基于性能的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析

文/ 譚子豪 湖南省建筑設(shè)計(jì)院有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410000

曾洪超 湖南城市學(xué)院規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院 湖南長(zhǎng)沙 410000

1、引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高以及城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國(guó)的建筑行業(yè)不斷發(fā)展，高層建筑的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。但是，在高層建筑的設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中依舊存在著問(wèn)題，高層建筑的質(zhì)量還有待進(jìn)一步提高。基于性能的抗震設(shè)計(jì)借助相關(guān)的理論知識(shí)，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需要以及抗震水準(zhǔn)，通過(guò)劃定不同的抗震等級(jí)給出合理的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，這在一定程度上能夠提升高層建筑的整體質(zhì)量，保障建筑的安全性，因此具有重要的意義。下面通過(guò)對(duì)基于性能的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的理論與內(nèi)容進(jìn)行分析，對(duì)其設(shè)計(jì)提出具有借鑒意義的措施。

2、基于性能特性研究的抗震設(shè)計(jì)理論概述

2.1 基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)含義

基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)最早由美國(guó)的權(quán)威組織提出，它把結(jié)構(gòu)抗震的性能分析作為理論基礎(chǔ)，按照性能分析結(jié)果將其劃分為不同的等級(jí)，設(shè)計(jì)者再根據(jù)實(shí)際使用者的設(shè)計(jì)要求以及環(huán)境評(píng)估等綜合因素對(duì)其抗震性能的目標(biāo)與抗震措施進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。另一方面，還需要進(jìn)行工程項(xiàng)目生命周期的費(fèi)用效率計(jì)算，在幾種可行性方案中挑選出最經(jīng)濟(jì)的方案?？偟恼f(shuō)來(lái)，就是在進(jìn)行性能分析既需要滿足抗震水準(zhǔn)，還需要達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化的目的。

2.2 基于性能的抗震理論特征

基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是在對(duì)傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)的痛點(diǎn)進(jìn)行分析后形成的，因此，相較于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)更具個(gè)性化。由于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是按照成文的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)方案千篇一律，沒(méi)有獨(dú)特之處，其適用性較差。因?yàn)樵O(shè)計(jì)規(guī)范是根據(jù)平均水平制定的一份行業(yè)規(guī)范，而實(shí)際所面臨的要求以及抗震水準(zhǔn)都不同，所以設(shè)計(jì)的整體效益較差。而通過(guò)基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，是在和實(shí)際使用者進(jìn)行充分的交流溝通后，對(duì)使用者提出的要求融合后完成設(shè)計(jì)，因此更具個(gè)性化，其經(jīng)濟(jì)效益較好，靈活程度更高。

（2）多級(jí)目標(biāo)設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)中主要按照能在所有地震中屹立不倒的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)在一些地震發(fā)生可能性較小的地區(qū)就會(huì)花費(fèi)較大的成本，經(jīng)濟(jì)效益較差。但是基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)立多級(jí)目標(biāo)，不僅達(dá)到了抗震的目的，而且兼顧了經(jīng)濟(jì)收益。多級(jí)目標(biāo)主要是根據(jù)地震的強(qiáng)度進(jìn)行目標(biāo)制定，對(duì)于一些小型地震，要求高層建筑能夠達(dá)到不壞的標(biāo)準(zhǔn)；在中型地震中，要求高層建筑能夠達(dá)到受到影響小，不用維修的標(biāo)準(zhǔn)；而在大型地震中，則要求高層建筑能夠屹立不倒，保障使用者的人身安全的目的。因此，基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)在綜合考量安全性與經(jīng)濟(jì)性的前提下提出最優(yōu)方案。

（3）多元的設(shè)計(jì)方法?；谛阅艿慕Y(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法相較于傳統(tǒng)方法更多元化。眾所周知，傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)主要根據(jù)力學(xué)的理論進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)，而基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)則從形變的角度出發(fā)考慮問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行彈塑性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方法的發(fā)散性更強(qiáng)，且最終建成的高層建筑與實(shí)際震中的抗震能力更相匹配，科學(xué)性更高。

3、基于性能的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)

為了保障設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性，需要對(duì)一些結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確得計(jì)算。目前主要應(yīng)用到的建模軟件有PKPM SATWE和ETABS，這兩個(gè)軟件主要應(yīng)用于小型地震強(qiáng)度下的計(jì)算。在中型地震強(qiáng)度下，需要進(jìn)一步計(jì)算其應(yīng)力與承載力。而在罕遇大型地震中，則需要借助MIDAS軟件進(jìn)行動(dòng)力彈塑性推覆分析。根據(jù)不同的地震水準(zhǔn)，其參數(shù)以及檢驗(yàn)項(xiàng)目也不同。其主要的計(jì)算控制指標(biāo)目標(biāo)如下表1所示：

以小型地震強(qiáng)度下的計(jì)算指標(biāo)為例，對(duì)SATWE軟件應(yīng)用下的計(jì)算結(jié)果的分析如下表2所示：（其中計(jì)算建筑的結(jié)構(gòu)為地下三層，地上裙樓3層外加塔樓45層，設(shè)計(jì)使用年限為五十年，建筑整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為II級(jí)，抗震防設(shè)為7。）

表2 SATWE軟件計(jì)算下的結(jié)果分析

綜上所述，高層建筑的結(jié)構(gòu)需要滿足周期、層內(nèi)與層間位移、剛重比、剛度、剪重比以及承擔(dān)彎矩等規(guī)范要求，在不同水準(zhǔn)下進(jìn)行相關(guān)性能分析后按照水準(zhǔn)目標(biāo)對(duì)薄弱部位進(jìn)行加固，以期達(dá)到最優(yōu)的抗震目標(biāo)。其性能目標(biāo)如下圖1所示：

圖1 性能目標(biāo)

4、高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)

在基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，最為主要的就是對(duì)一些性能參數(shù)的線性與非線性計(jì)算，通過(guò)對(duì)這些計(jì)算結(jié)果的分析，才能制定有效的設(shè)計(jì)方案。

4.1 小震目標(biāo)下的抗震設(shè)計(jì)

在高層建筑基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，主要借助PKPM SATWE和ETABS兩個(gè)軟件來(lái)獲取一些對(duì)工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)與借鑒意義的參數(shù)。在計(jì)算中主要遵循高層建筑結(jié)構(gòu)的空間有限元分析原則，通過(guò)三維建模，獲取較為準(zhǔn)確的參數(shù)，為之后的設(shè)計(jì)提供更有意義的參數(shù)。

4.2 中震目標(biāo)下的抗震設(shè)計(jì)

中震目標(biāo)在一定程度上可以借助小震目標(biāo)下的參數(shù)，但是由于地震強(qiáng)度變大，因此需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行細(xì)化與修正。由于目前技術(shù)水平的限制，在中震強(qiáng)度下，建筑結(jié)構(gòu)或多或少會(huì)受到一定程度的損傷，因此，主要需要對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，必要時(shí)可以舍棄一些部件的完整性以保全主體框梁的結(jié)構(gòu)完整。

4.3 強(qiáng)震目標(biāo)下的抗震設(shè)計(jì)

在強(qiáng)震目標(biāo)下，參數(shù)設(shè)定的范圍應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步擴(kuò)大，此外，需要借助MIDAS軟件進(jìn)行動(dòng)力彈塑性推覆分析，模擬在罕見的高強(qiáng)度地震的影響下結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的應(yīng)力改變和相互作用。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，就是需要將結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的X向和Y向位移設(shè)定到最大值，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的不斷調(diào)整，直至結(jié)構(gòu)不扭轉(zhuǎn)情況出現(xiàn)才停止，以保證在強(qiáng)震情況下高層建筑能夠屹立不倒，保證使用者的人身安全。

4.4 超限處理的主要措施

超限處理的主要措施是對(duì)結(jié)構(gòu)的一些強(qiáng)度較低的部位進(jìn)行加固處理，其可以采取的形式包括降低一些邊緣結(jié)構(gòu)的剪壓比以及軸壓比，提高這些部位構(gòu)件的配筋率，增加樓板的厚度，提升這些構(gòu)件的材質(zhì)強(qiáng)度，提升邊緣區(qū)域剪力墻的抗拉抗剪能力以及采用鋼筋雙層雙向貫通配筋構(gòu)造等。通過(guò)薄弱部位的加強(qiáng)，進(jìn)一步提升高層建筑的抗震性能。

結(jié)語(yǔ)：

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，高層建筑的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是，我國(guó)一些地區(qū)處于大陸板塊的交界處，地震發(fā)生的概率較大，且地震的發(fā)生具有隨機(jī)性與不確定性。因此，高層建筑基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)對(duì)于高層建筑的穩(wěn)定性與安全性具有重要作用。綜合上述分析，我們應(yīng)該實(shí)際抗震水準(zhǔn)，借助現(xiàn)在的一些科技，對(duì)高層建筑的一些性能參數(shù)進(jìn)行分析，按照這些參數(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)出較為合理的建筑方案。這對(duì)于保障使用者的生命財(cái)產(chǎn)安全，取得較大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益具有重要作用。這種設(shè)計(jì)方式可以幫助高層建筑的質(zhì)量進(jìn)一步提高，進(jìn)而推動(dòng)建筑行業(yè)的發(fā)展。