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)雜以及高強高性能材料的高層建筑。但是美國西海岸是一個地震頻繁的地區(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)，否則高度會被限制在240ft(約73m)；同時也限制了一些創(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)計進行了一系列的研究，并制定了相應(yīng)的設(shè)計指南。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)計方法和能力設(shè)計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)計方法作為規(guī)范的替代方法。這些指南和規(guī)定也進一步促進和發(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)計流程、性能目標(biāo)、設(shè)計參數(shù)，并結(jié)合ARUP美國部分項目及世界高層建筑與都市人居學(xué)會(CTBUH)制定的performance-basedseismicdesignfortallbuilding所提供的部分案例，對美國抗震性能化設(shè)計進行了進一步探討。

1 美國抗震性能化發(fā)展歷程

1.1 基于性能抗震設(shè)計時間線

自1960年加州工程師學(xué)會(SEAOC)首次頒布了藍皮書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)計在美國應(yīng)用技術(shù)委員會(ATC)研究和推動下，不斷更新完善?？拐鹦阅芑O(shè)計發(fā)展主要時間階段：

(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)計的概念及實施框架，包括從設(shè)計準(zhǔn)則的選擇和性能水平的定義到具體設(shè)計方法、步驟，把性能設(shè)計延伸到新建筑的設(shè)計。

(3)1996年以后，ATC-40報告首次將基于性能設(shè)計的抗震設(shè)計理論納入其中，并相繼出臺了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)計的計劃，由ATC編寫了新一代基于性能抗震設(shè)計指南。

(5)2006年美國土木工程師學(xué)會(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》(2017年版)。

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

(3)洛杉磯高層結(jié)構(gòu)委員會(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)計程序》[4]。

此外還有一些參考性的設(shè)計指南，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)計的流程和要求

2.1 美國抗震性能化設(shè)計對專業(yè)團隊要求

總體看，美國要求從事抗震性能化設(shè)計的結(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、動力彈塑性分析的知識和經(jīng)驗，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)選擇合適的計算軟件并根據(jù)計算軟件的力學(xué)原理，合理地將結(jié)構(gòu)原型簡化為符合計算軟件力學(xué)原理的計算模型，并根據(jù)力學(xué)概念將模型計算結(jié)果合理轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)計算所需要的內(nèi)力、變形等，用于結(jié)構(gòu)原型設(shè)計。例如TBI對采用抗震性能化設(shè)計方法的團隊和人員，有如下知識和經(jīng)驗的明文要求：1)地面地震動風(fēng)險評估能力；2)抗震結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的選擇能力；3)非線性動力結(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)計要求。LATBSDC還特別要求結(jié)構(gòu)工程師掌握能力設(shè)計的方法，熟悉不同材料和構(gòu)件的非線性特點以及對結(jié)構(gòu)損傷評估的能力。

2.2 美國抗震性能化設(shè)計對同業(yè)評審要求

由于抗震性能化設(shè)計是采用規(guī)范替代設(shè)計方法，加上高層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、獨特性，設(shè)計通常需要對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行高級分析；并且其設(shè)計復(fù)雜性在設(shè)計指南的編寫中亦無法完全預(yù)見，因此獨立同業(yè)評審是非常必要的。美國大多數(shù)建筑主管部門都會根據(jù)IBC或ASCE 7的替代方法條款，在審批的時候要求啟動獨立抗震同業(yè)評審(seismic peer review)。許多建筑主管部門通常還建議這個同業(yè)評審團隊由有經(jīng)驗的工程師和學(xué)術(shù)界專家組成,并且在建筑抗震設(shè)計或地震危險性評估方面具有豐富的經(jīng)驗。通常按照建筑法規(guī)，對于如下建筑一般會強制要求進行同業(yè)評審：1)建筑規(guī)范中定義的地震風(fēng)險評估為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)采用非線性時程分析、Pushover分析或漸進加載技術(shù)設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)。

2.3 美國抗震性能化設(shè)計各階段基本流程

在采用抗震性能化設(shè)計方法之前，需征得建筑主管部門的同意。設(shè)計單位基于抗震性能化設(shè)計所制定的設(shè)計準(zhǔn)則、方法和目標(biāo)，需要報當(dāng)?shù)刂鞴芙ㄖ块T批準(zhǔn),同時同業(yè)評審對結(jié)構(gòu)設(shè)計的這些方面進行獨立、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)計的基本性能目標(biāo)和準(zhǔn)則

3.1 地震風(fēng)險類別判定

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)險類別定義如下：1)辦公樓面積≤750 000平方尺，約75 000m2，風(fēng)險類別Ⅱ;2)辦公樓面積>750 000平方尺，約75 000m2，風(fēng)險類別Ⅲ;3)住宅、公寓人數(shù)≤5 000人，風(fēng)險類別Ⅱ。

風(fēng)險類別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；類似中國重點設(shè)防類別。

風(fēng)險類別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公共的裙房，一些建筑主管部門通常會按照裙房以上所有塔樓占用率人數(shù)確定地震風(fēng)險類別。如果塔樓和裙樓設(shè)有防震縫，每棟建筑都對地震震動作出獨立響應(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，對于大部分項目，都是可以按照風(fēng)險類別Ⅰ、Ⅱ類去制定性能目標(biāo)，對于風(fēng)險類別為Ⅲ、Ⅳ類的結(jié)構(gòu)，其相應(yīng)的性能水準(zhǔn)會比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)計一般按照兩階段、兩水準(zhǔn)設(shè)計方法進行抗震性能評估,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，因此很多文獻也將其翻譯成頻(常)遇地震。2)基于風(fēng)險目標(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)險類別定義這一水準(zhǔn)地震破壞概率，表1顯示不同風(fēng)險類別和破壞概率之間關(guān)系。

表1 不同風(fēng)險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)件也允許屈服進入輕微塑性(允許進行有限維修)。

(1)構(gòu)件承載力計算要求

根據(jù)能力設(shè)計原則，構(gòu)件承載力驗算主要根據(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)險類別Ⅰ、Ⅱ)、DCR≤ 1.2 (風(fēng)險類別Ⅲ)、DCR≤專門確定 (風(fēng)險類別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)采用三維動力彈塑性進行評估。該評估級別旨在證明：當(dāng)建筑物受到上述地震動作用時，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條時程波層間位移角平均值≤3.0%，最大值≤4.5%；2)11條時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(比如強剪)，其承載力不小于1.5倍11條時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條時程波最大值的平均值

4 美國抗震性能化設(shè)計主要原則和設(shè)計參數(shù)

4.1 美國抗震性能化設(shè)計的基本原則

(1)基于能力設(shè)計的原則，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)計還是按照變形設(shè)計。其中對于按照變形設(shè)計，需要考慮屈服的位置和非線性表現(xiàn)，控制其變形不會出現(xiàn)臨界強度衰減，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)計為具有足夠的強度，以可靠地保持基本彈性。

(2)為便于設(shè)計人員明確和掌握能力設(shè)計的原則，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)計的原則不是強調(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)計性能目標(biāo)；同時為避免其發(fā)生剪切脆性破壞，那么剪切模式就是一個力控制模式，通過這種性能化設(shè)計方法，達到“強剪弱彎”這種預(yù)期屈服機制。

4.2 場地地震安全性評價

所有需要采用抗震性能化設(shè)計的項目，均需要進行場地地震安全性評價。用于計算和確定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)動力特性，根據(jù)現(xiàn)場特定地震危險性概率分析(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)計主要的設(shè)計參數(shù)

美國抗震性能化設(shè)計規(guī)程如TBI、CTBUH等地方性能化設(shè)計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)計的具體特點應(yīng)調(diào)整阻尼比的大小。ATC 72-1[6]建筑實測數(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)計算的第x樓層最大位移/考慮固有扭轉(zhuǎn)計算的第x樓層最大位移。

4.3.3 地震時程波

目前設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是SLE工況下彈性分析采用3條時程波，非線性分析采用7條時程波，MCER工況下采用至少11條時程波。時程波作用在基礎(chǔ)筏板。對于Ⅱ類風(fēng)險建筑，應(yīng)允許有1條時程波可以不滿足設(shè)計要求；對于Ⅲ類風(fēng)險建筑，當(dāng)采用不少于20個時程波分析，則應(yīng)允許有一個不可接受的響應(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)計可以作為規(guī)范設(shè)計替代方法。其設(shè)計方法和要求與規(guī)范有不少區(qū)別，這點與中國抗震性能化設(shè)計作為規(guī)范設(shè)計的一個補充，有著明顯不同。對比了美國常用的設(shè)計規(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證要求。

5 美國抗震性能化設(shè)計案例簡介

5.1 案例綜述

如前文所述，美國的抗震性能化設(shè)計在不同項目上應(yīng)用，都需要事先與抗震同業(yè)評審專家組進行充分討論后制定，并報政府主管部門同意。因此項目不同，所采用性能化設(shè)計方法、目標(biāo)、設(shè)計參數(shù)也是各有不同，這點與中國目前所采用的“套餐”式的抗震性能化設(shè)計有很大不同。這進一步體現(xiàn)抗震性能化設(shè)計具有獨特的“針對性”，而不是千篇一律。

此外采用抗震性能化設(shè)計，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個案例，并參考我司一些項目的實踐經(jīng)驗，以供參考。

5.2 西雅圖市民廣場(Seattle Civic Square)

5.2.1 項目概況

西雅圖市民廣場項目為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)險類別被指定為Ⅲ類。使用LS-DYNA中的非線性時程分析(NLTHA)對結(jié)構(gòu)的性能進行了評估。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)計性能目標(biāo)和性能準(zhǔn)則

主要構(gòu)件按照能力設(shè)計原則分類如表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(隔震項目)[7]

5.3.1 項目概況

加州Wrapper Tower項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，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)計中采用了使用LATBSDC指南的性能基礎(chǔ)設(shè)計(PBD)，并使用LS-DYNA中的非線性時程分析(NLTHA)對塔的性能進行了評估。

5.3.2 設(shè)計性能目標(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)險等級Ⅱ，結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計采用兩水準(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MCER水平：50年內(nèi)的倒塌風(fēng)險調(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，性能水準(zhǔn)要求達到立即使用(IO)。為了達到這一性能水平，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)計團隊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)時程分析：選用9條時程波進行評估，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。在每一個設(shè)計迭代中共有63個獨立的時程分析。

每個單獨響應(yīng)參數(shù)(構(gòu)件力、位移等)的設(shè)計值基于一個“套件”中7個地震動中每個地震動的最大值的平均值。如果考慮多個套件，則在設(shè)計中使用最大平均值。

5.4 CTBUH案例

CTBUH制定的performance-basedsesimicdesignfortallbuilding2ndedition提供了四個性能化設(shè)計案例，限于篇幅，對案例1和3分別總結(jié)其性能化設(shè)計的要點，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低估壓縮應(yīng)變高達50%。因此，設(shè)計團隊和同業(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)變計算考慮同時放大1.5倍。

表5 美國高層建筑性能化設(shè)計案例總結(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)計標(biāo)準(zhǔn)介紹，并結(jié)合具體案例進一步說明在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震性能化設(shè)計的不同應(yīng)用。對比我國的抗震性能化設(shè)計，筆者認(rèn)為有如下特點可以供同行參考和借鑒：

(1)美國抗震性能化設(shè)計是作為一種規(guī)范替代設(shè)計方法，是不同于規(guī)范的一種設(shè)計方法。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)計所具有獨特的“針對性”。而中國抗震性能化設(shè)計是在滿足抗震規(guī)范的大框架和前提下進行性能提高的設(shè)計，基本上采用套餐模式，雖然項目差異很大，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)范的強制條文。

(3)按照能力設(shè)計原則，采用兩階段設(shè)計方法進行常遇地震(SLE)和罕遇地震(MCER)兩水準(zhǔn)評估，實現(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)計仍采用三階段、三水準(zhǔn)設(shè)計；而即將實行的CECS標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》則是采用兩階段、兩水準(zhǔn)設(shè)計。

(4)根據(jù)風(fēng)險類別，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)計準(zhǔn)則。風(fēng)險類別越高的結(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)計比較一致，即重點設(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，一般設(shè)計內(nèi)力可以采用1.5倍時程計算平均值。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)計中(大)震不屈服設(shè)計一般只針對關(guān)鍵構(gòu)件采用等效彈性反應(yīng)譜地震力進行復(fù)核，此外對于重點設(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。時程作用點一般從基礎(chǔ)底板施加?；炷两Y(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)險評估，確定常遇、罕遇地震作用和時程波，而不是采用規(guī)范反應(yīng)譜。時程波選取根據(jù)項目特點，無論是數(shù)量還是特征，都是和同業(yè)評審專家組進行充分討論后確定。

6.2 抗震性能化設(shè)計前景

目前美國抗震性能化設(shè)計已經(jīng)逐漸從人員安全、結(jié)構(gòu)不倒塌的性能目標(biāo)，發(fā)展到對人員財產(chǎn)損失、功能修復(fù)的所花費時間和金錢，進行定量評估，也制定了新一代抗震性能化標(biāo)準(zhǔn)FEMA P-58。同時美國也在制定地震性能評級系統(tǒng)和韌性設(shè)計指南，幫助確定增強的績效目標(biāo)滿足項目和業(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)件的性能會影響居住者的安全以及進行必要的維修的成本和時間以及事件發(fā)生后重新占用建筑物的時間。

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

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