhǔn)1a的要求,中震下滿足性能水準(zhǔn)2的要求,大震下滿足性能水準(zhǔn)3的要求;部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞;其高度不需專門(mén)限制,重要部位的不規(guī)則性限制可比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求放寬。性能目標(biāo)D,小震下滿足性能水準(zhǔn)1a的要求,中震滿足性能水準(zhǔn)3的要求,大震下滿足性能水準(zhǔn)4的要求;結(jié)構(gòu)中等破壞,其高度可適當(dāng)超過(guò)現(xiàn)行高層混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程B級(jí)的規(guī)定,某些不規(guī)則性限制可有所放寬。性能目標(biāo)E,小震下滿足性能水準(zhǔn)1a的要求,中震滿足性能水準(zhǔn)4的要求,大震下滿足性能水準(zhǔn)5的要求,結(jié)構(gòu)的損壞不危及生命安全。其高度一般不宜超過(guò)現(xiàn)行高層混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程B級(jí)的規(guī)定,規(guī)則性限制一般也不宜放寬。4抗強(qiáng)設(shè)計(jì)的實(shí)施4.1結(jié)構(gòu)的不符程度及超高情況的影響按照結(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三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)。抗震性能設(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)比較全面。4.1.1性能抗拉n-q性能基準(zhǔn)一本文在3.1節(jié)提出了結(jié)構(gòu)在地震作用下的六個(gè)性能水準(zhǔn),下面給出判別是否滿足性能水準(zhǔn)的準(zhǔn)則,供參考。其中,對(duì)各項(xiàng)性能水準(zhǔn),結(jié)構(gòu)的樓蓋體系必須有足夠安全的承載力,以保證結(jié)構(gòu)的整體性,一般應(yīng)使樓板在地震中基本上處于彈性反應(yīng)狀態(tài),否則,應(yīng)有合理可靠的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型并加以論證(包括試驗(yàn));為避免混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生脆性剪切破壞,設(shè)計(jì)中應(yīng)控制受剪截面尺寸,滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)剪壓比的限制要求;性能水準(zhǔn)中的抗震構(gòu)造,“基本要求”相當(dāng)于混凝土結(jié)構(gòu)中的四級(jí)抗震等級(jí)的構(gòu)造要求,低、中、高和特種延性要求,可參照混凝土結(jié)構(gòu)中抗震等級(jí)的三、二、一和特一級(jí)的構(gòu)造要求。性能水準(zhǔn)1a.結(jié)構(gòu)滿足彈性設(shè)計(jì)要求,包括全部構(gòu)件的抗震承載力和層間位移均滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求;結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)具有正確、合理的分析模型,計(jì)算應(yīng)采用作用分項(xiàng)系數(shù)、材料分項(xiàng)系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù),對(duì)性能目標(biāo)為A或B的結(jié)構(gòu)可不考慮地震內(nèi)力調(diào)整;各構(gòu)件的細(xì)部抗震構(gòu)造滿足基本要求。對(duì)性能目標(biāo)為C、D、E的結(jié)構(gòu),為便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)在中震、大震作用下的非線性分析,可先按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行小震階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),再通過(guò)非線性分析校核中震、大震的性能水準(zhǔn),根據(jù)校核結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),進(jìn)行第二次設(shè)計(jì)。性能水準(zhǔn)1b.結(jié)構(gòu)的全部構(gòu)件的抗震承載力滿足彈性設(shè)計(jì)的要求,各構(gòu)件的細(xì)部抗震構(gòu)造滿足基本要求;計(jì)算同樣可不考慮地震內(nèi)力調(diào)整,但應(yīng)采用作用分項(xiàng)系數(shù)、材料分項(xiàng)系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)。性能水準(zhǔn)2.結(jié)構(gòu)的薄弱部位或重要部位構(gòu)件的抗震承載力滿足彈性設(shè)計(jì)要求;整個(gè)結(jié)構(gòu)按非線性分析計(jì)算,允許有些選定的部位接近屈服(如部分而不是全部受拉鋼筋屈服),但不應(yīng)發(fā)生剪切等脆性破壞;各構(gòu)件的細(xì)部抗震構(gòu)造要滿足低延性的要求。性能水準(zhǔn)3.結(jié)構(gòu)的薄弱部位或重要部位構(gòu)件不屈服,即不考慮內(nèi)力調(diào)整的地震作用效應(yīng)和抗震承載力按強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算(作用分項(xiàng)系數(shù)、材料分項(xiàng)系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)均取1.0)滿足要求;結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行非線性計(jì)算,允許有些選定的部位進(jìn)入屈服階段但不得發(fā)生剪切等脆性破壞;各構(gòu)件的細(xì)部抗震構(gòu)造要滿足中等延性的要求。性能水準(zhǔn)4.結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行非線性計(jì)算,薄弱部位或重要部位構(gòu)件允許達(dá)到屈服階段但滿足選定的變形限制(如混凝土結(jié)構(gòu)的層間變形控制在1/500～1/300),豎向構(gòu)件不發(fā)生剪切等脆性破壞;各構(gòu)件的細(xì)部抗震構(gòu)造要滿足高延性的要求。性能水準(zhǔn)5.結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行非線性計(jì)算,薄弱部位或重要部位構(gòu)件允許屈服,滿足現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程對(duì)大震下的變形要求;豎向構(gòu)件不發(fā)生剪切等脆性破壞;各構(gòu)件的細(xì)部抗震構(gòu)造滿足特種延性的要求。4.1.2性能目標(biāo)“a”和“b”選擇超限高層建筑的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)時(shí),應(yīng)綜合考慮多個(gè)因素。以下提出一些建議,供參考。1)在第一水準(zhǔn)地震(小震)作用下,任何超限高層建筑的結(jié)構(gòu)都應(yīng)滿足性能水準(zhǔn)1a的要求。表3中提出的各種性能目標(biāo)方案都能滿足這個(gè)基本抗震設(shè)防要求。2)某些建筑物,由于其特殊的重要性而需要結(jié)構(gòu)具有足夠的承載力,以保證它在中震、大震下始終處于基本彈性狀態(tài);也有一些建筑雖然不特別重要,但其設(shè)防烈度較低(如6度)或結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)較小,它仍可能具有在中震、大震下只出現(xiàn)基本彈性反應(yīng)的承載力水準(zhǔn);某些結(jié)構(gòu)屬于特別不規(guī)則,但業(yè)主為了實(shí)現(xiàn)建筑造型和滿足特殊建筑功能的需要,愿意付出經(jīng)濟(jì)代價(jià),使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足在大震下仍處于基本彈性狀態(tài)。以上情況以及其他特殊情況,可選用性能目標(biāo)“A”,此時(shí),房屋的高度和不規(guī)則性一般不需要專門(mén)限制。3)性能目標(biāo)“B”與性能目標(biāo)“A”是比較接近的,不同之處在于性能目標(biāo)“B”的結(jié)構(gòu),其非薄弱部位、非重要部位在大震下接近屈服,不再處于基本彈性狀態(tài)。其房屋的高度和不規(guī)則性一般不需要專門(mén)限制。上述選用性能目標(biāo)“A”的結(jié)構(gòu),也可選用性能目標(biāo)“B”,雖然結(jié)構(gòu)的抗震性能有些減弱,但可以比性能目標(biāo)“A”降低結(jié)構(gòu)造價(jià)。4)性能目標(biāo)“C”、“D”、“E”都允許結(jié)構(gòu)不同程度地進(jìn)入非彈性狀態(tài)。震害經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)和理論研究表明,在中震、大震下,使結(jié)構(gòu)既具有合適的承載力又能發(fā)揮一定的延性性能是比較合理的。對(duì)超限高層建筑結(jié)構(gòu),一般情況下可選用性能目標(biāo)“C”、“D”或“E”。這三種目標(biāo)的選用需要綜合考慮設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度和房屋高度、結(jié)構(gòu)發(fā)揮延性變形的能力、結(jié)構(gòu)造價(jià)、震后的各種損失及修復(fù)難度等等因素。對(duì)于超限高層建筑結(jié)構(gòu),鑒于目前非線性分析方法的計(jì)算模型及參數(shù)的選用尚存在不少經(jīng)驗(yàn)因素,震害及試驗(yàn)驗(yàn)證還欠缺,對(duì)結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的判斷難以十分準(zhǔn)確,因此在性能目標(biāo)選用中宜偏于安全一些。5)特別不規(guī)則的高層建筑結(jié)構(gòu),其不規(guī)則的程度超過(guò)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的限值較多,結(jié)構(gòu)的延性變形能力較差,建議選用性能目標(biāo)“C”。6)房屋高度或個(gè)別不規(guī)則性超過(guò)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的限值較多的結(jié)構(gòu),可選用性能目標(biāo)“C”或“D”。7)房屋高度和不規(guī)則性均超過(guò)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的限值較小的結(jié)構(gòu),可選用性能目標(biāo)“D”。8)房屋高度不超過(guò)現(xiàn)行規(guī)程B級(jí)高度且不規(guī)則性滿足限值的結(jié)構(gòu),可選用性能目標(biāo)“E”或“D”。4.2構(gòu)件性能分析超限高層建筑結(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:4.2.1剪力墻的確定彈性計(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)算層數(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)平面尺寸凹凸不規(guī)則或平面內(nèi)局部開(kāi)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(guò)相應(yīng)的模型試驗(yàn),以確定計(jì)算的可信度。4.2.2不落地構(gòu)件通過(guò)次梁轉(zhuǎn)換構(gòu)造的過(guò)程設(shè)計(jì)方法是否合理,也需要注意以下幾個(gè)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。平面輪廓規(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。對(duì)于不落地構(gòu)件通過(guò)次梁轉(zhuǎn)換的計(jì)算結(jié)果應(yīng)慎重對(duì)待。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)不落地的豎向抗側(cè)力構(gòu)件(墻、柱、支撐等)的地震作用如何通過(guò)次梁傳遞到主梁又傳遞到落地豎向構(gòu)件要有明確的計(jì)算,并采取相應(yīng)的構(gòu)造措施,方可視為有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的傳遞途徑。結(jié)構(gòu)剛度突變的控制,在彈性分析階段,由于結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度有多種不同的定義,使剛度比值的計(jì)算結(jié)果可能不相同。因此,剛度突變的判斷,宜綜合考慮各種方法,包括相鄰層的層間位移角的比值、上下樓層豎向構(gòu)件橫截面總面積比、等效剪切剛度、等效彎剪剛度等;在抗震性能設(shè)計(jì)中,對(duì)于性能目標(biāo)為“C”、“D”、“E”的結(jié)構(gòu),需要進(jìn)行非線性分析,其剛度突變的控制,可主要通過(guò)層間位移角是否滿足相應(yīng)的性能要求予以判斷。結(jié)構(gòu)樓層扭轉(zhuǎn)位移比計(jì)算時(shí),需要注意:所謂剛性樓蓋,國(guó)外規(guī)范的定義是,在規(guī)定的側(cè)向荷載作用下,計(jì)算的樓蓋平面內(nèi)最大撓度不超過(guò)該樓層抗側(cè)力體系中豎向構(gòu)件平均層間位移的2倍;一般情況需要考慮偶然偏心的影響,但偏心值的大小如遇到很長(zhǎng)裙房等特殊情況,不一定取該方向樓板總長(zhǎng)度的5%;最大值和平均值的計(jì)算,均取樓層中同一軸線兩端的豎向構(gòu)件計(jì)算,不考慮樓板中懸挑的端部;偶然偏心與雙向水平地震可不同時(shí)考慮,但應(yīng)取二者的不利情況。對(duì)主樓與裙房相連導(dǎo)致結(jié)構(gòu)底部扭轉(zhuǎn)位移比過(guò)大或其他特殊情況使扭轉(zhuǎn)位移比過(guò)大,此時(shí),如小震下計(jì)算的最大層間位移不超過(guò)規(guī)范限值的1/3,構(gòu)件對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)值的抗震承載力滿足在中震下的地震內(nèi)力組合要求,大震下的最大層間位移可控制在1/500～1/300,即滿足性能水準(zhǔn)4的要求,則扭轉(zhuǎn)位移比的不規(guī)則性可放松。4.2.3加速度的放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,即單條波計(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1.5～2倍。這種做法,相當(dāng)于設(shè)防烈度提高半度至一度,顯然是不合適的,應(yīng)重新選擇地震波。當(dāng)然,規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)加速度值相當(dāng)于有效峰值,故允許將輸入的實(shí)際地震記錄波形的加速度最大值乘以一個(gè)略大于1.0的系數(shù)?？紤]雙向水平地震作用時(shí),同一組地震波的兩個(gè)水平分量的加速度比值可取1∶0.85;考慮豎向地震和雙向水平地震作用時(shí),同一組地震波的兩個(gè)水平分量和豎向分量的加速度比值可取1∶0.85∶0.65。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)件的截面和配筋;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。4.2.4結(jié)構(gòu)頂部豎向地震加速度反應(yīng)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。研究表明,強(qiáng)震觀測(cè)記錄和理論計(jì)算分析的結(jié)果,通常結(jié)構(gòu)頂部的豎向地震加速度反應(yīng)約為底部的2～3倍:懸臂端或較大跨度連接體的跨中部位,其豎向地震加速度反應(yīng)比支座處顯著增大,有的計(jì)算可能達(dá)到3倍。這意味著,8度時(shí)頂部較大跨度連接體的跨中部位,局部構(gòu)件的豎向地震作用可能超過(guò)9度。有的模型試驗(yàn)也表明,連接體的豎向振動(dòng)是不可忽視的。4.2.5結(jié)構(gòu)靜力分析對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移進(jìn)行控制是為了保證結(jié)構(gòu)整體剛度和整體安全。超限高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算薄弱層變形的主要方法包括:靜力彈塑性分析方法(push-over法)、彈塑性時(shí)程分析法等。彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析能比較準(zhǔn)確而完整地得出結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的反應(yīng)全過(guò)程,但計(jì)算分析工作繁瑣,且計(jì)算結(jié)果受到所選用地震波以及構(gòu)件恢復(fù)力和屈服模型的影響較大,在設(shè)計(jì)重要高層建筑結(jié)構(gòu)采用該法時(shí),要盡量使構(gòu)件恢復(fù)力模型符合構(gòu)件的實(shí)際特性。push-over方法是對(duì)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下進(jìn)行彈塑性變形分析的一種簡(jiǎn)化方法,本質(zhì)上是一種靜力分析方法。具體地說(shuō),就是在結(jié)構(gòu)計(jì)算模型上施加按某種規(guī)則分布的水平側(cè)向力,單調(diào)加載并逐級(jí)加大;一旦有構(gòu)件開(kāi)裂(或屈服)即修改其剛度(或使其退出工作),進(jìn)而修改結(jié)構(gòu)總剛度矩陣,進(jìn)行下一步計(jì)算,依次循環(huán)直到結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定的狀態(tài)(成為機(jī)構(gòu)、位移超限或達(dá)到目標(biāo)位移),從而判斷是否滿足相應(yīng)的抗震能力要求。Push-over方法分為兩個(gè)部分,首先建立結(jié)構(gòu)荷載-位移曲線,然后評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震能力。該方法能夠很好地估計(jì)結(jié)構(gòu)的整體和局部彈塑性變形,同時(shí)也能揭示彈性設(shè)計(jì)中存在的隱患(包括層屈服機(jī)制、過(guò)大變形以及強(qiáng)度、剛度突變等)。研究成果和工程應(yīng)用表明,在一定適用范圍內(nèi)push-over方法能夠較為準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)特征,對(duì)于一般的高層建筑結(jié)構(gòu),不失為一種可行的簡(jiǎn)化分析方法。應(yīng)用時(shí)需要特別注意:結(jié)構(gòu)模型可適當(dāng)簡(jiǎn)化,但應(yīng)能反映整體受力并突出基本受力特征;構(gòu)件的物理參數(shù)和恢復(fù)力模型應(yīng)符合中國(guó)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料性能和構(gòu)造特點(diǎn),不宜隨意套用國(guó)外的設(shè)計(jì)參數(shù);沿高度施加的水平力要符合超限高層建筑的特點(diǎn),選擇倒三角分布、矩形分布、第一振型分布、等效的多振型組合分布或所謂自適應(yīng)振型分布等;結(jié)構(gòu)達(dá)到某一目標(biāo)位移(當(dāng)多自由度結(jié)構(gòu)體系可以等效為單自由度體系時(shí))或結(jié)構(gòu)破壞程度的判斷,應(yīng)結(jié)合超限設(shè)計(jì)中采用的性能目標(biāo),根據(jù)彈性分析時(shí)小震、中震和大震的比例關(guān)系,逐個(gè)分析小震、中震和大震對(duì)應(yīng)的彈塑性狀態(tài),從結(jié)構(gòu)位移、結(jié)構(gòu)承載力、阻尼比、屈服鉸的數(shù)量和分布綜合判斷計(jì)算結(jié)果的可信程度。4.2.6模型的模型試驗(yàn)當(dāng)超限高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)缺乏依據(jù)時(shí),應(yīng)進(jìn)行必要的模型試驗(yàn)。例如,采用高含鋼率的型鋼混凝土梁柱和剪力墻,具有型鋼的異形截面構(gòu)件等新型構(gòu)件時(shí),應(yīng)進(jìn)行構(gòu)件的模型試驗(yàn);采用多桿件鑄鐵節(jié)點(diǎn)、多級(jí)轉(zhuǎn)換層、梁側(cè)面的樓板開(kāi)洞使梁本身及梁柱節(jié)點(diǎn)域不與樓板直接相連時(shí),應(yīng)進(jìn)行新結(jié)構(gòu)部件的模型試驗(yàn);有的復(fù)雜體系或總高度超過(guò)規(guī)程的適用高度特別多,如中央電視臺(tái)主樓、上海環(huán)球、新保利、北京國(guó)貿(mào)等,需進(jìn)行新結(jié)構(gòu)體系整體模型試驗(yàn)。不論擬靜力試驗(yàn)還是振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),均要按《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》JGJ101的要求認(rèn)真處理好模型的相似律,才能使模型的試驗(yàn)結(jié)果能夠推演到實(shí)際結(jié)構(gòu)上;模型的比例,整體結(jié)構(gòu)模型不宜小于1/25,構(gòu)件模型不宜小于1/10,節(jié)點(diǎn)模型不宜小于1/4。試驗(yàn)的目的要有針對(duì)性。建議特別注意模型設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方案需要經(jīng)過(guò)論證,以達(dá)到提供超限結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)依據(jù)的目的。5性能設(shè)計(jì)要求超限高層建筑工程應(yīng)用基于性能設(shè)計(jì)理念和要求的實(shí)例較多,下面僅列舉6個(gè)具有一定代表性的工程實(shí)例。5.1大連金廣楓景7度設(shè)防的剪力墻結(jié)構(gòu),Ⅰ類場(chǎng)地,主樓平面為橢圓形且墻體全部落地。結(jié)構(gòu)總高度170m,超過(guò)抗震規(guī)范適用高度42%,也比高層混凝土規(guī)程B級(jí)高度超過(guò)14%(圖2)。該工程的特點(diǎn)是超高較多,但小震的地震力比風(fēng)力小,常規(guī)設(shè)計(jì)的截面承載力和變形為風(fēng)力控制。所采用的性能設(shè)計(jì)要求是:墻體及其連梁的抗震等級(jí)采用特一級(jí),比A級(jí)高度的剪力墻結(jié)構(gòu)提高二級(jí),而且上部軸壓比大于0.2的墻肢設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。底部加強(qiáng)部位墻體的承載力按中震彈性設(shè)計(jì),可基本達(dá)到大震不屈服;同時(shí),中震下的截面的平均剪應(yīng)力為0.4ftk,接近滿足大震不出現(xiàn)剪切裂縫的控制條件?？傮w上基本達(dá)到了上述性能目標(biāo)C的判斷準(zhǔn)則的要求;考慮地震作用的不確定性,在延性構(gòu)造上留有余地。5.2北京蘭華大廈8度設(shè)防的框架-剪力墻結(jié)構(gòu),總高93m。底部五層的樓板偏于一側(cè),無(wú)樓板的一側(cè)為穿層型鋼混凝土斜柱,斜柱和斜支撐在五層頂板形成較大的拉力和壓力(圖3)。針對(duì)上述特點(diǎn),其性能設(shè)計(jì)的要求是:五層頂板采取加強(qiáng)措施確保靜力和地震下的安全;斜柱采取措施減少長(zhǎng)細(xì)比,并保證在中震下考慮P-Δ效應(yīng)的承載力按彈性設(shè)計(jì),在大震下的變形可得到控制,約為1/450;增加框架部分承擔(dān)的地震剪力,取20%的總地震剪力,且每個(gè)斜柱承擔(dān)2%的總地震剪力。該結(jié)構(gòu)的剪力墻和在六層以上的結(jié)構(gòu)基本按規(guī)范的要求設(shè)計(jì),故總體性能僅達(dá)到比性能目標(biāo)E略有提高。5.3南寧地王國(guó)際商廈6度設(shè)防的混凝土內(nèi)筒-外框結(jié)構(gòu),外形基本規(guī)則,總高201m,停機(jī)坪高度218m,接近高層混凝土規(guī)程B級(jí)的最大高度,頂部有局部的抽柱轉(zhuǎn)換,并有高40m的偏置觀光電梯小塔(圖4)。該工程的特點(diǎn)是總高度較大且頂部小塔偏置,核心筒較大(為平面尺寸的45%,高寬比1/10),按6度設(shè)防,截面承載力不受小震的地震力控制。其性能設(shè)計(jì)要求是:增大外框架承擔(dān)的地震力,且底部的外框柱設(shè)置芯柱加強(qiáng);除少數(shù)外框架梁外,豎向構(gòu)件(墻、柱)在中震下保持彈性,最大層間變形1/1000,出現(xiàn)在總高度的2/3處;大震下底部加強(qiáng)部位基本上不屈服,上部最大的彈塑性層間變形約1/280;頂部小塔考慮扭轉(zhuǎn)和鞭稍效應(yīng),也按中震不屈服設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)總體上達(dá)到性能目標(biāo)C類的要求。5.4北京UHN村8度設(shè)防的混凝土剪力墻雙塔結(jié)構(gòu),高度81m,在63m以上部位用鋼結(jié)構(gòu)連接體與雙塔錯(cuò)層相連。雙塔的結(jié)構(gòu)基本相同,底層有個(gè)別墻體轉(zhuǎn)換,連接體的跨度為31m(圖5)。該工程的特點(diǎn)是高位大跨的錯(cuò)層連體,豎向時(shí)程分析結(jié)果,跨中部位的豎向地震加速度反應(yīng)很大。所采用的性能設(shè)計(jì)要求是:連接體本身考慮豎向地