基于性能的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析

陳超 周達(dá)威

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu);抗震設(shè)計(jì);性能目標(biāo);工程案例

1 引言

隨著城市的發(fā)展，為提高土地的使用效率，現(xiàn)代建筑越來(lái)越朝著超高層、大跨度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的方向發(fā)展，這也給建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)。而同時(shí)，地震對(duì)建筑的破壞往往會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡，為了在建筑結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的同時(shí)減少地震災(zāi)害，需要對(duì)建筑抗震設(shè)計(jì)理論方法有更多的科學(xué)研究。本文主要圍繞基于性能的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)展開(kāi)分析。

2 基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論的提出

現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理念和方法，經(jīng)歷了從一開(kāi)始的靜力法理論到目前基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論的一系列發(fā)展。從 20 世紀(jì)初，日本提出了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的靜力法的抗震設(shè)計(jì)思想。到 20 世紀(jì)中葉，美國(guó)學(xué)者提出了反應(yīng)譜法抗震設(shè)計(jì)方法，并在反應(yīng)譜法的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了“小震不破壞、中震可修、大震不倒塌”的設(shè)計(jì)思想。而后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，時(shí)程分析法也不斷得到更多的應(yīng)用。到了 20 世紀(jì) 90 年代及 21 世紀(jì)，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)一步的細(xì)化和個(gè)性化，產(chǎn)生了基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論（ Performance Based Seismic Design，即PBSD），使建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)步入了一個(gè)新的發(fā)展階段?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)的概念，主要按照建筑物重要性、用途或業(yè)主的要求明確抗震性能目標(biāo)，并提出不同的抗震設(shè)防等級(jí)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行定量的性能評(píng)價(jià)看其結(jié)構(gòu)是否能達(dá)到性能指標(biāo)要求，使結(jié)構(gòu)在以后的地震中具備設(shè)計(jì)目標(biāo)所希望達(dá)到的功能。所以，基于性能的抗震設(shè)計(jì)，其實(shí)質(zhì)是一種對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能實(shí)行定制化設(shè)計(jì)的抗震設(shè)計(jì)理論方法，強(qiáng)調(diào)性能控制與資源最優(yōu)化的設(shè)計(jì)觀念，本文主要圍繞此展開(kāi)詳細(xì)分析。

3 基于性能的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法與基本流程

3.1設(shè)計(jì)方法

基于性能的抗震設(shè)計(jì)時(shí)，各類建筑結(jié)構(gòu)所需要的抗震性能目標(biāo)往往不同，需要控制各類因素，對(duì)各類結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)參數(shù)的控制要求往往因建筑抗震需求的不同而不同。例如有些結(jié)構(gòu)以承載力指標(biāo)控制為主，有些則以位移指標(biāo)控制為主。目前，基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法包括基于承載力、能量、位移、可靠度分析以及損傷等幾種。

3.2設(shè)計(jì)基本流程

基于性能的抗震設(shè)計(jì)，總體流程大致包括性能目標(biāo)的設(shè)定，設(shè)計(jì)方案的選擇、論證、評(píng)價(jià)等，流程如圖1所示。

4.1工程概況

本工程為住宅項(xiàng)目，項(xiàng)目總用地面積105566.0m2，本期用地面積17152.95m2，總建筑面積62059.42m2，地下建筑面積16026.54m2。本工程由2#、7#、12#、S3#配電房、地庫(kù)組成。2號(hào)樓為29層單元式住宅，7號(hào)樓為34層單元式住宅，12號(hào)樓為31層單元式住宅，S3#配電房（5.200m）為一層框架結(jié)構(gòu)，地下室共一層，地下一層為機(jī)動(dòng)車庫(kù)、非機(jī)動(dòng)車庫(kù)、設(shè)備用房。2#、7#、12#樓建筑最大高度為98.600m，是一個(gè)A級(jí)高度鋼筋混凝土高層剪力墻建筑。

4.2抗震性能分析與設(shè)計(jì)措施

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì) [2015]67 號(hào)）的規(guī)定，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)高度、一般不規(guī)則性、特別不規(guī)則抗震超限檢查。綜合三項(xiàng)超限檢查結(jié)果，本工程存在 1 項(xiàng)一般不規(guī)則性，無(wú)特別不規(guī)則，根據(jù) GB50010-2010 第 3.4.1 條，屬于比較規(guī)則的 A 級(jí)高度不超限高層建筑。針對(duì)本工程，依據(jù) GB 50011-2010 和 JGJ 3-2010，主要采取如下分析與設(shè)計(jì)措施：

（1）參照 GB 50011-2010 第 5.1.2 條，采用時(shí)程分析法對(duì)多遇地震下進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。時(shí)程分析法時(shí)，按照建筑場(chǎng)地類別選擇 2 組實(shí)際強(qiáng)震記錄、 1 組人工模擬加速度時(shí)程曲線，要求所選的時(shí)程曲線平均地震影響系數(shù)曲線、振型分解反應(yīng)譜法采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符;彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)底部剪力應(yīng)超過(guò)振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果 65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值超過(guò)振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果 80%。樓層地震剪力取時(shí)程計(jì)算得到的最大值和振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，確保各個(gè)構(gòu)件滿足多遇地震彈性要求。

（2）選用 PKPM 軟件開(kāi)展罕遇地震靜力彈塑性時(shí)程分析，檢查構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)的損傷情況，針對(duì)重要、薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng);關(guān)鍵構(gòu)件平面布置與編號(hào)如圖2所示。

4.3設(shè)計(jì)加強(qiáng)措施與論證結(jié)論

首先采用 SATWE 補(bǔ)充開(kāi)展多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析，所選擇的 3 組地震波滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取用時(shí)程分析最大值與振型分解反應(yīng)譜法的結(jié)果實(shí)施包絡(luò)設(shè)計(jì)，保證各構(gòu)件滿足多遇地震彈性要求。然后采用 PKPM 軟件進(jìn)行罕遇地震靜力彈塑性時(shí)程分析，檢查構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)的損傷情況。結(jié)合大震工況下性能點(diǎn)步驟時(shí)結(jié)構(gòu)整體損傷情況，對(duì)底部加強(qiáng)區(qū)損傷嚴(yán)重的山墻、樓梯間端部的剪力墻，適當(dāng)?shù)奶岣邏w的水平和豎向的配筋率，加強(qiáng)墻體的抗拉和抗剪承載力。

本工程底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻局部存在錯(cuò)位，錯(cuò)位部位上下層的剪力墻 Q7a 和 Q7 的抗震等級(jí)提高一級(jí)后至一級(jí)，剪力墻 Q7a 和 Q7 兩端端柱和連接剪力墻 Q7a 和 Q7 的框支梁的抗震等級(jí)提高一級(jí)后至一級(jí)。同時(shí)相關(guān)區(qū)域的樓板板厚加強(qiáng)至200，實(shí)際計(jì)算時(shí)按照彈性膜考慮，最小配筋率按照雙層雙向 0.25% 控制。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，近年來(lái)基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論方法被越來(lái)越廣泛的研究和應(yīng)用。近些年來(lái)的工程實(shí)踐已積累一定經(jīng)驗(yàn)，本工程結(jié)構(gòu)分析模型準(zhǔn)確，參數(shù)選擇符合規(guī)范要求、工程現(xiàn)場(chǎng)條件;根據(jù)分析結(jié)果，針對(duì)性進(jìn)行局部加強(qiáng)、對(duì)錯(cuò)位處的框梁進(jìn)行有限元分析，確保抗震性能滿足規(guī)范要求，且承載、變形能力均存在一定富余。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭亮，張強(qiáng)強(qiáng).對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗震設(shè)計(jì)的研究[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，2018，45（03）：31-32.

[2]李子懿，肖從真，李建輝，李愛(ài)群，陸宜倩.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法研究現(xiàn)狀與展望[J].建筑科學(xué)，2019，35（09）：120-125.

[3]肖從真，王翠坤，黃小坤.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法及結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新[J].建筑科學(xué)，2018，34（09）：33-41.

[4]張毅鵬.超限高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的研究[J].四川建材，2017，43（11）：91-92.

[5]汪大綏，安東亞，崔家春.動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果用于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題[J].建筑結(jié)構(gòu)，2017，47（12）：1-10.

作者簡(jiǎn)介：陳超（1990-），男，湖南郴州人，工程師，碩士研究生，工作方向：巖土工程、結(jié)構(gòu)工程。