何黎陽(yáng) 鄧方

中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 湖南 長(zhǎng)沙 410000

引言

地震是自然界中較為常見(jiàn)的一種自然現(xiàn)象，大多數(shù)的地震破壞作用較小，甚至于不易被人們發(fā)現(xiàn)，然而偶發(fā)的強(qiáng)震對(duì)于建筑物的破壞作用十分巨大，對(duì)建筑的安全造成嚴(yán)重威脅。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑行業(yè)也在不斷發(fā)展，大量的高層、超高層建筑以及各種新奇的不規(guī)則的建筑都紛紛涌現(xiàn)，這也為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤其是抗震設(shè)計(jì)帶來(lái)了不小的難度。對(duì)此，本文主要圍繞基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法展開(kāi)分析，切實(shí)保證建筑結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全。

1 建筑性能抗震設(shè)計(jì)方法的提出

眾所周知，在水平荷載作用下，高層建筑所產(chǎn)生的效應(yīng)不是線(xiàn)性分布而是隨著結(jié)構(gòu)高度的升高而急劇增加的。例如在風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的傾覆力矩和高度的平方成正比，而位移則和高度的四次方成正比，地震作用下高層結(jié)構(gòu)效應(yīng)隨高度的增幅則更為顯著。

根據(jù)大量震害統(tǒng)計(jì)，地震作用作為破壞性巨大的自然災(zāi)害之一，往往是建筑結(jié)構(gòu)的控制荷載。一些復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)由于其在造型上追求奇異，在地震作用下受力更為不均勻，更容易形成薄弱部位從而發(fā)生薄弱部位破壞甚至整體倒塌，基于此現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)做好抗震設(shè)計(jì)具有重要的安全意義。

20世紀(jì)末期的幾次大地震造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法顯然不能充分滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要。這也讓國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家開(kāi)始重新審視現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法，抗震性能化的研究也就此拉開(kāi)了帷幕?？拐鹦阅芑O(shè)計(jì)的本質(zhì)，是通過(guò)優(yōu)于規(guī)范的措施方案讓結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更高的抗震性能，為業(yè)主和工程師提供更加“個(gè)性化”的選擇，也可以與當(dāng)下研究前沿的新體系、新技術(shù)、新材料相結(jié)合，最終保證結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)地震作用下實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能目標(biāo)。目前，抗震性能化設(shè)計(jì)方法及理論已經(jīng)在很多國(guó)家被采用且正在逐漸完善為相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，在建筑工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用，本文主要圍繞此設(shè)計(jì)方法展開(kāi)詳細(xì)分析[1]。

2 實(shí)例分析建筑結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

下文以某高層建筑工程為例展開(kāi)分析，此項(xiàng)目采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)參數(shù)，合理確定抗震性能目標(biāo)，具體如下。

（1）工程概況。本項(xiàng)目總建筑面積13.59萬(wàn)m2，包含10棟辦公樓、1棟商業(yè)建筑及1棟住宅。本工程為住宅樓，建筑面積為33081.14m2，地下1層，地上45層，地下一層結(jié)構(gòu)高度5.2m，首層層高6.9m，其余各層層高均為3m，建筑總高度為138.3m。結(jié)構(gòu)采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，其中，剪力墻為鋼筋混凝土剪力墻，框架柱采用鋼管混凝土柱。

（2）設(shè)計(jì)參數(shù)。工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期及設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防類(lèi)別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，抗震設(shè)防烈度為6度，峰值加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，特征周期為0.45s。小震、中震計(jì)算及大震驗(yàn)算時(shí)，均采用新版地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖的地震動(dòng)參數(shù)?；撅L(fēng)壓為0.35kN/m2，地面粗糙度類(lèi)別為B類(lèi)，由于本工程為平面不規(guī)則的近似Y型結(jié)構(gòu)布置，體型系數(shù)參考《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010）附錄B的計(jì)算方法，取1.5，同時(shí)考慮相互干擾系數(shù)1.1。

（3）抗震性能目標(biāo)。根據(jù)住建部文件《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（2015年），本工程各項(xiàng)超限內(nèi)容如下：①高度超限：結(jié)構(gòu)高度138.3m，超過(guò)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)A級(jí)高度130m限值，屬于B級(jí)高度建筑；②扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，Y型結(jié)構(gòu)平面偏心率大于0.15；③凹凸不規(guī)則：Y型凸角尺寸超過(guò)相應(yīng)邊長(zhǎng)的30%；④其他不規(guī)則：外圍兩層通高的花園陽(yáng)臺(tái)形成穿層柱。

針對(duì)本工程的結(jié)構(gòu)形式和超限情況，依據(jù)《高規(guī)》選擇C級(jí)性能目標(biāo)，對(duì)底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻、穿層柱、弱連接處樓板等關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足小震彈性、中震彈性和大震不屈服性能水準(zhǔn)要求[2]。

3 建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算

（1）小震彈性分析：本工程小震彈性分析采用YJK作為主要計(jì)算軟件，同時(shí)采用 MIDAS Building對(duì) YJK分析結(jié)果進(jìn)行校核。YJK及MIDAS building兩種軟件分析得到的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、周期、基底剪力和層間位移角基本一致。基于規(guī)定的水平力作用下，結(jié)構(gòu)底層框架部分所承受的地震傾覆力矩和結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值，X向、Y向分別為3.80%、6.10%，不大于結(jié)構(gòu)底部總傾覆彎矩的10%，依據(jù)《高規(guī)》第8.1.3.1條及此條文的相關(guān)解釋說(shuō)明，此建筑工作性能接近于純剪力墻結(jié)構(gòu)，按照剪力墻結(jié)構(gòu)展開(kāi)設(shè)計(jì)，框架部分按框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的框架展開(kāi)設(shè)計(jì)，層間位移角限值采用剪力墻結(jié)構(gòu)1/1000的要求。

（2）小震彈性時(shí)程分析：本工程取7組時(shí)程曲線(xiàn)進(jìn)行計(jì)算，每條時(shí)程曲線(xiàn)均滿(mǎn)足地震動(dòng)三要素要求，即頻譜特性、加速度有效峰值及持續(xù)時(shí)間符合規(guī)范要求。7條時(shí)程曲線(xiàn)主方向的地震波平均地震影響系數(shù)曲線(xiàn)與新版地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖的規(guī)范反應(yīng)譜的地震影響系數(shù)曲線(xiàn)比較，滿(mǎn)足規(guī)范要求。時(shí)程分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的樓層剪力、層間位移角與CQC法相差不大，地震反應(yīng)特征、位移變化規(guī)律基本一致，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下整體性能及結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能均滿(mǎn)足規(guī)范小震彈性的要求。

（3）中大震等效彈性分析：中、大震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算，可以采取增加阻尼比和對(duì)連梁剛度進(jìn)行折減的等效彈性的方法來(lái)近似考慮結(jié)構(gòu)阻尼增加與剛度退化。本工程運(yùn)用YJK采用等效彈性反應(yīng)譜方法對(duì)本工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)。中震等效彈性設(shè)計(jì)的最大層間位移角均小于1/500（2倍彈性變形限值），大震等效彈性設(shè)計(jì)的最大層間位移均小于1/250（4倍彈性變形限值），同時(shí)，按小震彈性分析結(jié)果與等效中震彈性分析結(jié)果包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)配筋，結(jié)構(gòu)能達(dá)到預(yù)定的性能目標(biāo)。

（4）大震彈塑性時(shí)程分析：采用SAUSAGE軟件開(kāi)展罕遇地震彈塑性時(shí)程分析，選用符合規(guī)范要求的兩條天然波（TR1和TR2）和一條人工波（RG1）進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)分析。結(jié)果顯示，三條地震波的彈塑性X向、Y向最大層間位移角包絡(luò)值為1/389、1/264，均小于限值1/250（4倍彈性變形限值），滿(mǎn)足大震作用下層間位移角限值要求。大部分剪力墻未出現(xiàn)明顯損傷，部分剪力墻出現(xiàn)輕微損壞，個(gè)別剪力墻墻肢出現(xiàn)輕度損壞；外圍鋼管混凝土框架柱在大震下有較好的延性，少數(shù)框柱出現(xiàn)輕微～輕度的損壞，大部分框柱保持無(wú)損壞；屋頂造型豎向構(gòu)件出現(xiàn)輕微～輕度損壞，設(shè)計(jì)中設(shè)置抗震加強(qiáng)措施。結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性反應(yīng)與破壞機(jī)制，與結(jié)構(gòu)抗震工程概念設(shè)計(jì)要求相符，滿(mǎn)足抗震性能C要求。

3.2 大震下弱連接處樓板損傷分析

本工程 Y 型三個(gè)單元交匯處中間附近樓板連接較薄弱，對(duì)于這種平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)，樓板需要承受與傳遞豎向荷載，還應(yīng)考慮水平荷載（地震作用及風(fēng)荷載）作用下樓板的受力情況，確保樓板能夠有效協(xié)調(diào)豎向構(gòu)件的變形。

針對(duì)本工程的弱連接處樓板，提出具體性能目標(biāo)：①小震、風(fēng)荷載組合下樓板不開(kāi)裂，板面板底主拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；②中震等效彈性計(jì)算下，樓板面內(nèi)受剪承載力彈性，面外正截面承載力不屈服；③大震等效彈性計(jì)算下，樓板面內(nèi)受剪承載力、面外正截面承載力均不屈服。

由于弱連接板處與剛性樓板的假定不符，故采用 YJK 軟件進(jìn)行樓板（彈性板）有限元分析了小震、中震等效彈性及大震等效下應(yīng)力驗(yàn)算，大部分樓板能滿(mǎn)足預(yù)設(shè)性能目標(biāo)要求，僅在局部剪力墻附近樓板出現(xiàn)應(yīng)力集中，可采用抗震加強(qiáng)措施處理。

根據(jù)小震及風(fēng)荷載組合計(jì)算和中震彈性計(jì)算的包絡(luò)設(shè)計(jì)配筋結(jié)果，采用 SAUSAGE 軟件補(bǔ)充分析了大震下樓板鋼筋的應(yīng)變水平及樓板剪切型拉伸損傷情況，結(jié)果顯示大震下樓板鋼筋未發(fā)生塑性應(yīng)變，剪力墻四周的局部樓板出現(xiàn)剪切拉伸損傷，但損傷程度較低，樓板整體依然保持比較好的完整性，能實(shí)現(xiàn)保證生命安全的需要[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，地震是一種破壞力極大的自然災(zāi)害形式，隨著我國(guó)建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能也提出了更高的要求。在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目情況進(jìn)行具體分析，明確抗震性能目標(biāo)，合理開(kāi)展抗震計(jì)算、設(shè)計(jì)工作，切實(shí)提升建筑整體抗震能力，保障人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全。