結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

文/劉昌、楊霄 同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250101

1、引言

隨著抗震技術(shù)的發(fā)展基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的發(fā)展方向。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)度，設(shè)計(jì)者可選擇所需要的性能目標(biāo)，有利于針對(duì)不同設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件及建筑重要性采用不同的性能目標(biāo)和抗震措施。

2、《高規(guī)》規(guī)定

02版《高規(guī)》提出的“三階段、兩水準(zhǔn)”設(shè)計(jì)方法，實(shí)際上是性能化設(shè)計(jì)的雛形，只是沒(méi)有量化。10版《高規(guī)》3.11節(jié)根據(jù)抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、建造費(fèi)用等把性能目標(biāo)分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)，結(jié)構(gòu)抗震性能五個(gè)水準(zhǔn)，每個(gè)性能目標(biāo)均與一組制定地面運(yùn)動(dòng)的性能水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)。雖然說(shuō)性能目標(biāo)更細(xì)化，但操作起來(lái)比較麻煩。

3、性能化目標(biāo)設(shè)計(jì)流程

通常我們所說(shuō)的性能化目標(biāo)有小震彈性、中震彈性、中震不屈服/不屈曲、大震彈性、大震不屈服/不屈曲。主要做法如下表所示。

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在做中震不屈服和大震不屈服的時(shí)候，往往忽略的一個(gè)問(wèn)題是，連梁剛度折減需要重新定義，因此，相應(yīng)地震力也會(huì)減小一些，因?yàn)檫B梁最先出現(xiàn)塑性鉸，剛度會(huì)減弱。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般流程，根據(jù)單工況的力，然后要進(jìn)行一系列內(nèi)力調(diào)整。主要步驟如下：

1）剪重比。對(duì)超高層來(lái)說(shuō)，剪重比不容易滿足，一項(xiàng)重要的工作是增剛度、減重量，新《高規(guī)》要求，剪重比只要一層不滿足規(guī)范要求，全樓都需放大。另外，通過(guò)放大地震力的方法解決剪重比不滿足的問(wèn)題時(shí)，請(qǐng)注意，如果相差比較?。ū热?%），可以采用；但相差比較大（10%～20%），不宜采用，需要調(diào)整結(jié)構(gòu)方案。

表1 某地區(qū)文化中心性能目標(biāo)取值

表2 某超高層建筑性能目標(biāo)取值

2）薄弱層

新《高規(guī)》和新《抗規(guī)》在薄弱層的放大系數(shù)上存在一點(diǎn)不同，《高規(guī)》規(guī)定是放大1.25倍，而《抗規(guī)》放大一個(gè)不小于1.15的系數(shù)，具體放大多少?zèng)]有說(shuō)，根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況確定。另外，新《高規(guī)》對(duì)薄弱層的判斷也有了變化，對(duì)除框架外的結(jié)構(gòu)需采用層高修正的剛度比（也就是相鄰兩層剛度/位移角的比值的比較）。

3）0.2Q0調(diào)整

調(diào)整剪重比、薄弱層后，再進(jìn)行0.2Q0調(diào)整。這里存在一個(gè)爭(zhēng)議的問(wèn)題，0.2Q0調(diào)整是為了解決二道防線的問(wèn)題，但中震是否進(jìn)行0.2Q0調(diào)整？一般需要進(jìn)行調(diào)整，但有時(shí)中震彈性調(diào)整，地震力放大倍數(shù)比較大。

4）時(shí)程調(diào)整

《高規(guī)》提出，要時(shí)程與反應(yīng)譜設(shè)計(jì)值取包絡(luò)。實(shí)際上可以根據(jù)時(shí)程計(jì)算樓層剪力與反應(yīng)譜計(jì)算樓層剪力比較，比值大于1，反應(yīng)譜需要乘此系數(shù)。時(shí)程分析的結(jié)果由于鞭梢效應(yīng)，在高區(qū)往往比反應(yīng)譜的結(jié)果大，設(shè)計(jì)時(shí)，需要特別注意。

5）墻柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、角柱等地震內(nèi)力調(diào)整

經(jīng)過(guò)前四項(xiàng)的調(diào)整，最后，按規(guī)范進(jìn)行梁、柱內(nèi)力調(diào)整。

4、性能目標(biāo)選取

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能化是根據(jù)結(jié)構(gòu)高度、規(guī)則性（平面、立面）及結(jié)構(gòu)的重要性，來(lái)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）延性，使結(jié)構(gòu)延性破壞。實(shí)際上結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)重要紐帶是抗震等級(jí)，通過(guò)調(diào)整抗震等級(jí)，來(lái)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震措施和抗震構(gòu)造措施，規(guī)范一系列規(guī)定，都是圍繞此進(jìn)行。歸根結(jié)底，是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)。采用性能化設(shè)計(jì)的方法，需要考慮結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度、超高超限的情況、所在地區(qū)的烈度和經(jīng)濟(jì)因素，對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位、關(guān)鍵部位（比如加強(qiáng)層）、主要抗側(cè)力構(gòu)件，采取提高抗震承載力或提高結(jié)構(gòu)變形能力，確定合理的性能目標(biāo)，提高結(jié)構(gòu)的延性。

（1）如果結(jié)構(gòu)超過(guò)現(xiàn)行《高規(guī)》B級(jí)高度很多，比如說(shuō)結(jié)構(gòu)高度超過(guò)200m（6度區(qū)），結(jié)構(gòu)需要設(shè)置加強(qiáng)層時(shí)，其薄弱部位（加強(qiáng)層及其上下一層）、重要部位和關(guān)鍵構(gòu)件（腰桁架、伸臂桁架、豎向抗側(cè)力構(gòu)件）按中震彈性設(shè)計(jì)，并且要控制剪力墻的軸壓比，有條件地可以在剪力墻角部，縱橫墻連接處設(shè)置部分型鋼（根據(jù)情況，甚至可以設(shè)置鋼板剪力墻），墻內(nèi)型鋼設(shè)置高度可以根據(jù)軸壓比的情況確定。底部加強(qiáng)區(qū)、加強(qiáng)層及其上下各一層（抗震等級(jí)提高一級(jí)）框架柱按中震彈性進(jìn)行設(shè)計(jì)，其它區(qū)域框架可以按中震不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)；加強(qiáng)層中伸臂桁架、腰桁架按中震彈性、大震不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)控制桁架的應(yīng)力比；加強(qiáng)層樓板因?yàn)橐獋鬟f水平力，需要單獨(dú)進(jìn)行受力分析，板厚加厚，鋼筋需要雙層雙向拉通，并需要加強(qiáng)，必要時(shí)在樓板處設(shè)計(jì)水平支撐（特別是布置伸臂桁架），連梁抗剪按中震彈性、抗彎按不屈服（必要時(shí)在連梁里設(shè)計(jì)鋼板，提高其抗剪性能，但抗彎性能沒(méi)有增強(qiáng)）。

（2）如果結(jié)構(gòu)超B級(jí)高度，但超過(guò)不太多，不超過(guò)200m（一般不需要設(shè)計(jì)加強(qiáng)層，除非核心筒高寬比非常大，達(dá)到20，這樣可以按第（1）取性能目標(biāo)），剪力墻需要進(jìn)行中震抗剪彈性進(jìn)行設(shè)計(jì)，底部加強(qiáng)區(qū)需要進(jìn)行抗彎中震彈性設(shè)計(jì)，非底部加強(qiáng)區(qū)需要進(jìn)行抗彎不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)?？蚣芸梢园粗姓鸩磺M(jìn)行設(shè)計(jì)，連梁按中震不屈服、部分允許進(jìn)行塑性。

（3）如果超A級(jí)高度，但不超過(guò)B級(jí)高度，有時(shí)超限專家也會(huì)提性能化目標(biāo)。筆者認(rèn)為可以，剪力墻、框架可以取中震不屈服等略低的性能目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

另外，需要注意的是，當(dāng)風(fēng)荷載很大，但處于低烈度區(qū)，有時(shí)不屈服會(huì)比小震（考慮風(fēng)荷載）結(jié)果小，這是因?yàn)轱L(fēng)荷載起控制作用，地震不起控制作用，中震還不用乘一些調(diào)整系數(shù)。

下面給出兩個(gè)性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)的取值，供參考。表1是某地區(qū)文化中心，結(jié)構(gòu)高度200m，沒(méi)有加強(qiáng)層。表2某超高層建筑，結(jié)構(gòu)高度248m，設(shè)有一道加強(qiáng)層（腰桁架）。

因此，綜合考慮結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度、超高超限情況、所在地區(qū)的烈度和經(jīng)濟(jì)因素，基于結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)的抗震設(shè)計(jì)方法對(duì)于復(fù)雜超限高層結(jié)構(gòu)及其他超限復(fù)雜結(jié)構(gòu)是一個(gè)必要的補(bǔ)充，能夠更好的把握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行對(duì)應(yīng)加強(qiáng)。