美國高層建筑抗震性能化設(shè)計(jì)簡介

朱立剛

(奧雅納工程咨詢(上海)有限公司， 上海 200092)

0 引言

自20世紀(jì)90年代，隨著美國西海岸城市建設(shè)開發(fā)的需求，出現(xiàn)了高度更高、建筑形態(tài)更加多樣化、結(jié)構(gòu)體系更復(fù)雜以及高強(qiáng)高性能材料的高層建筑。但是美國西海岸是一個(gè)地震頻繁的地區(qū)，這些結(jié)構(gòu)體系或材料不在現(xiàn)行建筑規(guī)范的高度限制范圍內(nèi)。在許多情況下，結(jié)構(gòu)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定被發(fā)現(xiàn)過于嚴(yán)格，比如除非采用包含具有延性構(gòu)造的抗彎框架以形成雙重抗側(cè)力系統(tǒng)，否則高度會(huì)被限制在240ft(約73m)；同時(shí)也限制了一些創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用,比如鋼框架+屈曲約束支撐或帶有伸臂、腰桁架加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)體系。太平洋地震工程研究中心(PEER)牽頭組成的高層建筑課題小組(TBI)[1]對抗震性能化設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列的研究，并制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)指南。此外美國西海岸地震區(qū)舊金山和洛杉磯也分別制定了地方法規(guī)?；谛阅芑目拐鹪O(shè)計(jì)方法和能力設(shè)計(jì)原則研究越來越充分、應(yīng)用越來越多，美國ASCE及IBC等規(guī)范也特別規(guī)定允許采用抗震性能化設(shè)計(jì)方法作為規(guī)范的替代方法。這些指南和規(guī)定也進(jìn)一步促進(jìn)和發(fā)展了創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系和材料在高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

本文簡要介紹美國主要抗震性能化標(biāo)準(zhǔn)，并以TBI作為主要參考，介紹美國抗震性能化設(shè)計(jì)流程、性能目標(biāo)、設(shè)計(jì)參數(shù)，并結(jié)合ARUP美國部分項(xiàng)目及世界高層建筑與都市人居學(xué)會(huì)(CTBUH)制定的performance-basedseismicdesignfortallbuilding所提供的部分案例，對美國抗震性能化設(shè)計(jì)進(jìn)行了進(jìn)一步探討。

1 美國抗震性能化發(fā)展歷程

1.1 基于性能抗震設(shè)計(jì)時(shí)間線

自1960年加州工程師學(xué)會(huì)(SEAOC)首次頒布了藍(lán)皮書recommendedlateralforcerequirementsandcommentary，第一次提出“三水準(zhǔn)”性能目標(biāo)，即“小震不壞，中震結(jié)構(gòu)不壞、允許非結(jié)構(gòu)破壞，大震不倒、允許結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞”，美國抗震設(shè)計(jì)在美國應(yīng)用技術(shù)委員會(huì)(ATC)研究和推動(dòng)下，不斷更新完善?？拐鹦阅芑O(shè)計(jì)發(fā)展主要時(shí)間階段：

(1)1992年ATC-33首次將性能化抗震概念用于建筑物的加固。

(2)1995年(Northridge地震后)SEAOC制定的performance-basedseismicengineeringvision2000詳細(xì)闡述基于性能化設(shè)計(jì)的概念及實(shí)施框架，包括從設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的選擇和性能水平的定義到具體設(shè)計(jì)方法、步驟，把性能設(shè)計(jì)延伸到新建筑的設(shè)計(jì)。

(3)1996年以后，ATC-40報(bào)告首次將基于性能設(shè)計(jì)的抗震設(shè)計(jì)理論納入其中，并相繼出臺(tái)了FEMA 273、FEMA 306、FEMA 356等一系列指導(dǎo)性文件。其中FEMA 273首次定義結(jié)構(gòu)不同性能水準(zhǔn)：1)可運(yùn)行(OP)；2)立即入住(IO)；3)生命安全(LS)；4)防止倒塌(CP)。

(4)2002年美國聯(lián)邦應(yīng)急管理署(FEMA)推行發(fā)展性能化設(shè)計(jì)的計(jì)劃，由ATC編寫了新一代基于性能抗震設(shè)計(jì)指南。

(5)2006年美國土木工程師學(xué)會(huì)(ASCE)匯總了FEMA研究成果，頒布ASCE-06：seismicevaluationandretrofitofexistingbuildings。

(6)近10年來 PEER牽頭編制TBI (tall buildings initiative) v2010、v2017。

(7)CTBUH在2008年及2017分別制定performance-basedseismicdesignfortallbuilding[2]。

1.2 目前美國主流的抗震性能化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

目前最新的美國高層結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)主要采用的標(biāo)準(zhǔn)指南(圖1)如下：

(1)CTBUH制定的performance-basedseismicdesignfortallbuilding，中文譯名《高層抗震性能化設(shè)計(jì)》(2017年版)。

(2)TBI 制定的guidelinesforperformance-basedseismicdesignoftallbuilding，中文譯名《高層抗震性能化設(shè)計(jì)指南》。

(3)洛杉磯高層結(jié)構(gòu)委員會(huì)(LATBSDC)2017年編寫的analternativeprocedureforseismicanalysisanddesignoftallbuildingslocatedintheLosAngelesregion，中文譯名《洛杉磯地區(qū)的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)的替代程序》[3]。

(4)舊金山建筑部門編制的AB-083：requirementsandguidelinesfortheseismicdesignofnewtallbuildingsusingnon-prescriptiveseismic-designprocedures,中文譯名《采用非規(guī)范方法的新建高層建筑抗震設(shè)計(jì)程序》[4]。

此外還有一些參考性的設(shè)計(jì)指南，如：1)ACI 374:guidetononlinearmodelingparametersforearthquakeresistantstructures；2)ATC-72:modelingandacceptancecriteria；3)ASCE 41-13 (16):seismicevaluationandretrofitofexistingbuildings。

2 美國抗震性能化設(shè)計(jì)的流程和要求

2.1 美國抗震性能化設(shè)計(jì)對專業(yè)團(tuán)隊(duì)要求

總體看，美國要求從事抗震性能化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該具有很高的專業(yè)素質(zhì)，具有判斷和選取合適的地震波能力、動(dòng)力彈塑性分析的知識和經(jīng)驗(yàn)，必須對結(jié)構(gòu)原型的安全性負(fù)責(zé)。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)選擇合適的計(jì)算軟件并根據(jù)計(jì)算軟件的力學(xué)原理，合理地將結(jié)構(gòu)原型簡化為符合計(jì)算軟件力學(xué)原理的計(jì)算模型，并根據(jù)力學(xué)概念將模型計(jì)算結(jié)果合理轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)計(jì)算所需要的內(nèi)力、變形等，用于結(jié)構(gòu)原型設(shè)計(jì)。例如TBI對采用抗震性能化設(shè)計(jì)方法的團(tuán)隊(duì)和人員，有如下知識和經(jīng)驗(yàn)的明文要求：1)地面地震動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評估能力；2)抗震結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的選擇能力；3)非線性動(dòng)力結(jié)構(gòu)響應(yīng)與分析能力；4)熟悉并應(yīng)用結(jié)構(gòu)的構(gòu)造；5)明確足夠的施工質(zhì)量保證，確保施工符合設(shè)計(jì)要求。LATBSDC還特別要求結(jié)構(gòu)工程師掌握能力設(shè)計(jì)的方法，熟悉不同材料和構(gòu)件的非線性特點(diǎn)以及對結(jié)構(gòu)損傷評估的能力。

2.2 美國抗震性能化設(shè)計(jì)對同業(yè)評審要求

由于抗震性能化設(shè)計(jì)是采用規(guī)范替代設(shè)計(jì)方法，加上高層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、獨(dú)特性，設(shè)計(jì)通常需要對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行高級分析；并且其設(shè)計(jì)復(fù)雜性在設(shè)計(jì)指南的編寫中亦無法完全預(yù)見，因此獨(dú)立同業(yè)評審是非常必要的。美國大多數(shù)建筑主管部門都會(huì)根據(jù)IBC或ASCE 7的替代方法條款，在審批的時(shí)候要求啟動(dòng)獨(dú)立抗震同業(yè)評審(seismic peer review)。許多建筑主管部門通常還建議這個(gè)同業(yè)評審團(tuán)隊(duì)由有經(jīng)驗(yàn)的工程師和學(xué)術(shù)界專家組成,并且在建筑抗震設(shè)計(jì)或地震危險(xiǎn)性評估方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。通常按照建筑法規(guī)，對于如下建筑一般會(huì)強(qiáng)制要求進(jìn)行同業(yè)評審：1)建筑規(guī)范中定義的地震風(fēng)險(xiǎn)評估為Ⅳ類建筑；2)寬高比≥7的建筑物；3)高度超過500ft(160m)或總建筑面積超過1 000 000ft2(100 000m2)的建筑物；4)高于7層的建筑，其中任何構(gòu)件支撐的總面積超過建筑面積的15%；5)采用非線性時(shí)程分析、Pushover分析或漸進(jìn)加載技術(shù)設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)。

2.3 美國抗震性能化設(shè)計(jì)各階段基本流程

在采用抗震性能化設(shè)計(jì)方法之前，需征得建筑主管部門的同意。設(shè)計(jì)單位基于抗震性能化設(shè)計(jì)所制定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、方法和目標(biāo)，需要報(bào)當(dāng)?shù)刂鞴芙ㄖ块T批準(zhǔn),同時(shí)同業(yè)評審對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的這些方面進(jìn)行獨(dú)立、客觀的技術(shù)審查，并提供審核意見。其各階段主要流程如圖2所示。

3 美國抗震性能化設(shè)計(jì)的基本性能目標(biāo)和準(zhǔn)則

3.1 地震風(fēng)險(xiǎn)類別判定

首先根據(jù)建筑重要性、功能及人員數(shù)量，確定其風(fēng)險(xiǎn)類別。通常由建筑主管部門根據(jù)建筑法規(guī)確定，ASCE 7-16[5]對風(fēng)險(xiǎn)類別定義如下：1)辦公樓面積≤750 000平方尺，約75 000m2，風(fēng)險(xiǎn)類別Ⅱ;2)辦公樓面積>750 000平方尺，約75 000m2，風(fēng)險(xiǎn)類別Ⅲ;3)住宅、公寓人數(shù)≤5 000人，風(fēng)險(xiǎn)類別Ⅱ。

風(fēng)險(xiǎn)類別Ⅰ、Ⅱ類、普通使用功能，在罕遇地震MCER控制10%倒塌的概率；類似中國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類別。

風(fēng)險(xiǎn)類別Ⅲ類、特殊使用功能，在罕遇地震MCER控制5%倒塌的概率；類似中國重點(diǎn)設(shè)防類別。

風(fēng)險(xiǎn)類別Ⅳ類、重要設(shè)施，在罕遇地震MCER控制2.5%倒塌概率，包括在設(shè)計(jì)地震工況下(中震)保持功能目標(biāo)；類似中國特殊設(shè)防類別。

在某些情況下對于多塔大底盤建筑，高層建筑與其他建筑物共享一個(gè)公共的裙房，一些建筑主管部門通常會(huì)按照裙房以上所有塔樓占用率人數(shù)確定地震風(fēng)險(xiǎn)類別。如果塔樓和裙樓設(shè)有防震縫，每棟建筑都對地震震動(dòng)作出獨(dú)立響應(yīng)，那么可以允許根據(jù)防震縫劃分單元范圍內(nèi)的人員使用情況來確定風(fēng)險(xiǎn)類別。

3.2 性能目標(biāo)的制定

根據(jù)美國規(guī)范ASCE 7-16有關(guān)抗震要求，對于大部分項(xiàng)目，都是可以按照風(fēng)險(xiǎn)類別Ⅰ、Ⅱ類去制定性能目標(biāo)，對于風(fēng)險(xiǎn)類別為Ⅲ、Ⅳ類的結(jié)構(gòu)，其相應(yīng)的性能水準(zhǔn)會(huì)比Ⅱ類適當(dāng)提高。圖3為不同地震設(shè)防水準(zhǔn)下風(fēng)險(xiǎn)類別與相關(guān)的預(yù)期性能。

3.3 兩階段性能水準(zhǔn)定義

目前美國抗震性能設(shè)計(jì)一般按照兩階段、兩水準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行抗震性能評估,即：1)服務(wù)水準(zhǔn)評估(service-level evaluation，簡稱SLE)。這一水準(zhǔn)地震作用采用30年內(nèi)超過50%概率，相當(dāng)于43年重現(xiàn)期，此階段地震水準(zhǔn)是按照地震發(fā)生概率定義，相當(dāng)于中國規(guī)范的小震，因此很多文獻(xiàn)也將其翻譯成頻(常)遇地震。2)基于風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)最大考慮地震(risk-targeted maximum considered earthquake，簡稱MCER)，相當(dāng)于2 475年重現(xiàn)期。ASCE 7-16按照不同風(fēng)險(xiǎn)類別定義這一水準(zhǔn)地震破壞概率，表1顯示不同風(fēng)險(xiǎn)類別和破壞概率之間關(guān)系。

表1 不同風(fēng)險(xiǎn)類別和破壞概率之間關(guān)系

3.4 兩階段性能目標(biāo)

3.4.1 常遇地震評估(SLE evaluation)

可以采用純彈性模型，也可以采用非線性模型分析。這一階段評估的目的是驗(yàn)證建筑物的結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在經(jīng)歷頻遇地震之后是否保持基本彈性及正常使用功能；對于耗能構(gòu)件也允許屈服進(jìn)入輕微塑性(允許進(jìn)行有限維修)。

(1)構(gòu)件承載力計(jì)算要求

根據(jù)能力設(shè)計(jì)原則，構(gòu)件承載力驗(yàn)算主要根據(jù)能力與需求之比(demand capacity ratio ，即DCR)，其中，變形控制的模式：DCR≤1.5 (風(fēng)險(xiǎn)類別Ⅰ、Ⅱ)、DCR≤ 1.2 (風(fēng)險(xiǎn)類別Ⅲ)、DCR≤專門確定 (風(fēng)險(xiǎn)類別Ⅳ)；承載力控制的模式：LATBSDC要求DCR≤0.7 ，TBI要求DCR≤1。

(2)結(jié)構(gòu)層間位移角控制要求

不論結(jié)構(gòu)形式和高度，層間位移角控制限值均為1/200。SLE工況下層間位移角限值主要作用是避免非結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生較大的變形。

3.4.2 罕遇地震評估(MCERevaluation)

這一階段分析應(yīng)采用三維動(dòng)力彈塑性進(jìn)行評估。該評估級別旨在證明：當(dāng)建筑物受到上述地震動(dòng)作用時(shí)，倒塌概率較低。需評估包括抗側(cè)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件，幕墻及其與結(jié)構(gòu)的連接必須能夠適應(yīng)MCER位移響應(yīng)而不會(huì)發(fā)生故障。

(1)結(jié)構(gòu)層間位移角控制要求

TBI規(guī)定在罕遇地震下結(jié)構(gòu)不倒塌的要求為：1)11條時(shí)程波層間位移角平均值≤3.0%，最大值≤4.5%；2)11條時(shí)程波層間殘余變形平均值≤1.0%，最大值≤1.5%。

(2)構(gòu)件損傷要求

變形控制模式(風(fēng)險(xiǎn)類別為Ⅱ類的建筑)：1)混凝土墻壓應(yīng)變(非約束混凝土)限值為0.3%；2)混凝土墻壓應(yīng)變(約束混凝土構(gòu)造按照ACI 318)限值為0.15%。

混凝土連梁塑性轉(zhuǎn)角限值：1)普通混凝土連梁不大于2%；2)有交叉斜撐的混凝土連梁不大于5%；3)風(fēng)險(xiǎn)類別為Ⅲ類，其限值要除以1.25。

(3)力控制的模式

對于關(guān)鍵構(gòu)件或關(guān)鍵受力模式(比如強(qiáng)剪)，其承載力不小于1.5倍11條時(shí)程波最大值的平均值；對于普通構(gòu)件或普通受力模式，其承載力小于1.0倍11條時(shí)程波最大值的平均值

4 美國抗震性能化設(shè)計(jì)主要原則和設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1 美國抗震性能化設(shè)計(jì)的基本原則

(1)基于能力設(shè)計(jì)的原則，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)體系以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件在大震下的預(yù)期表現(xiàn)，明確結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力模式是按照承載力設(shè)計(jì)還是按照變形設(shè)計(jì)。其中對于按照變形設(shè)計(jì)，需要考慮屈服的位置和非線性表現(xiàn)，控制其變形不會(huì)出現(xiàn)臨界強(qiáng)度衰減，并且通過塑性耗能，限制對其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件的要求，從而可以將其他構(gòu)件設(shè)計(jì)為具有足夠的強(qiáng)度，以可靠地保持基本彈性。

(2)為便于設(shè)計(jì)人員明確和掌握能力設(shè)計(jì)的原則，TBI和LATBSDC都根據(jù)不同結(jié)構(gòu)體系，對所有抗側(cè)力構(gòu)件所受到的作用(action)分別定義為力控制(force-control action)模式和變形控制(deformation control action) 模式。其中力控制模式又根據(jù)其重要性分為關(guān)鍵和普通兩種。

(3)能力設(shè)計(jì)的原則不是強(qiáng)調(diào)構(gòu)件是否是耗能構(gòu)件還是關(guān)鍵構(gòu)件，其原則是基于預(yù)期屈服和破壞的模式。例如對于連梁這種耗能構(gòu)件，希望其受彎屈服耗能，控制其變形不超過設(shè)計(jì)性能目標(biāo)；同時(shí)為避免其發(fā)生剪切脆性破壞，那么剪切模式就是一個(gè)力控制模式，通過這種性能化設(shè)計(jì)方法，達(dá)到“強(qiáng)剪弱彎”這種預(yù)期屈服機(jī)制。

4.2 場地地震安全性評價(jià)

所有需要采用抗震性能化設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，均需要進(jìn)行場地地震安全性評價(jià)。用于計(jì)算和確定SLE和MCER水準(zhǔn)下的地震加速度反應(yīng)譜。根據(jù)場地和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，根據(jù)現(xiàn)場特定地震危險(xiǎn)性概率分析(probabilistic seismic hazard analysis，簡稱PSHA)得出的MCER縱坐標(biāo)不得低于ASCE 7-16第11章規(guī)定的縱坐標(biāo)的20%以上。如果超過20%，則需要征得同業(yè)審查和相關(guān)政府主管部門的批準(zhǔn)。

4.3 抗震性能化設(shè)計(jì)主要的設(shè)計(jì)參數(shù)

美國抗震性能化設(shè)計(jì)規(guī)程如TBI、CTBUH等地方性能化設(shè)計(jì)指南對一些重要參數(shù)都有明確的規(guī)定，這其中包括重力荷載代表值、等效黏滯阻尼比(簡稱阻尼比)、結(jié)構(gòu)等效剛度、偶然偏心計(jì)算等，雖然每本規(guī)范要求略有差異，但是阻尼比及結(jié)構(gòu)等效剛度取值基本一致。

4.3.1 阻尼比

規(guī)范所建議的阻尼比一般包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件的阻尼效應(yīng)，而土-基礎(chǔ)相互作用，以及分析中未另外建模的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，均可并入阻尼比。根據(jù)建筑設(shè)計(jì)的具體特點(diǎn)應(yīng)調(diào)整阻尼比的大小。ATC 72-1[6]建筑實(shí)測數(shù)據(jù)表明高層建筑的阻尼建筑物比低層建筑物少。TBI及其他性能化標(biāo)準(zhǔn)均有一致的規(guī)定，小震下的阻尼比ξ=0.36/H1/2≤0.05(H為建筑高度，ft),大震下的阻尼比ξ=0.36/H1/2≥0.025。阻尼比與建筑物高度關(guān)系見圖4。

4.3.2 偶然偏心

SLE階段評估可以不考慮偶然偏心影響。但是仍然需要按照ASCE 7計(jì)算每一層的扭轉(zhuǎn)放大系數(shù)Ax，如果有任一樓層Ax超過1.2,那么MCER階段評估和分析就需要考慮偶然偏心的不利影響，其中Ax=考慮固有扭轉(zhuǎn)和偶然扭轉(zhuǎn)計(jì)算的第x樓層最大位移/考慮固有扭轉(zhuǎn)計(jì)算的第x樓層最大位移。

4.3.3 地震時(shí)程波

目前設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是SLE工況下彈性分析采用3條時(shí)程波，非線性分析采用7條時(shí)程波，MCER工況下采用至少11條時(shí)程波。時(shí)程波作用在基礎(chǔ)筏板。對于Ⅱ類風(fēng)險(xiǎn)建筑，應(yīng)允許有1條時(shí)程波可以不滿足設(shè)計(jì)要求；對于Ⅲ類風(fēng)險(xiǎn)建筑，當(dāng)采用不少于20個(gè)時(shí)程波分析，則應(yīng)允許有一個(gè)不可接受的響應(yīng)。

4.3.4 混凝土有效剛度

對于結(jié)構(gòu)分析模型中的混凝土構(gòu)件，性能化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均建議采用構(gòu)件的有效剛度，而不是全截面彈性剛度?？紤]SLE工況下地震反應(yīng)要小于MCER，因此等效剛度在不同工況下有所不同。TBI及CTBUH在參考混凝土規(guī)范ACI 318基礎(chǔ)上，均規(guī)定了SLE和MCER工況下的混凝土構(gòu)件軸向、彎曲、剪切作用下的有效剛度可比彈性剛度有所折減。

如果預(yù)期應(yīng)力水平小于屈服強(qiáng)度，可以增加有效剛度值。在使用非彈性結(jié)構(gòu)分析模型的情況下，可以將有效剛度值作為線性模擬部分。對于結(jié)構(gòu)墻，非線性分析的常見做法是使用纖維模型來表示軸向和彎曲響應(yīng)，剪切響應(yīng)由線性剛度表示。在這種情況下，纖維模型直接用于表示軸向剛度和彎曲剛度，不考慮剛度折減。如果剪切由線性彈簧建模，則有效剪切剛度仍然適用。

4.4 美國抗震性能化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)規(guī)范對比

美國IBC和ASCE 7規(guī)范都明確規(guī)定，采用抗震性能化設(shè)計(jì)可以作為規(guī)范設(shè)計(jì)替代方法。其設(shè)計(jì)方法和要求與規(guī)范有不少區(qū)別，這點(diǎn)與中國抗震性能化設(shè)計(jì)作為規(guī)范設(shè)計(jì)的一個(gè)補(bǔ)充，有著明顯不同。對比了美國常用的設(shè)計(jì)規(guī)范ASCE 7-16與TBI，見表2。

表2 ASCE 7-16與TBI對比

盡管抗震性能化設(shè)計(jì)最低性能要求與規(guī)范具有等效性能，但許多結(jié)構(gòu)工程師和同業(yè)審閱者需要其略高于結(jié)構(gòu)規(guī)范最低性能。例如，ASCE 7-16允許所有時(shí)程分析評估在MCER負(fù)載下的平均最大樓層層間位移角不大于4%，而TBI和LATBSDC對于風(fēng)險(xiǎn)Ⅱ類的結(jié)構(gòu)多條波最大樓層層間位移角平均值不大于3%，并且任一層瞬間層間位移角峰值均不能大于4.5%。此外，TBI和LATBSDC都要求樓層殘余變形限值不大于1.5%，但ASCE 7-16沒有對殘余變形的驗(yàn)證要求。

5 美國抗震性能化設(shè)計(jì)案例簡介

5.1 案例綜述

如前文所述，美國的抗震性能化設(shè)計(jì)在不同項(xiàng)目上應(yīng)用，都需要事先與抗震同業(yè)評審專家組進(jìn)行充分討論后制定，并報(bào)政府主管部門同意。因此項(xiàng)目不同，所采用性能化設(shè)計(jì)方法、目標(biāo)、設(shè)計(jì)參數(shù)也是各有不同，這點(diǎn)與中國目前所采用的“套餐”式的抗震性能化設(shè)計(jì)有很大不同。這進(jìn)一步體現(xiàn)抗震性能化設(shè)計(jì)具有獨(dú)特的“針對性”，而不是千篇一律。

此外采用抗震性能化設(shè)計(jì)，旨在滿足罕遇地震下這種極端地震事件中的倒塌預(yù)防的基本安全目標(biāo)，因此在確保結(jié)構(gòu)抗震性能不低于規(guī)范中所要求同等倒塌概率前提下，采用抗震性能化設(shè)計(jì)是可以不遵循相關(guān)結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求，比如剪重比、位移比等要求。

總結(jié)介紹了CTBUH制定的performance-basedseismicdesignfortallbuilding第2版中的4個(gè)案例，并參考我司一些項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以供參考。

5.2 西雅圖市民廣場(Seattle Civic Square)

5.2.1 項(xiàng)目概況

西雅圖市民廣場項(xiàng)目為45層塔樓+裙樓，建筑高度170m,43～45層為屋頂設(shè)備層，28～42層為住宅，27層為屋頂設(shè)備層，3～26層為辦公，1～2層為商業(yè)；地下室5層。結(jié)構(gòu)體系采用混凝土核心筒+頂部伸臂桁架+伸臂支撐柱。按照最大使用人數(shù)地震風(fēng)險(xiǎn)類別被指定為Ⅲ類。使用LS-DYNA中的非線性時(shí)程分析(NLTHA)對結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了評估。結(jié)構(gòu)模型及抗側(cè)力體系示意見圖5。

采用兩種模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估：1)基礎(chǔ)固結(jié)模型，采用剛性板下限剛度評估塔樓性能和基礎(chǔ)筏板性能需求；2)基礎(chǔ)采用軸向彈簧模型，采用剛性板上限剛度評估裙房頂板和地下室外墻性能需求。剖面示意圖見圖6。

5.2.2 設(shè)計(jì)性能目標(biāo)和性能準(zhǔn)則

主要構(gòu)件按照能力設(shè)計(jì)原則分類如表3所示。對于力控制的模式，需要按照Ⅲ類建筑，承載能力要考慮0.8折減。結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)見表4。

表3 能力設(shè)計(jì)原則分類結(jié)果

表4 結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)

5.3 加州Wrapper Tower(隔震項(xiàng)目)[7]

5.3.1 項(xiàng)目概況

加州Wrapper Tower項(xiàng)目為加利福尼亞州卡爾弗市的地標(biāo)建筑。該結(jié)構(gòu)由建筑驅(qū)動(dòng)，具有外部曲線鋼箱“帶”、偏心鋼板剪力墻(SPSW)核心和采用金屬摩擦擺基礎(chǔ)隔震(圖7)。設(shè)計(jì)中采用了使用LATBSDC指南的性能基礎(chǔ)設(shè)計(jì)(PBD)，并使用LS-DYNA中的非線性時(shí)程分析(NLTHA)對塔的性能進(jìn)行了評估。

5.3.2 設(shè)計(jì)性能目標(biāo)和性能準(zhǔn)則

由于建筑物的高度、幾何復(fù)雜性和非分類結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，以及高抗震要求，采用洛杉磯當(dāng)?shù)匦阅芑O(shè)計(jì)指南LATBSDC，并由學(xué)術(shù)界和建筑界的國家認(rèn)可地震專家組成的同業(yè)評審小組(PRP)批準(zhǔn)。根據(jù)CBC 2013(加州建筑規(guī)范2013)和2014洛杉磯市建筑規(guī)范，該建筑地震風(fēng)險(xiǎn)等級Ⅱ，結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)采用兩水準(zhǔn)性能目標(biāo)：

(1)DBE水平：定義為MCER的三分之二,相當(dāng)于中國中震水準(zhǔn)。

(2)基于風(fēng)險(xiǎn)MCER水平：50年內(nèi)的倒塌風(fēng)險(xiǎn)調(diào)整為1%，(中國罕遇地震是50年倒塌概率為2%,相當(dāng)于重現(xiàn)期2 475年)。

(3)設(shè)計(jì)性能目標(biāo)和性能準(zhǔn)則

1)根據(jù)CBC 2013采用隔震建筑的最低要求是遭受DBE地震作用時(shí)，性能水準(zhǔn)要求達(dá)到立即使用(IO)。為了達(dá)到這一性能水平，結(jié)構(gòu)的所有主要構(gòu)件在DBE下保持彈性，在MCER下保持“基本彈性”,即定義為DCR=1.5)。

2)采用較低的層間位移角。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和專家評審組充分溝通后，確定MCER下的東西方向?qū)娱g位移角限值0.7%、南北方向(橫向)層間位移角限值1.0%。

3)鋼箱“帶”由于抵抗顯著的軸向力和彎矩，并且是抵抗重力和側(cè)向力的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因此其性能目標(biāo)是保持基本彈性。

4)偏心鋼板剪力墻作為以承載力控制為主的構(gòu)件，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下：DBE工況下，DCR<1；MCER工況下，豎向邊柱DCR<1；水平梁DCR<1.5。

5)時(shí)程分析：選用9條時(shí)程波進(jìn)行評估，其中2條用于DBE工況分析，5條用于MCER工況下構(gòu)件性能檢查，2條用于MCER工況下整體性能檢查。在每一個(gè)設(shè)計(jì)迭代中共有63個(gè)獨(dú)立的時(shí)程分析。

每個(gè)單獨(dú)響應(yīng)參數(shù)(構(gòu)件力、位移等)的設(shè)計(jì)值基于一個(gè)“套件”中7個(gè)地震動(dòng)中每個(gè)地震動(dòng)的最大值的平均值。如果考慮多個(gè)套件，則在設(shè)計(jì)中使用最大平均值。

5.4 CTBUH案例

CTBUH制定的performance-basedsesimicdesignfortallbuilding2ndedition提供了四個(gè)性能化設(shè)計(jì)案例，限于篇幅，對案例1和3分別總結(jié)其性能化設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，如表5所示。

其中，案例1、3的結(jié)構(gòu)模型示意圖見圖8，結(jié)構(gòu)平面示意圖見圖9。

眾所周知，混凝土的無側(cè)限壓縮應(yīng)變極限為0.003，但Wallace(2007)的研究表明，PERFORM-3D在某些情況下可能會(huì)低估壓縮應(yīng)變高達(dá)50%。因此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和同業(yè)評審小組一致同意使用0.001 5的壓縮極限。此外為確保核心筒作為力控制模式，壓縮應(yīng)變計(jì)算考慮同時(shí)放大1.5倍。

表5 美國高層建筑性能化設(shè)計(jì)案例總結(jié)摘要

6 總結(jié)及前景

6.1 總結(jié)

通過對美國抗震性能化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)介紹，并結(jié)合具體案例進(jìn)一步說明在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗震性能化設(shè)計(jì)的不同應(yīng)用。對比我國的抗震性能化設(shè)計(jì)，筆者認(rèn)為有如下特點(diǎn)可以供同行參考和借鑒：

(1)美國抗震性能化設(shè)計(jì)是作為一種規(guī)范替代設(shè)計(jì)方法，是不同于規(guī)范的一種設(shè)計(jì)方法。除了要滿足不低于規(guī)范倒塌概率的要求，結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)是可以有針對性地制定，體現(xiàn)抗震性能化設(shè)計(jì)所具有獨(dú)特的“針對性”。而中國抗震性能化設(shè)計(jì)是在滿足抗震規(guī)范的大框架和前提下進(jìn)行性能提高的設(shè)計(jì)，基本上采用套餐模式，雖然項(xiàng)目差異很大，但是性能目標(biāo)基本相同。

(2)TBI等抗震性能化標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了在罕遇地震下結(jié)構(gòu)整體及構(gòu)件不可以接受的準(zhǔn)則，這也可以理解為中國規(guī)范的強(qiáng)制條文。

(3)按照能力設(shè)計(jì)原則，采用兩階段設(shè)計(jì)方法進(jìn)行常遇地震(SLE)和罕遇地震(MCER)兩水準(zhǔn)評估，實(shí)現(xiàn)不低于或高于規(guī)范同等抗倒塌性能。目前中國抗震性能化設(shè)計(jì)仍采用三階段、三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)；而即將實(shí)行的CECS標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》則是采用兩階段、兩水準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

(4)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)類別，與主管部門、同業(yè)評審單位以及業(yè)主共同制定結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。風(fēng)險(xiǎn)類別越高的結(jié)構(gòu)，其性能目標(biāo)也相應(yīng)提高；這與中國抗震性能化設(shè)計(jì)比較一致，即重點(diǎn)設(shè)防類別建筑其性能要求要適當(dāng)提高，安全等級宜為一級。

(5)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)類別不同，結(jié)構(gòu)承載力能力、變形能力要考慮折減，風(fēng)險(xiǎn)類別Ⅲ類折減0.8。對力控制模式或構(gòu)件，按照罕遇地震(MCER)“不屈服”設(shè)計(jì)，一般設(shè)計(jì)內(nèi)力可以采用1.5倍時(shí)程計(jì)算平均值。對于變形控制模式或構(gòu)件，其彈塑性變形不超過延性變形能力。中國抗震性能化設(shè)計(jì)中(大)震不屈服設(shè)計(jì)一般只針對關(guān)鍵構(gòu)件采用等效彈性反應(yīng)譜地震力進(jìn)行復(fù)核，此外對于重點(diǎn)設(shè)防類別的結(jié)構(gòu)彈塑性分析中有關(guān)塑性轉(zhuǎn)角限值并沒有考慮結(jié)構(gòu)重要性進(jìn)行折減。

(6)結(jié)構(gòu)模型模擬更全面，包括基礎(chǔ)、地下室外墻、隔板、重力柱等。時(shí)程作用點(diǎn)一般從基礎(chǔ)底板施加。混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度考慮開裂，一般需要做適當(dāng)折減。中國規(guī)范中彈塑性分析模型一般從嵌固端考慮，初始結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度不考慮開裂后剛度折減。

(7)根據(jù)本場地地震風(fēng)險(xiǎn)評估，確定常遇、罕遇地震作用和時(shí)程波，而不是采用規(guī)范反應(yīng)譜。時(shí)程波選取根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，無論是數(shù)量還是特征，都是和同業(yè)評審專家組進(jìn)行充分討論后確定。

6.2 抗震性能化設(shè)計(jì)前景

目前美國抗震性能化設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸從人員安全、結(jié)構(gòu)不倒塌的性能目標(biāo)，發(fā)展到對人員財(cái)產(chǎn)損失、功能修復(fù)的所花費(fèi)時(shí)間和金錢，進(jìn)行定量評估，也制定了新一代抗震性能化標(biāo)準(zhǔn)FEMA P-58。同時(shí)美國也在制定地震性能評級系統(tǒng)和韌性設(shè)計(jì)指南，幫助確定增強(qiáng)的績效目標(biāo)滿足項(xiàng)目和業(yè)主更高的性能要求，做到中、大地震下功能快速恢復(fù)，使城市和社區(qū)更具韌性。目前美國彈性委員會(huì)評級系統(tǒng)(USRC)建筑物評級系統(tǒng)確定了地震或其他影響建筑物的危害的預(yù)期后果。該評分考慮建筑物結(jié)構(gòu)的性能，其機(jī)械、電氣和管道系統(tǒng)以及建筑組件，例如覆層、窗戶、隔板墻和天花板。這些非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能會(huì)影響居住者的安全以及進(jìn)行必要的維修的成本和時(shí)間以及事件發(fā)生后重新占用建筑物的時(shí)間。

此外ARUP工程顧問公司開發(fā)的基于彈性的地震設(shè)計(jì)計(jì)劃(Redi)評級系統(tǒng)也為業(yè)主、建筑師和工程師提供了一個(gè)框架，以實(shí)施“基于快速恢復(fù)的彈性的地震設(shè)計(jì)”。其還提出了一種損失評估方法，用于評估所采用的設(shè)計(jì)和規(guī)劃措施在實(shí)現(xiàn)彈性目標(biāo)中的效果。近年來洛杉磯市181 Fremont

Tower[9]是首個(gè)采用了Redi設(shè)計(jì)方法達(dá)到韌性鉑金性能的超高層建筑。