高层建筑结构基于性能的抗震设计分析

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　　摘要：基于性能的结构抗震设计理论是一种概念性的设计方式，根据建筑的抗震设防目标，利用性能分析形成具体的结构性参数，最终应用在设计中。同时基于性能的抗震设计还具有经济性特征，设计中将性能目标和经济合理性结合起来，以此完成对结构设计的优化。
　　关键词：性能特性；抗震设计；抗震设防；防震目标
　　一、基于性能特性研究的抗震设计理论概述
　　1、基于性能的结构抗震设计含义
　　建筑设计中基于性能的抗震设计的理论形成于1992年，是由美国的学者最先提出的，随后经过理论的拓展和总结由美国的权威组织给出了明确的定义和描述。概括的说就是：基于性能的抗震理论以结构抗震的性能分析为理论基础，针对不同的抗震作用水准，将结构的抗震性能划分为不同的顶级，设计者根据结构的重要性和实际的用途和业主及使用者的特殊要求，采用合理的抗震性能目标和适应性结构抗震措施进行设计，使得建筑结构在各种水准地震的作用下形成的最终的破坏程度达到相应的标准，即满足业主或者行业标准的要求，通过对工程项目进行生命周期的费用效率分析，选择并确定一种安全可靠且符合经济合理化的优化平衡。从简单的含义上看，就是利用性能标准选择结构措施，并使之符合使用标准和经济标准。
　　2、基于性能的抗震理论特征
　　基于性能的抗震设计理论实际上是一种在对地震灾害分析和对现行的抗震设计理论的反思的基础上产生的，此理论的设计理念和方法与传统的设计不同，但是其设计的依据却蕴含来了现有的设计理论和经验，具体的特征如下：
　　1）支持采用多级设防的目标，我现行的是“小震不坏、中震可修、大震不倒”基本抗震原则，主要的目标是确保人身安全，这时抗震的根本思路和目标，无法避免大型地震中的巨大经济损失。基于性能抗震设计理论提出了多级目标设计的理念，此种分级 方式即考虑到了生命安全也从经济性上考虑，最大限度的降低业主和社会的损失，保证在其可承受的范围内，以此为基础更加注重非结构件和内部设施的保护，将经济效益的机制引入到了设计中，利用经济决策方式通过进行费用效率分析，在可靠和经济之间需求平衡，以确定最佳的抗震方案，达到优化设计的目的。
　　2）扩展空间，体现设计的个性化。现行的抗震设计主要是按照规范进行一成不变的设计，因此设计缺乏灵活性，结构设计者总是在被动的情况下进行进行设计，而基于性能的抗震设计除了需要满足共性规范外，也更加注重个性设计的需求，增加了业主和设计人员的交流范围，在根据结构的用途和业主需求确定结构性能的目标后，设计人员就可以在此性能目标的基础上选择设计方法，采用相应的构造措施，而此种设计更加的灵活，对调的设计积极性和新材料、新技术、新工艺等的应用打开了方便之门，同时结构的抗震能力是在抗震性能的目标下形成的，也是的建筑的抗震能力可以预见。
　　3）设计方法多元化。目前基于性能的抗震理论还没形成统一的研究方法，很多学者采用结构层间变形或者定点移位作为性能指标，其从传统的以力学为基础的设计转变为以形变为基础的设计，从弹性设计的方法转变为弹塑性的设计方法，解决了传统设计理论上的缺憾，尽可能的是的建筑结构的预期功能和实际地震中起到的功能相一致，以保证设计的有效性。
　　二、基于性能的抗震结构设计的内容
　　1、地震设防的水准设定
　　地震设防的标准是指设定未来可能作用在建筑上的地震等级和作用效果，美国工程师协会曾提出，基于结构性设计理论追求能控制结构所可能发生的各种地震破坏的水准，因此需要根据不同的重现期选择可能发生的对应不同的地震动参数。在协会的报告中指出四个地震设防的水准：1）无损伤的正常状态，即结构只受到轻微损伤，不需要进行修理就可继续使用而不带有隐患；2）结构出现损伤但可修复，此种情况下结构仍然发挥效应，但是在次要部位出现损伤，需要进行修复；3）保证生命安全的状态 ，即人员的生命安全可以得到保证，结构的损伤较为严重，但是仍在业主可以接受的范围内；4）倒塌控制水准，结构损坏严重威胁生命安全，虽然损伤但没有倒塌，经济上的损失已经超过了业主可以接受的最大上限。
　　2、结构抗震的性能目标设定
　　此项内容就是针对某种地震设防的水准而设定期望达到的抗震性能的等级，抗震设防目标德尔建立需要综合考虑地质、功能、重要性、投资、效益、震后损失、重建、历史和文化价值、社会效应、业主要求等因素。从地震设防的角度看，规范提出的抗震目标实际上是最低的设防标准，而结构抗震设计则是根据业主需求采用的设防标准，其要高于规范设定的范围。使用者可以根据自身的情况出发，设定一个合理的性能目标。为了方便结构设计，这些定性的性能指标最终将被量化，成为具体结构设计的重要参数依据。
　　3、基于性能的结构设计实施
　　此项内容就是要求将结构的性能要求转化为合理的性能参数以此形成具体的指导设计的基础性数据。为了达到这一目标，需要配合合理的处理和分析方法，将前面的目标转化为与性能指标相关量化数据，使之作为指导设计的具体指标。
　　三、高层建筑结构基于性能的抗震设计
　　按照前面的理论分析的思路，下面就某个高层项目的性能抗震设计的过程进行例举阐述，以说明在高层建筑中实施性能抗震结构设计的流程和措施。
　　1、工程基本情况
　　某城市的高层建筑，按照建筑的整体设计要求，工程项目地下结构为三层，地上为三层裙楼，主要塔楼设计为45层，从工程的高度超过了150m。项目的主体采用的是混凝土框架加核心筒的结构形式。按照业主的需要，建筑的设计使用年限为50年，整体钢筋混凝土结构为二级，根据地域情况，此建筑为丙级，抗震设防为7。
　　2、对结构性能的目标选择
　　通过对工程具体情况的分析，设计人员通过对工程的具体情况的把握，并与业主方进行了沟通，取得了一致意见，选定此工程的抗震性能目标为以下具体几项：1）小震情况下满足的要求是：结构在地震的影响下保持完好结构不出现明显的损伤，震后不需要修复也可使用，且在震后不需要对人员安全采取任何保护措施。2）中震的情况下结构应当满足要求：在中等强度的地震中，建筑相对脆弱的部位和重要结构件出现轻微的裂缝，属于轻度损坏，而在设定的部位后者延性部位则允许出现中度的损坏，条件是出现明显的裂缝，构件受损程度为进入屈服阶段。震后需要进行维修方可继续使用。3）高烈度地震情况下建筑应满足：整体结构在震中出现的逐级的损坏，即整体结构都会出现不同程度的损坏，而大部分为轻微，部分出现中等损坏构件进入到屈服阶段，出现裂缝，整个楼体的安全性降低，结构需要进行安全性的支护方可允许人员进出，如果恢复使用将需要进行大面积维修。
　　3、性能目标的实现措施
　　1小震目标
　　工程在结构设计的过程中，设计人员通常采用的是计算机辅助设计，即利用软件将性能目标和实际的结构的参数联系起来，从而获得可以指导工程建设的具体结构参数。在计算中主要遵循的是高层建筑结构空间的有限元分析和计算方法，利用三维建模的方式进行模拟分析，如表1所示，为具体的计算后的结构参数。计算完成后，将具体分析得出的参数与国家标准相比较，应保证所有的参数都符合国标，同时按照性能目标进行分析和衡量，保证其满足具体的设定目标，同时在具体的模型仿真对比中，估算其经济指标，使之满足业主的经济效益。表格中各种参数都达到比超过出了国标的要求。
　　
　　
　　2）中等地震的目标实现
　　结合前面的设计参数，对中等地震中所要达成的目标进行细化，并在基础数据的基础上对某些参数进行修正，使之到达设计的目标。根据目标要求，中震情况下，地震对结构件的影响使之超过了弹性变形范围，结构的损坏将出现硬性的结构损伤，但是其范围是可以修复，此时的重点就是通过结构的合理设计保护重点结构的安全，即舍弃某些结构件的完整，而保护主体框梁的安全。在此设计的思路上对整个设计的参数进行细部调整。如：设定中等烈度高出普通等级1.55°；在进行不屈服设定的时候将结构件的水平影响系数调整到中等强度的0.23；改变整个结构组合的内力情况；对材料强度的参数进行必要的调整，使之达到结构强度的标准；对抗震承载力系数进行调整等，通过这些措施结构的初步设定参数得到必要的调整，使的满足小震目标的某些参数提升达到中等地震的设防目标。

　　3）大震情况的目标实现
　　在设计中，与中震目标实现相似，在利用软件进行分析和比对的时候，将其设定的范围进一步扩大，模拟在罕见的高烈度地震的影响下结构所产生的应力改变和相互作用，实际上就是将结构所产生的水平和竖向位移设定为最大，并以此对结构参数进行调整，使之达到：结构不出现扭转的效果；第一批塑性铰出现在某些楼层的梁上；在水平应力的作用下底部的剪力墙再进入塑性变形，以此保证剪力墙为建筑的“脆弱”部位，消除地震的某些应力效应，而保证框架结构的安全，使之始终不能达到塑性阶段。这样将就可以是结构在大震中只出现剪力墙的损坏，而保证主体框架的安全，最终达到大震下的性能目标。
　　四、构造设计的措施
　　还以前面的工程项目为例，在结构设计中按照参数要求，结构中采用的水泥等级为60号，在初级抗震的轴压比要求下，剪跨比在1.5就可以满足性能要求，但是这样就出现了剪跨比小于2的情况，因此在结构设计中应当对此情况进行调整，以适应中等地震的要求，具体措施有：调整轴压比，在规范的基础上通过模拟计算进行逐级调整，使之达到保证柱体延性的需求；在经济性能允许的范围内，增加主体的箍筋密度，增加的密度应控制在整体成本和重量的合理范围内，这样可提高钢筋对混凝土的约束能力，保证其在地震的作用下纵向钢筋的抗应力能力，满足强剪弱弯的思路；控制柱体中纵向配筋的比例，项目中设定的纵向配筋的比率小于1.2%。另外，项目还采用了对边柱、角柱、剪力墙端柱等柱体总面积进行了必要的调整，即在原有的标准基础上进行了适当的增加，以此满足地震设防的需求，同时在设计中始终遵循将剪力墙作为抗震的易损结构，保证其具有延性和消能能力。
　　所以该项目中对剪力墙的设计采取了一些控制措施，如：剪力墙加强范围进行了适当的扩大，向下和向上进行了必要的拓展，在地下一和地上一层的范围内进行了剪力墙的增强，主要是增加了约束构件，控制其形变范围。边缘约束构件设计使得箍筋范围符合国标要求，并增加了纵筋的配筋率，同时对剪力墙的控制达到其剪应力标准，并控制连梁的跨度高度比在2-5之间，连梁箍筋的间距也满足100mm的范围。工程中对筒体的剪力墙也进行了必要的参数调整，在筒体的边角位置设计了约束构件，构件的长度为剪力墙的25%，在强化区域采用箍筋和型钢进行加固处理。
　　结束语：
　　总之，在性能设计中核心的思路就是按照建筑的实际情况和客户需求，并参考国标设定建筑的抗震设防的目标，并按照结构的性能特性计算出结构所需要的基本参数，以此获得较好的抗震效果，同时结合经济性指标是项目达到安全和经济的双赢。
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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