蘇超俊

摘要：在性能設(shè)計(jì)中核心的思路就是按照建筑的實(shí)際情況和客戶需求，并參考國標(biāo)設(shè)定建筑的抗震設(shè)防的目標(biāo)，并按照結(jié)構(gòu)的性能特性計(jì)算出結(jié)構(gòu)所需要的基本參數(shù)，以此獲得較好的抗震效果，同時結(jié)合經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)是項(xiàng)目達(dá)到安全和經(jīng)濟(jì)的雙贏。

關(guān)鍵詞：性能特性;抗震設(shè)計(jì);抗震設(shè)防;防震目標(biāo)

一、基于性能特性研究的抗震設(shè)計(jì)理論概述

1.基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)含義

建筑設(shè)計(jì)中基于性能的抗震設(shè)計(jì)的理論形成于1992年，是由美國的學(xué)者最先提出的，隨后經(jīng)過理論的拓展和總結(jié)由美國的權(quán)威組織給出了明確的定義和描述。概括的說就是：基于性能的抗震理論以結(jié)構(gòu)抗震的性能分析為理論基礎(chǔ)，針對不同的抗震作用水準(zhǔn)，將結(jié)構(gòu)的抗震性能劃分為不同的頂級，設(shè)計(jì)者根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性和實(shí)際的用途和業(yè)主及使用者的特殊要求，采用合理的抗震性能目標(biāo)和適應(yīng)性結(jié)構(gòu)抗震措施進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得建筑結(jié)構(gòu)在各種水準(zhǔn)地震的作用下形成的最終的破壞程度達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，即滿足業(yè)主或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過對工程項(xiàng)目進(jìn)行生命周期的費(fèi)用效率分析，選擇并確定一種安全可靠且符合經(jīng)濟(jì)合理化的優(yōu)化平衡。

2.基于性能的抗震理論特征

2.1 支持采用多級設(shè)防的目標(biāo)，我現(xiàn)行的是“小震不壞、中震可修、大震不倒”基本抗震原則，主要的目標(biāo)是確保人身安全，這時抗震的根本思路和目標(biāo)，無法避免大型地震中的巨大經(jīng)濟(jì)損失。基于性能抗震設(shè)計(jì)理論提出了多級目標(biāo)設(shè)計(jì)的理念，此種分級 方式即考慮到了生命安全也從經(jīng)濟(jì)性上考慮，最大限度的降低業(yè)主和社會的損失，保證在其可承受的范圍內(nèi)，以此為基礎(chǔ)更加注重非結(jié)構(gòu)件和內(nèi)部設(shè)施的保護(hù)，將經(jīng)濟(jì)效益的機(jī)制引入到了設(shè)計(jì)中，利用經(jīng)濟(jì)決策方式通過進(jìn)行費(fèi)用效率分析，在可靠和經(jīng)濟(jì)之間需求平衡，以確定最佳的抗震方案，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

2.2 擴(kuò)展空間，體現(xiàn)設(shè)計(jì)的個性化?，F(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)主要是按照規(guī)范進(jìn)行一成不變的設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)缺乏靈活性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者總是在被動的情況下進(jìn)行進(jìn)行設(shè)計(jì)，而基于性能的抗震設(shè)計(jì)除了需要滿足共性規(guī)范外，也更加注重個性設(shè)計(jì)的需求，增加了業(yè)主和設(shè)計(jì)人員的交流范圍，在根據(jù)結(jié)構(gòu)的用途和業(yè)主需求確定結(jié)構(gòu)性能的目標(biāo)后，設(shè)計(jì)人員就可以在此性能目標(biāo)的基礎(chǔ)上選擇設(shè)計(jì)方法，采用相應(yīng)的構(gòu)造措施，而此種設(shè)計(jì)更加的靈活，對調(diào)的設(shè)計(jì)積極性和新材料、新技術(shù)、新工藝等的應(yīng)用打開了方便之門，同時結(jié)構(gòu)的抗震能力是在抗震性能的目標(biāo)下形成的，也是的建筑的抗震能力可以預(yù)見。

2.3 設(shè)計(jì)方法多元化。目前基于性能的抗震理論還沒形成統(tǒng)一的研究方法，很多學(xué)者采用結(jié)構(gòu)層間變形或者定點(diǎn)移位作為性能指標(biāo)，其從傳統(tǒng)的以力學(xué)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕巫優(yōu)榛A(chǔ)的設(shè)計(jì)，從彈性設(shè)計(jì)的方法轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄缘脑O(shè)計(jì)方法，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論上的缺憾，盡可能的是的建筑結(jié)構(gòu)的預(yù)期功能和實(shí)際地震中起到的功能相一致，以保證設(shè)計(jì)的有效性。

二、基于性能的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容

1.地震設(shè)防的水準(zhǔn)設(shè)定

地震設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)是指設(shè)定未來可能作用在建筑上的地震等級和作用效果，美國工程師協(xié)會曾提出，基于結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)理論追求能控制結(jié)構(gòu)所可能發(fā)生的各種地震破壞的水準(zhǔn)，因此需要根據(jù)不同的重現(xiàn)期選擇可能發(fā)生的對應(yīng)不同的地震動參數(shù)。在協(xié)會的報(bào)告中指出四個地震設(shè)防的水準(zhǔn)：1）無損傷的正常狀態(tài)，即結(jié)構(gòu)只受到輕微損傷，不需要進(jìn)行修理就可繼續(xù)使用而不帶有隱患;2）結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷但可修復(fù)，此種情況下結(jié)構(gòu)仍然發(fā)揮效應(yīng)，但是在次要部位出現(xiàn)損傷，需要進(jìn)行修復(fù)。

2.結(jié)構(gòu)抗震的性能目標(biāo)設(shè)定

此項(xiàng)內(nèi)容就是針對某種地震設(shè)防的水準(zhǔn)而設(shè)定期望達(dá)到的抗震性能的等級，抗震設(shè)防目標(biāo)德爾建立需要綜合考慮地質(zhì)、功能、重要性、投資、效益、震后損失、重建、歷史和文化價值、社會效應(yīng)、業(yè)主要求等因素。從地震設(shè)防的角度看，規(guī)范提出的抗震目標(biāo)實(shí)際上是最低的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，而結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)則是根據(jù)業(yè)主需求采用的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，其要高于規(guī)范設(shè)定的范圍。使用者可以根據(jù)自身的情況出發(fā)，設(shè)定一個合理的性能目標(biāo)。為了方便結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這些定性的性能指標(biāo)最終將被量化，成為具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)依據(jù)。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)

1.工程基本情況

某城市的高層建筑，按照建筑的整體設(shè)計(jì)要求，工程項(xiàng)目地下結(jié)構(gòu)為三層，地上為三層裙樓，主要塔樓設(shè)計(jì)為45層，從工程的高度超過了150m。項(xiàng)目的主體采用的是混凝土框架加核心筒的結(jié)構(gòu)形式。按照業(yè)主的需要，建筑的設(shè)計(jì)使用年限為50年，整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為二級，根據(jù)地域情況，此建筑為丙級，抗震設(shè)防為7。

2.對結(jié)構(gòu)性能的目標(biāo)選擇

通過對工程具體情況的分析，設(shè)計(jì)人員通過對工程的具體情況的把握，并與業(yè)主方進(jìn)行了溝通，取得了一致意見，選定此工程的抗震性能目標(biāo)為以下具體幾項(xiàng)：1）小震情況下滿足的要求是：結(jié)構(gòu)在地震的影響下保持完好結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)明顯的損傷，震后不需要修復(fù)也可使用，且在震后不需要對人員安全采取任何保護(hù)措施。2）中震的情況下結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足要求：在中等強(qiáng)度的地震中，建筑相對脆弱的部位和重要結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)輕微的裂縫，屬于輕度損壞，而在設(shè)定的部位后者延性部位則允許出現(xiàn)中度的損壞，條件是出現(xiàn)明顯的裂縫，構(gòu)件受損程度為進(jìn)入屈服階段。震后需要進(jìn)行維修方可繼續(xù)使用。

3.性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)措施

3.1 小震目標(biāo)。工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員通常采用的是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，即利用軟件將性能目標(biāo)和實(shí)際的結(jié)構(gòu)的參數(shù)聯(lián)系起來，從而獲得可以指導(dǎo)工程建設(shè)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)。在計(jì)算中主要遵循的是高層建筑結(jié)構(gòu)空間的有限元分析和計(jì)算方法，利用三維建模的方式進(jìn)行模擬分析，為具體的計(jì)算后的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.2 中等地震的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。結(jié)合前面的設(shè)計(jì)參數(shù)，對中等地震中所要達(dá)成的目標(biāo)進(jìn)行細(xì)化，并在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對某些參數(shù)進(jìn)行修正，使之到達(dá)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。根據(jù)目標(biāo)要求，中震情況下，地震對結(jié)構(gòu)件的影響使之超過了彈性變形范圍，結(jié)構(gòu)的損壞將出現(xiàn)硬性的結(jié)構(gòu)損傷，但是其范圍是可以修復(fù)，此時的重點(diǎn)就是通過結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)保護(hù)重點(diǎn)結(jié)構(gòu)的安全，即舍棄某些結(jié)構(gòu)件的完整，而保護(hù)主體框梁的安全。

3.3 大震情況的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)中，與中震目標(biāo)實(shí)現(xiàn)相似，在利用軟件進(jìn)行分析和比對的時候，將其設(shè)定的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，模擬在罕見的高烈度地震的影響下結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的應(yīng)力改變和相互作用，實(shí)際上就是將結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的水平和豎向位移設(shè)定為最大，并以此對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使之達(dá)到：結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的效果;第一批塑性鉸出現(xiàn)在某些樓層的梁上。

四、構(gòu)造設(shè)計(jì)的措施

還以前面的工程項(xiàng)目為例，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中按照參數(shù)要求，結(jié)構(gòu)中采用的水泥等級為60號，在初級抗震的軸壓比要求下，剪跨比在1.5就可以滿足性能要求，但是這樣就出現(xiàn)了剪跨比小于2的情況，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)對此情況進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)中等地震的要求，具體措施有：調(diào)整軸壓比，在規(guī)范的基礎(chǔ)上通過模擬計(jì)算進(jìn)行逐級調(diào)整，使之達(dá)到保證柱體延性的需求。

五、結(jié)束語

總之，基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論是一種概念性的設(shè)計(jì)方式，根據(jù)建筑的抗震設(shè)防目標(biāo)，利用性能分析形成具體的結(jié)構(gòu)性參數(shù)，最終應(yīng)用在設(shè)計(jì)中。同時基于性能的抗震設(shè)計(jì)還具有經(jīng)濟(jì)性特征，設(shè)計(jì)中將性能目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)合理性結(jié)合起來，以此完成對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

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