高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(第二講)12

第二講抗風(fēng)、抗震設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

唐興榮工學(xué)博士教授蘇州科技學(xué)院土木工程學(xué)院二○一二年一月第一節(jié)抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法一、抗風(fēng)設(shè)計(jì)原那么風(fēng)作用出現(xiàn)的概率大，大風(fēng)作用的時(shí)間較長(zhǎng)人們要求在50年或100年重現(xiàn)期的風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)仍然能正常使用，也就是要求結(jié)構(gòu)處于彈性和小位移狀態(tài)抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要基于承載力設(shè)計(jì)，對(duì)高度較高的高層建筑，還要保證210年重現(xiàn)期的風(fēng)荷載作用下人處于舒適狀態(tài)〔風(fēng)作用下的加速度〕“舒適度”的概念目前國(guó)內(nèi)研究還很少加拿大的達(dá)文波特教授〔Pro.Davenport〕第一次提出舒適度與房屋頂層加速度關(guān)系控制房屋頂層加速度的方法，滿足舒適度要求主體結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，垂直于建筑物外表的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：二、風(fēng)荷載計(jì)算幾點(diǎn)說明考慮到房屋高度大于60m的高層建筑對(duì)風(fēng)荷載比較敏感，承載力設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)荷載計(jì)算可按根本風(fēng)壓的1.1倍采用。對(duì)于房屋高度不超過60m的一般高層建筑，其根本風(fēng)壓是否提高，可由設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際情況確定。相對(duì)02規(guī)程，本次修訂：〔1〕取消了“特別重要”的高層建筑的風(fēng)荷載增大要求，主要因?yàn)閷?duì)重要的建筑結(jié)構(gòu)，其重要性已在結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)表達(dá)在結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)的設(shè)計(jì)值中；〔2〕對(duì)正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，其要求可比承載力設(shè)計(jì)適當(dāng)降低，一般仍可采用根本風(fēng)壓值或由設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際情況確定，不再作為強(qiáng)制性要求；〔3〕對(duì)風(fēng)荷載比較敏感的高層建筑結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)不再?gòu)?qiáng)調(diào)按100年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值采用，而是直接按根本風(fēng)壓增大10%采用。2、風(fēng)壓高度變化系數(shù)在大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)速隨地面高度而增大。當(dāng)氣壓場(chǎng)隨高度不變時(shí)，風(fēng)速隨高度增大的規(guī)律主要取決于地面粗糙度和溫度垂直梯度。通常認(rèn)為在離地面高度為300m～500m時(shí)，風(fēng)速不再受地面粗糙度的影響，也即到達(dá)所謂“梯度速度”，該高度稱之為梯度風(fēng)高度。對(duì)于平坦或稍有起伏的地形，風(fēng)壓高度變化系數(shù)應(yīng)根據(jù)地面粗糙度類別決定?！督ㄖY(jié)構(gòu)荷載標(biāo)準(zhǔn)》〔GB50009-2011〕將地面粗糙度分為A、B、C、和D四類〔見表〕。3、風(fēng)載體型系數(shù)

《建筑結(jié)構(gòu)荷載標(biāo)準(zhǔn)》〔GB50009-2011〕表列出38項(xiàng)不同類型的建筑物和各類結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)，當(dāng)建筑物與表中列出的體型類同時(shí)可參考應(yīng)用。房屋和構(gòu)筑物與表中的體型類同時(shí)，可按表規(guī)定取用；房屋和構(gòu)筑物與表中的體型類不同時(shí)，可參考有關(guān)資料采用；房屋和構(gòu)筑物與表中的體型類不同且無參考資料可借鑒時(shí)，宜由風(fēng)洞試驗(yàn)確定；對(duì)重要且體型復(fù)雜的房屋和構(gòu)筑物，應(yīng)由風(fēng)洞試驗(yàn)確定。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》〔JGJ3-2010〕對(duì)《建筑結(jié)構(gòu)荷載標(biāo)準(zhǔn)》〔GB50009-2011〕表的簡(jiǎn)化和整理，給出了12種體型的風(fēng)載體型系數(shù)〔附錄B〕。1、矩形截面2、L形截面3、槽形截面

4、正多邊形平面、圓形平面5、扇形平面

6、棱形平面

7、十字形平面

8、井字形平面

9、X形平面

10、艸形平面

11、六角形平面

12、Y形平面

《規(guī)程》〔JGJ3-2010〕第款，給出了按《標(biāo)準(zhǔn)》〔GB50009-2011〕表的適當(dāng)簡(jiǎn)化和整理后風(fēng)載體型系數(shù)ms：圓形截面建筑取ms=0.8;正多邊形及截角三角形平面建筑，由以下公式計(jì)算：

高寬比H/B不大于4的矩形、方形、十字形平面建筑取ms=1.3；以下建筑取ms=1.4V形、Y形、弧形、雙十字形、井字形平面建筑；L形、槽形和高寬比H/B大于4的十字形平面建筑；高寬比H/B大于4，長(zhǎng)寬比L/B不大于1.5的矩形、鼓形平面建筑在需要更細(xì)致進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算的場(chǎng)合，風(fēng)荷載體形系數(shù)可按《規(guī)程》〔JGJ3-2010〕附錄B采用，或由風(fēng)洞試驗(yàn)確定房屋高度大于200mm或〔取消：房屋高度大于150m，〕有以下情況之一時(shí)，宜進(jìn)行風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)判斷確定建筑物的風(fēng)荷載：平面形狀或立面形狀復(fù)雜；立面開洞或連體建筑；周圍地形和環(huán)境較復(fù)雜。對(duì)風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)與按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的風(fēng)荷載存在較大差距時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)進(jìn)行分析判斷，合理確定建筑物的風(fēng)荷載取值。風(fēng)洞試驗(yàn)在風(fēng)洞中建筑物能實(shí)現(xiàn)大氣邊界層范圍內(nèi)風(fēng)的平均風(fēng)剖面、紊流和自然流動(dòng)，即要求能模擬風(fēng)速隨高度的變化大氣紊流縱向分量建筑物長(zhǎng)度尺寸具有相同的相似常數(shù)建筑物的風(fēng)洞尺寸：寬24m、高23m，長(zhǎng)530m模擬風(fēng)剖面要求模型與原形的環(huán)境風(fēng)速梯度、紊流強(qiáng)度和紊流頻譜在幾何上和運(yùn)動(dòng)上都相似風(fēng)洞試驗(yàn)：委托風(fēng)工程專家和專門的實(shí)驗(yàn)人員費(fèi)用較高〔國(guó)外應(yīng)用較普遍、國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少〕風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ头诸悾簞傂詨毫δＰ椭饕繙y(cè)建筑物外表的風(fēng)壓力〔吸力〕建筑模型材料：采用有機(jī)玻璃建筑模型比例：約1:3001:500建筑模型本身、周圍結(jié)構(gòu)模型以及地形都應(yīng)與實(shí)物幾何相似，與風(fēng)流動(dòng)有明顯關(guān)系的特征〔建筑外形、突出局部等〕都應(yīng)正確模擬。風(fēng)洞試驗(yàn)得到結(jié)構(gòu)的平均壓力、波動(dòng)壓力、體型系數(shù)。風(fēng)洞試驗(yàn)一次需持續(xù)60s左右，相應(yīng)實(shí)際時(shí)間1h。氣動(dòng)彈性模型對(duì)高寬比大于5、需要考慮舒適度的高柔建筑時(shí)采用精確地考慮結(jié)構(gòu)的柔性和自振頻率、阻尼的影響。要求模擬幾何尺寸、建筑物的慣性矩、剛度和阻尼特性。剛性高頻力平衡模型模型尺寸較小，1:500量級(jí)將一個(gè)輕質(zhì)材料的模型固定在高頻反響的力平衡系統(tǒng)上，可得到風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)。模擬結(jié)構(gòu)剛度或高頻力平衡系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)剛度的基座桿長(zhǎng)約150mm的矩形鋼棒與一組很薄的鋼棒組合，可測(cè)傾覆力矩和扭矩等力平衡儀實(shí)驗(yàn)示意圖5、總體風(fēng)荷載與局部風(fēng)荷載總體風(fēng)荷載是建筑物各外表承受風(fēng)力作用的合力，是沿高度變化的分布荷載，用于計(jì)算抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)移及各構(gòu)件內(nèi)力。局部風(fēng)荷載用于計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件或維護(hù)構(gòu)件或圍護(hù)構(gòu)件與主體的連接〔水平懸挑構(gòu)件、幕墻構(gòu)件及其連接件等〕，采用風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk計(jì)算，但采用局部風(fēng)荷載體型系數(shù)。局部風(fēng)荷載用于計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件或維護(hù)構(gòu)件或圍護(hù)構(gòu)件與主體的連接〔水平懸挑構(gòu)件、幕墻構(gòu)件及其連接件等〕，采用風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk計(jì)算，但采用局部風(fēng)荷載體型系數(shù)。當(dāng)建筑群，尤其是高層建筑群，房屋相互間距較近時(shí)，由于旋渦的相互干擾，房屋某些部位的局部風(fēng)壓會(huì)顯著增大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮?！稑?biāo)準(zhǔn)》GB50009規(guī)定：將單獨(dú)建筑物的體型系數(shù)s乘以相互干擾系數(shù)(可參考類似條件的試驗(yàn)資料確定；必要時(shí)宜通過風(fēng)洞試驗(yàn)得出)以考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)。風(fēng)力作用在高層建筑外表，其壓力分布很不均勻，在角隅、檐口、邊棱處和在附屬結(jié)構(gòu)的部位〔陽(yáng)臺(tái)、雨篷等外挑構(gòu)件〕，局部風(fēng)壓會(huì)超過按表所得的平均風(fēng)壓《標(biāo)準(zhǔn)》GB50009規(guī)定：檐口、雨篷、遮陽(yáng)板、陽(yáng)臺(tái)燈水平構(gòu)件，計(jì)算局部上浮風(fēng)荷載時(shí)，風(fēng)荷載體型系數(shù)不宜小于2.0.對(duì)封閉式建筑物，考慮到建筑物內(nèi)實(shí)際存在的個(gè)別孔口和縫隙，以及機(jī)械通風(fēng)等因素，室內(nèi)可能存在正負(fù)不同的氣壓。《標(biāo)準(zhǔn)》GB50009規(guī)定：對(duì)封閉式建筑物的內(nèi)外表壓力系數(shù)，按外外表風(fēng)壓的正負(fù)情況取-0.2或0.2三、高層建筑結(jié)構(gòu)的舒適度驗(yàn)算

對(duì)照國(guó)外的研究成果和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，與我國(guó)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》〔JGJ99-98〕相協(xié)調(diào)，要求高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)具有更好的使用條件，滿足舒適度的要求。第二節(jié)抗震設(shè)計(jì)方法一、結(jié)構(gòu)地震作用計(jì)算方法的三個(gè)階段靜力法1900年日本學(xué)者大森房吉提出震度法概念，將地震作用簡(jiǎn)化為靜力反響譜理論20世紀(jì)30年代美國(guó)開展了強(qiáng)震記錄的研究(El-Centro),美國(guó)M.Biot提出用地震記錄計(jì)算反響譜的概念，50年代初，實(shí)現(xiàn)了反響譜的計(jì)算，并應(yīng)用于抗震設(shè)計(jì)。時(shí)程分析方法20世紀(jì)50年代末期,實(shí)現(xiàn)了地震反響的動(dòng)力計(jì)算分析，并成功應(yīng)用于抗震設(shè)計(jì)。20世紀(jì)70年代，地震反響動(dòng)力分析得到開展，從彈性時(shí)程分析方法開展到彈塑性時(shí)程分析方法?；诔休d力的抗震設(shè)計(jì)方法靜力法和最初的反響譜理論基于承載力和延性的抗震設(shè)計(jì)概念以反響譜理論為根底，以三水準(zhǔn)設(shè)防為目標(biāo)，以構(gòu)件極限承載力設(shè)計(jì)保證結(jié)構(gòu)承載力，以構(gòu)造措施保證結(jié)構(gòu)延性的完整的抗震設(shè)計(jì)方法。承載力與延性的關(guān)系承載力高的結(jié)構(gòu)，延性要求可以較低，而承載力較低時(shí)，那么必須設(shè)計(jì)具有較高延性的結(jié)構(gòu)。反之，延性不好的結(jié)構(gòu)承載力必須提高，延性好的結(jié)構(gòu)承載力可以降低?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)方法人們研究的熱點(diǎn)要求在不同水準(zhǔn)的地震作用下，直接以結(jié)構(gòu)的性能和表現(xiàn)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。可根據(jù)業(yè)主的要求到達(dá)不同的性能目標(biāo)〔正常使用、生命平安、設(shè)備平安、防止倒塌等〕現(xiàn)行的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準(zhǔn)目標(biāo)已經(jīng)具備了基于抗震設(shè)計(jì)的思想。而基于性能/位移的抗震設(shè)計(jì)方法需要定量。地震反響的時(shí)程分析方法〔TimeHistoryAnalysis〕和靜力彈塑性計(jì)算方法—推覆方法(Push-OverAnalysis)可獲得結(jié)構(gòu)性能和表現(xiàn)定量的兩種主要計(jì)算方法?！兑?guī)程》〔JGJ3-2010〕：79度抗震設(shè)防的高層建筑，以下情況應(yīng)采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算甲類高層建筑結(jié)構(gòu)；8度I、II類場(chǎng)地和7度，建筑高度>100m8度III、IV類場(chǎng)地，建筑高度>80m乙、丙類高層建筑結(jié)構(gòu)9度，建筑高度>60m豎向不規(guī)那么的高層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)〔帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)、帶加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)、錯(cuò)層結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)、多塔結(jié)構(gòu)等〕質(zhì)量沿高度分布特別不均勻的高層建筑結(jié)構(gòu)二、地震反響譜地震反響譜單自由體系的地震最大絕對(duì)加速度反響與其自振周期T的關(guān)系地震反響譜的意義一個(gè)確定的地面運(yùn)動(dòng)，通過一組阻尼比相同但自振周期各不相同的單自由度體系，所引起的各體系最大加速度反響與相應(yīng)體系自振周期間的關(guān)系曲線設(shè)計(jì)反響譜A點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：自振周期T=0，即頻率無限大，說明該結(jié)構(gòu)為剛體，所以其運(yùn)動(dòng)和地面的相同，其最大加速度即地面運(yùn)動(dòng)的加速度，該點(diǎn)的地震影響系數(shù)為0.45。A-B段結(jié)構(gòu)在地震作用下的特點(diǎn)：A-B段結(jié)構(gòu)當(dāng)進(jìn)入彈塑性階段，其剛度降低，自振周期加長(zhǎng)，地震作用加大，對(duì)抗震很不利，結(jié)構(gòu)物的自振周期不宜設(shè)計(jì)在該區(qū)域。結(jié)構(gòu)自振周期應(yīng)盡可能位移C-D段〔大于Tg，并小于5Tg〕，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，其剛度降低，自振周期加長(zhǎng)，地震作用減小，對(duì)抗震有利。GB50011-2010地震影響系數(shù)曲線的計(jì)算表達(dá)式不變，只對(duì)其參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，具體：阻尼比為5%的地震系數(shù)維持不變〔即，與2001標(biāo)準(zhǔn)相同〕根本解決了2001標(biāo)準(zhǔn)在長(zhǎng)周期段，不同阻尼比地震影響系數(shù)交叉、大阻尼曲線值高于小阻尼曲線值的不合理現(xiàn)象。I、II、III類場(chǎng)地的地震影響系數(shù)曲線在周期接近6s時(shí)，根本交匯于一點(diǎn)上，符合理論和統(tǒng)計(jì)規(guī)律。降低了小阻尼〔2%3.5%〕的地震影響系數(shù)值，最大降低幅度達(dá)18%。略微提高了阻尼比6%10%地震影響系數(shù)，長(zhǎng)周期局部最大增幅約5%。適當(dāng)降低了大阻尼〔20%30%〕的地震影響系數(shù)值，在5Tg周期以內(nèi)，根本不變，長(zhǎng)周期局部最大降幅約10%，有利于消能減震技術(shù)的推廣應(yīng)用。思考題：試按GB50011-2001標(biāo)準(zhǔn)和GB50011-2010標(biāo)準(zhǔn)分別作出Tg=0.35時(shí)不同阻尼比0.02、0.035、0.05、0.10、0.20、0.30的地震影響系數(shù)曲線，作比較分析。反響譜方法是我國(guó)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)采用的根本方法優(yōu)點(diǎn)：考慮了地震的強(qiáng)烈程度—烈度、地面運(yùn)動(dòng)的特征、結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特征—周期與阻尼等。通過反響譜值將結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反響轉(zhuǎn)化為作用于結(jié)構(gòu)上的靜力。缺點(diǎn)：只考慮地面運(yùn)動(dòng)中的加速度分量，未考慮地面運(yùn)動(dòng)中的速度和位移〔實(shí)際上地面運(yùn)動(dòng)中的速度分量對(duì)結(jié)構(gòu)反響影響很大，在相同加速度峰值下，速度愈大，結(jié)構(gòu)反響愈強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)容易受到破壞〕設(shè)計(jì)反響譜只取加速度反響中的最大值，是慣性力的最大值，但不一定是結(jié)構(gòu)的最危險(xiǎn)狀態(tài)。反響譜通過單自由度體系計(jì)算得到的，應(yīng)用于多自由度結(jié)構(gòu)，只能采用振型分解法。振型組合采用SRSS方法或CQC方法得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。經(jīng)過振型組合的內(nèi)力不再符合平衡條件。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性對(duì)地震作用的大小影響極大，由于對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖對(duì)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)自振特性〔周期、振型等〕確實(shí)定也是粗糙的目前應(yīng)用的設(shè)計(jì)反響譜是單自由度彈性結(jié)構(gòu)的反響譜，只能進(jìn)行彈性計(jì)算，未考慮持時(shí)的影響，未考慮結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)塑性和塑性變形的累計(jì)過程。對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)，反響譜計(jì)算得到的地震作用只能是經(jīng)驗(yàn)的，有很多不確定因素，并不能代表真正的地震作用，特別是等效地震荷載計(jì)算得到的內(nèi)力和位移，不是真正地震時(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。實(shí)踐說明：在正確進(jìn)行概念設(shè)計(jì)的根底上，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行計(jì)算和構(gòu)件設(shè)計(jì)，可以保證大多數(shù)結(jié)構(gòu)在地震作用下的平安。更需要有效的概念設(shè)計(jì)和保證延性的構(gòu)造措施，對(duì)高度較大和較為復(fù)雜的高層建筑還需要進(jìn)行第二階段的變形驗(yàn)算。經(jīng)過全面的抗震設(shè)計(jì)的各個(gè)步驟和采取各種措施，結(jié)構(gòu)的平安性才能得到保證。美國(guó)加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(huì)〔SEAOC〕1995年提出。受到美國(guó)、日本、歐洲、新西蘭、中國(guó)等國(guó)普遍重視。十多年來，各國(guó)進(jìn)行了大量的科研和實(shí)踐工作。已經(jīng)被多國(guó)以標(biāo)準(zhǔn)的形式確認(rèn)。是我國(guó)抗震研究和實(shí)踐的重要方向。第三節(jié)基于性能抗震設(shè)計(jì)方法基于性能設(shè)計(jì)Performance-BasedDesign現(xiàn)狀基于性能設(shè)計(jì)就是使設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)在未來的災(zāi)害〔如地震〕作用下維持所要求的性能水平?；谛阅茉O(shè)計(jì)一般是指基于性能的抗震設(shè)計(jì)。何為基于性能設(shè)計(jì)

〔Performance-BasedDesign〕強(qiáng)調(diào)建筑結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的“個(gè)性化”。業(yè)主、設(shè)計(jì)師有更大的自主權(quán)?？朔F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的局限性。有利于新材料、新方法的推廣應(yīng)用。不僅強(qiáng)調(diào)保證生命平安，同時(shí)強(qiáng)調(diào)防止財(cái)產(chǎn)損失。基于性能抗震設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)性能目標(biāo)確實(shí)定和應(yīng)用?；谛阅芸拐鹪O(shè)計(jì)的理論框架和實(shí)現(xiàn)方法?；谛阅芸拐鹪O(shè)計(jì)的具體實(shí)踐和開展趨勢(shì)。 理解基于性能抗震設(shè)計(jì)的三個(gè)主要方面抗震性能目標(biāo)〔美國(guó)FEMA273〕aeimklhgdcbfjnpo基本性能目標(biāo)性能目標(biāo)增高2％10％20％50％接近倒塌生命安全立即入住正常使用結(jié)構(gòu)性能要求增加地震烈度增加50年超越概率

抗震性能目標(biāo)地震風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)類型新建筑普通加固高人口密度最少修理時(shí)間50％/50年10％/50年5％/50年

破壞控制結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

生命安全

生命安全生命安全

立即入住美國(guó)ATC40日本建筑研究院報(bào)告地震風(fēng)險(xiǎn)性能水平正常使用易修復(fù)生命安全EaEbEcEdEe

ABC

ABCABC說明：Ea到Ee地震烈度減小

Ed、Ee相當(dāng)于中等烈度，Ec相當(dāng)于高烈度地震性能目標(biāo)AAA為最高性能目標(biāo)，性能目標(biāo)CCC為最低性能目標(biāo)

抗震性能目標(biāo)日本新的建筑根本法性能水平正常使用易修復(fù)生命安全生命安全（防止結(jié)構(gòu)整體和層間破壞）

破壞限制（防止結(jié)構(gòu)整體、構(gòu)件、內(nèi)外裝修材料的破壞）最大地震動(dòng)（重現(xiàn)期約為500年）

壽命周期內(nèi)發(fā)生一次地震水平（重現(xiàn)期約為30～50年）最大內(nèi)力和位移

每個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力和位移強(qiáng)度和位移限值

強(qiáng)度和位移限值

抗震性能目標(biāo)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的性能目標(biāo)

抗震性能目標(biāo)

性能目標(biāo)

性能水準(zhǔn)地震水準(zhǔn)ABCD多遇地震（小震）1111設(shè)防烈度地震（中震）1234預(yù)估的罕遇地震（大震）2345性能目標(biāo)A：多遇地震〔小震〕和設(shè)防烈度地震〔中震〕均滿足性能水準(zhǔn)1的要求，預(yù)估的罕遇地震〔大震〕下滿足性能水準(zhǔn)2的要求；整體結(jié)構(gòu)根本完好，局部構(gòu)件輕微損壞。性能目標(biāo)B：多遇地震〔小震〕下滿足性能水準(zhǔn)1的要求，設(shè)防烈度地震〔中震〕下滿足性能水準(zhǔn)2的要求，預(yù)估的罕遇地震(大震)下滿足性能水準(zhǔn)3的要求；局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件輕度損壞。性能目標(biāo)C：多遇地震〔小震〕下滿足性能水準(zhǔn)1的要求，設(shè)防烈度地震〔中震〕下滿足性能水準(zhǔn)3的要求，預(yù)估的罕遇地震〔大震〕下滿足性能水準(zhǔn)4的要求；結(jié)構(gòu)中度損壞。性能目標(biāo)D：多遇地震〔小震〕下滿足性能水準(zhǔn)1的要求，設(shè)防烈度地震〔中震〕下滿足性能水準(zhǔn)4的要求，預(yù)估的罕遇地震〔大震〕下滿足性能水準(zhǔn)5的要求；結(jié)構(gòu)比較嚴(yán)重?fù)p壞。關(guān)鍵構(gòu)件——指構(gòu)件的失效可能引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)破壞或危及生命平安的嚴(yán)重破壞，可由結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)工程實(shí)際情況分析確定。例如底部加強(qiáng)部位的重要豎向構(gòu)件、水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件及與其相連豎向支承構(gòu)件、大跨度連體結(jié)構(gòu)的連接體及與其相連的豎向支承構(gòu)件、大懸挑結(jié)構(gòu)的主要懸挑構(gòu)件、加強(qiáng)層伸臂和周邊環(huán)帶結(jié)構(gòu)的豎向支承構(gòu)件、承托上部多個(gè)樓層框架柱的腰桁架、長(zhǎng)短柱在同一樓層且數(shù)量相當(dāng)時(shí)該層各個(gè)長(zhǎng)短柱、扭轉(zhuǎn)變形很大部位的豎向〔斜向〕構(gòu)件、重要的斜撐構(gòu)件等。普通豎向構(gòu)件——指“關(guān)鍵構(gòu)件”之外的豎向構(gòu)件。耗能構(gòu)件——包括框架梁、剪力墻、連梁及耗能支撐等。各性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)預(yù)期的震后性能狀況《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》〔JGJ3-2010〕給出了五個(gè)抗震性能水準(zhǔn)具體內(nèi)容如下：第1性能水準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)在地震作用下完好、無損傷，一般不需修理即可繼續(xù)使用。第2性能水準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)在地震作用下根本完好，僅耗能構(gòu)件輕微損壞，稍加修理即可繼續(xù)使用。第3性能水準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生輕度損壞，關(guān)鍵構(gòu)件輕微損壞，局部普通豎向構(gòu)件輕微損壞，耗能構(gòu)件輕度損壞，局部中度損壞；經(jīng)過一般修理后可繼續(xù)使用。第4性能水準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生中度損壞，關(guān)鍵構(gòu)件輕度損壞，局部普通豎向構(gòu)件中度損壞，耗能構(gòu)件中度損壞，局部比較嚴(yán)重?fù)p壞；經(jīng)過修復(fù)或加固后可繼續(xù)使用。第5性能水準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)在地震作用下比較嚴(yán)重?fù)p壞，關(guān)鍵構(gòu)件中度損壞，局部普通豎向構(gòu)件比較嚴(yán)重?fù)p壞，耗能構(gòu)件嚴(yán)重?fù)p壞；需排險(xiǎn)大修?？拐鹦阅苣繕?biāo)和性能水準(zhǔn)示意圖

性能水準(zhǔn)的判別準(zhǔn)那么

第1性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)

第2性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)

性能水準(zhǔn)的判別準(zhǔn)那么

第3性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)

性能水準(zhǔn)的判別準(zhǔn)那么

第4性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)

性能水準(zhǔn)的判別準(zhǔn)那么

第5性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)

第5性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行彈塑性計(jì)算分析。在預(yù)估的罕遇地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件的抗震承載力宜符合式〔17-2〕的規(guī)定；較多的豎向構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，但同一樓層的豎向構(gòu)件不宜全部屈服；豎向構(gòu)件的受剪截面應(yīng)符合式〔17-4〕或式〔17-5〕的規(guī)定；允許局部耗能構(gòu)件發(fā)生比較嚴(yán)重的破壞；結(jié)構(gòu)薄弱部位的層間位移角應(yīng)符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》〔JGJ3-2010〕第條的規(guī)定。第5性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求與第4性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的差異是，關(guān)鍵構(gòu)件承載力宜滿足“屈服承載力設(shè)計(jì)”的要求，允許比較多的豎向構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，并允許局部“梁”等耗能構(gòu)件發(fā)生比較嚴(yán)重的破壞。結(jié)構(gòu)的抗震性能必須通過彈塑性計(jì)算加以深入分析，尤其應(yīng)注意同一樓層的豎向構(gòu)件不宜全部進(jìn)入屈服并宜控制整體結(jié)構(gòu)承載力下降的幅度不超過10%。性能水準(zhǔn)的判別準(zhǔn)那么抗震性能目標(biāo)確實(shí)定和使用具體的抗震性能目標(biāo)以標(biāo)準(zhǔn)的形式表達(dá)。業(yè)主有充分選擇抗震性能目標(biāo)的自由。設(shè)計(jì)者在實(shí)現(xiàn)抗震性能目標(biāo)過程中可以充分發(fā)揮創(chuàng)造力。 基于性能抗震設(shè)計(jì)步驟根據(jù)業(yè)主要求確定性能目標(biāo)不滿足性能目標(biāo)根據(jù)性能目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行性能評(píng)估滿足性能目標(biāo)完成設(shè)計(jì)明確性能目標(biāo)性能抗震設(shè)計(jì)根本步驟框圖結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)的主要工作包括：1．結(jié)構(gòu)方案分析論證分析結(jié)構(gòu)方案在房屋高度、規(guī)那么性、結(jié)構(gòu)類型、場(chǎng)地條件或抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等方面的特殊要求，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否需要采用抗震性能設(shè)計(jì)方法，并作為選用抗震性能目標(biāo)的主要依據(jù)。多數(shù)情況下，需要采用抗震性能設(shè)計(jì)的工程，一般表現(xiàn)為不能完全符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求。因此，結(jié)構(gòu)方案特殊性的分析中要注重分析結(jié)構(gòu)方案不符合抗震概念設(shè)計(jì)的情況和程度。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)根據(jù)規(guī)程有關(guān)抗震概念設(shè)計(jì)的規(guī)定，與建筑師協(xié)調(diào)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)方案，盡量減少結(jié)構(gòu)不符合概念設(shè)計(jì)的情況和程度，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)那么的結(jié)構(gòu)方案。對(duì)于特別不規(guī)那么結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)，但須慎重選用抗震性能目標(biāo)，并通過深入分析論證。建筑師、結(jié)構(gòu)工程師、設(shè)備工程師和經(jīng)濟(jì)師對(duì)初步選定的方案進(jìn)行論證和評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)方案論證中，強(qiáng)調(diào)對(duì)各項(xiàng)具體性能要求采取的措施，包括結(jié)構(gòu)體系、采用新材料、新設(shè)備和新技術(shù)的依據(jù)以及必要的試驗(yàn)，非結(jié)構(gòu)幕墻、各項(xiàng)設(shè)備、隔墻等抗震措施，詳細(xì)的計(jì)算分析〔彈性及非線性分析〕，細(xì)部構(gòu)造，經(jīng)濟(jì)分析等。如經(jīng)論證、評(píng)價(jià)對(duì)初步選定的方案不滿意，那么進(jìn)行二次設(shè)計(jì)或由業(yè)主修改性能目標(biāo)。論證完成后送專家評(píng)審，如評(píng)審不通過或需要修改，那么進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。2．選用抗震性能目標(biāo)結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)應(yīng)綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等各項(xiàng)因素選定?？拐鹦阅苣繕?biāo)是指在設(shè)定的地震地面運(yùn)動(dòng)水準(zhǔn)下建筑物的預(yù)期性能水準(zhǔn)。我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》〔GB50011-2010〕地震地面運(yùn)動(dòng)一般設(shè)定三個(gè)水準(zhǔn)：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年內(nèi)超越概率為63%的地震烈度取為第一水準(zhǔn)烈度，即小震；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年內(nèi)超越概率為10%的地震烈度取為第二水準(zhǔn)烈度，即中震；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年內(nèi)超越概率為2%～3%的地震烈度取為第三水準(zhǔn)烈度，即大震。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》〔JGJ3-2010〕將結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)〔表17-1〕，結(jié)構(gòu)抗震性能分為1、2、3、4、5五個(gè)水準(zhǔn)〔表17-2〕，每個(gè)性能目標(biāo)均與一組在指定地震地面運(yùn)動(dòng)下的結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)。根據(jù)行政管理部門或有關(guān)的文件、標(biāo)準(zhǔn)制訂建筑抗震性能目標(biāo)和性能水準(zhǔn)?？拐鹦阅苣繕?biāo)經(jīng)業(yè)主初步選定后，建筑師開始進(jìn)行建筑方案設(shè)計(jì)。3．結(jié)構(gòu)抗震性能分析論證結(jié)構(gòu)抗震性能分析論證的重點(diǎn)是深入的計(jì)算分析和工程判斷，找出結(jié)構(gòu)有可能出現(xiàn)的薄弱部位，提出有針對(duì)性的抗震加強(qiáng)措施，必須的試驗(yàn)驗(yàn)證，分析論證結(jié)構(gòu)可到達(dá)預(yù)期的抗震性能目標(biāo)。一般需要進(jìn)行以下工作：分析確定結(jié)構(gòu)超出規(guī)程適用范圍及不規(guī)那么性的情況和程度。認(rèn)定場(chǎng)地條件、抗震設(shè)防類別和地震動(dòng)參數(shù)。深入的彈性和彈塑性計(jì)算分析〔靜力分析和時(shí)程分析〕，并判斷計(jì)算結(jié)果的合理性。找出結(jié)構(gòu)有可能出現(xiàn)的薄弱部位以及需要加強(qiáng)的關(guān)鍵部位，提出針對(duì)性的抗震加強(qiáng)措施。必要時(shí)還需進(jìn)行構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)或整體模型的抗震試驗(yàn)，補(bǔ)充提出論證依據(jù)，例如對(duì)規(guī)程未列入的新型結(jié)構(gòu)方案又無震害和試驗(yàn)依據(jù)或?qū)τ?jì)算分析難以判斷、抗震概念難以接受的復(fù)雜結(jié)構(gòu)方案?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)方法與以往方法的聯(lián)系基于性能抗震設(shè)計(jì)在保障結(jié)構(gòu)最低目標(biāo)性能〔“共性”〕時(shí)，考慮的是社會(huì)總費(fèi)用；確定特殊目標(biāo)性能〔“個(gè)性”〕時(shí)，考慮的是業(yè)主費(fèi)用。我國(guó)還沒有以標(biāo)準(zhǔn)的形式確定基于性能的設(shè)計(jì)方法，但已被公認(rèn)為重要的開展趨勢(shì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的“小震不壞，中震可修、大震不倒”也是一種性能目標(biāo)目前在我國(guó)，基于性能抗震設(shè)計(jì)主要被應(yīng)用于復(fù)雜、超限結(jié)構(gòu) 第四節(jié)彈塑性地震反響分析一、時(shí)程分析法在結(jié)構(gòu)根底部位作用一個(gè)地面運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)程，用動(dòng)力方法直接計(jì)算出結(jié)構(gòu)隨時(shí)間而變化的地震反響。1、動(dòng)力計(jì)算方法多自由度體系的動(dòng)力方程2、計(jì)算模型桿模型以桿件為計(jì)算的根本單元，剛度矩陣的建立、計(jì)算簡(jiǎn)圖〔平面、空間〕、質(zhì)量集中到樓板高度。確定每個(gè)桿件最大內(nèi)力和最大變形，以及桿件和樓層的位移適用：彈性時(shí)程分析、用于研究層模型整個(gè)結(jié)構(gòu)視為一根懸臂桿，每個(gè)樓層質(zhì)量集中為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，樓層的剛度凝聚在一根桿中。層模型：剪切型〔S型〕、彎剪型〔SB型〕、彎曲型〔B型〕、局部彎剪型〔局部SB型〕、等效剪切型〔等效S型〕等確定結(jié)構(gòu)層剪力、層位移、層間位移角等確定結(jié)構(gòu)薄弱層設(shè)計(jì)第二階段的層間位移角驗(yàn)算適用：彈塑性時(shí)程分析、用于設(shè)計(jì)第二階段倒塌驗(yàn)算局部層間SB模型S模型3、恢復(fù)力模型

滯回曲線—反復(fù)荷載作用下桿件實(shí)測(cè)的力

位移曲線唐興榮,劉偉慶,錢奕技.空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能的試驗(yàn)研究.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2005,25〔5〕：11-28空間鋼構(gòu)架混凝土框架結(jié)構(gòu)

RCKJ-0（a）恢復(fù)力模型（b）骨架曲線

RestoringforcemodelsofRCKJ

SRCKJ-1SRCKJ-2

（a）恢復(fù)力模型（b）骨架曲線

RestoringforcemodelsofSRCKJ

唐興榮，何葆林.空間鋼構(gòu)架混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究和設(shè)計(jì)建議.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009，30〔3〕：45-52〔EI文摘號(hào):20092712172087)退化三線性滯回模型

恢復(fù)力模型滯回曲線模型化，給出可用于數(shù)值計(jì)算的反復(fù)循環(huán)力-變形的非線性關(guān)系〔反復(fù)荷載作用下桿件剛度、開裂、屈服、荷載反向作用等原因，桿件剛度的變化〕拐點(diǎn)的確定

參見：唐興榮，姚江峰.帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反響分析，南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28〔3〕：33-384、質(zhì)量矩陣與阻尼矩陣5、地震波應(yīng)按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用不少于二組實(shí)際地震記錄和一組人工模擬的加速度時(shí)程曲線人工模擬加速度時(shí)程曲線其平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反響譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)上相符。彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反響譜法求得的底部剪力的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反響譜法求得的底部剪力的80%地震波的有效持續(xù)時(shí)間，一般從首次到達(dá)該時(shí)程曲線最大值的10%那一點(diǎn)算起，到最后一點(diǎn)到達(dá)最大峰值的10%為止。不管是實(shí)際強(qiáng)震記錄還是人工模擬波形，有效持續(xù)時(shí)間一般為結(jié)構(gòu)根本自振周期的5-10倍，即結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的位移可按根本周期往復(fù)〔5-10〕次。地震波的時(shí)間間距可取0.01s或0.02s

輸入地震加速度的最大值El-Centro波（N-S）時(shí)程曲線

Pasadena波（E-W）時(shí)程曲線

Shw2002波時(shí)程曲線

《上海建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》〔DGJ08-9-2003〕推薦的適合上海IV類場(chǎng)地的人工擬合的地震波。二、靜力彈塑性分析推覆分析Push-OverAnalysis在結(jié)構(gòu)上施加一組靜力(豎向荷載和水平荷載)，考慮構(gòu)件從開裂到屈服，剛度逐步改變的彈塑性計(jì)算方法。計(jì)算時(shí)豎向荷載不變，水平荷載由小到大，逐步加載，每一步會(huì)有局部構(gòu)件屈服，屈服的構(gòu)件需要改變剛度，重新建立剛度矩陣，在增量荷載作用下再進(jìn)行分析，得到的結(jié)果疊加在前一步計(jì)算的結(jié)果上，如此逐步計(jì)算，直到結(jié)構(gòu)到達(dá)其極限承載力或極限位移，結(jié)構(gòu)倒塌。靜力彈塑性分析需給出的條件計(jì)算簡(jiǎn)圖及荷載與一般靜力分析相同〔平面結(jié)構(gòu)或空間結(jié)構(gòu)〕；豎向荷載不變，水平荷載盡可能能代表地震作用的荷載分布形式，荷載由小到大變化，分布形式不變。構(gòu)件參數(shù)：幾何尺寸、彈性剛度；每個(gè)構(gòu)件力變形的彈塑性骨架線〔有明顯的屈服點(diǎn)和極限承載力的二線性或三線性骨架線〕靜力彈塑性分析的主要功能結(jié)構(gòu)承受的水平荷載作用時(shí)內(nèi)力和變形的全過程；結(jié)構(gòu)的最大承載能力和極限變形能力，包括層間位移角和頂點(diǎn)位移等重要指標(biāo)；估價(jià)相對(duì)于設(shè)計(jì)荷載而言的結(jié)構(gòu)承載力的平安儲(chǔ)藏等第一批塑性鉸位置和各個(gè)階段的塑性鉸出現(xiàn)次序和分布狀態(tài)；判斷結(jié)構(gòu)是否符合強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎等設(shè)計(jì)要求不同受力階段下樓層側(cè)移和層間位移角沿高度的分布，結(jié)合塑性鉸的分布情況可以檢查是否存在薄弱層不同