高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計分析

1、<p>　　高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計分析</p><p>　　摘要：基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論是一種概念性的設(shè)計方式，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)計中。同時基于性能的抗震設(shè)計還具有經(jīng)濟性特征，設(shè)計中將性能目標(biāo)和經(jīng)濟合理性結(jié)合起來，以此完成對結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：性能特性抗震設(shè)計抗震設(shè)防防震目標(biāo) </p

2、><p>　　一、基于性能特性研究的抗震設(shè)計理論概述 </p><p>　　1、基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計含義 </p><p>　　采用合理的抗震性能目標(biāo)和適應(yīng)性結(jié)構(gòu)抗震措施進行設(shè)計，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，通過對工程項目進行生命周期的費用效率分析，選擇并確定一種安全可靠且符合經(jīng)濟合理化的優(yōu)化平衡

3、。從簡單的含義上看，就是利用性能標(biāo)準(zhǔn)選擇結(jié)構(gòu)措施，并使之符合使用標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟標(biāo)準(zhǔn)。 </p><p>　　2、基于性能的抗震理論特征 </p><p>　　基于性能的抗震設(shè)計理論實際上是一種在對地震災(zāi)害分析和對現(xiàn)行的抗震設(shè)計理論的反思的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，此理論的設(shè)計理念和方法與傳統(tǒng)的設(shè)計不同，但是其設(shè)計的依據(jù)卻蘊含來了現(xiàn)有的設(shè)計理論和經(jīng)驗，具體的特征如下： </p><p&g

4、t;　　1）支持采用多級設(shè)防的目標(biāo)，基于性能抗震設(shè)計理論提出了多級目標(biāo)設(shè)計的理念，此種分級 方式即考慮到了生命安全也從經(jīng)濟性上考慮，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，將經(jīng)濟效益的機制引入到了設(shè)計中，利用經(jīng)濟決策方式通過進行費用效率分析，在可靠和經(jīng)濟之間需求平衡，以確定最佳的抗震方案，達到優(yōu)化設(shè)計的目的。 </p><p>　　2）擴展空間，體現(xiàn)設(shè)計

5、的個性化。設(shè)計人員就可以在此性能目標(biāo)的基礎(chǔ)上選擇設(shè)計方法，采用相應(yīng)的構(gòu)造措施，而此種設(shè)計更加的靈活，對調(diào)的設(shè)計積極性和新材料、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。 </p><p>　　3）設(shè)計方法多元化。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)計轉(zhuǎn)變?yōu)橐?/p>

6、形變?yōu)榛A(chǔ)的設(shè)計，從彈性設(shè)計的方法轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄缘脑O(shè)計方法，解決了傳統(tǒng)設(shè)計理論上的缺憾，盡可能的是的建筑結(jié)構(gòu)的預(yù)期功能和實際地震中起到的功能相一致，以保證設(shè)計的有效性。 </p><p>　　二、基于性能的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容 </p><p>　　1、地震設(shè)防的水準(zhǔn)設(shè)定 </p><p>　　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)

7、會曾提出，基于結(jié)構(gòu)性設(shè)計理論追求能控制結(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)。結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重威脅生命安全，雖然損傷但沒有倒塌，經(jīng)濟上的損失已經(jīng)超過了業(yè)主可以接受的最大上限。 </p><p>　　2、結(jié)構(gòu)抗震的性能目標(biāo)設(shè)定 </p><p>　　從地震設(shè)防的角度看，規(guī)范提出的抗震目標(biāo)實際上是最低的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，而結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計則是根據(jù)業(yè)主需求

8、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，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)計的重要參數(shù)依據(jù)。 </p><p>　　3、基于性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計實施 </p><p>　　此項內(nèi)容就是要求將結(jié)構(gòu)的性能要求轉(zhuǎn)化為合理的性能參數(shù)以此形成具體的指導(dǎo)設(shè)計的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。為了達到這一目標(biāo)，需要配合合理的處理和分析方法，將前面

9、的目標(biāo)轉(zhuǎn)化為與性能指標(biāo)相關(guān)量化數(shù)據(jù)，使之作為指導(dǎo)設(shè)計的具體指標(biāo)。 </p><p>　　三、高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計 </p><p>　　按照前面的理論分析的思路，下面就某個高層項目的性能抗震設(shè)計的過程進行例舉闡述，以說明在高層建筑中實施性能抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的流程和措施。 </p><p><b>　　1、工程基本情況 </b></p

10、><p>　　某城市的高層建筑，按照建筑的整體設(shè)計要求，工程項目地下結(jié)構(gòu)為三層，地上為三層裙樓，主要塔樓設(shè)計為45層，從工程的高度超過了150m。項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。 </p><p>　　2、對結(jié)構(gòu)性能的目標(biāo)選擇 </p><p>

11、;　　通過對工程具體情況的分析，設(shè)計人員通過對工程的具體情況的把握，并與業(yè)主方進行了溝通，取得了一致意見，整體結(jié)構(gòu)在震中出現(xiàn)的逐級的損壞，即整體結(jié)構(gòu)都會出現(xiàn)不同程度的損壞，而大部分為輕微，部分出現(xiàn)中等損壞構(gòu)件進入到屈服階段，出現(xiàn)裂縫，整個樓體的安全性降低，結(jié)構(gòu)需要進行安全性的支護方可允許人員進出，如果恢復(fù)使用將需要進行大面積維修。 </p><p>　　3、性能目標(biāo)的實現(xiàn)措施 </p><p&

12、gt;<b>　　1）小震目標(biāo) </b></p><p>　　工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，設(shè)計人員通常采用的是計算機輔助設(shè)計，即利用軟件將性能目標(biāo)和實際的結(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算方法，利用三維建模的方式進行模擬分析，如表1所示，為具體的計算后的結(jié)構(gòu)參數(shù)。同時在具體的模型仿真對比中，估算其經(jīng)濟指標(biāo)，使之滿足業(yè)

13、主的經(jīng)濟效益。表格中各種參數(shù)都達到比超過出了國標(biāo)的要求。 </p><p>　　2）中等地震的目標(biāo)實現(xiàn) </p><p>　　結(jié)合前面的設(shè)計參數(shù)，對中等地震中所要達成的目標(biāo)進行細化，并在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對某些參數(shù)進行修正，使之到達設(shè)計的目標(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)，此時的重點就是通過結(jié)構(gòu)的合理

14、設(shè)計保護重點結(jié)構(gòu)的安全，即舍棄某些結(jié)構(gòu)件的完整，而保護主體框梁的安全。在此設(shè)計的思路上對整個設(shè)計的參數(shù)進行細部調(diào)整。對抗震承載力系數(shù)進行調(diào)整等，通過這些措施結(jié)構(gòu)的初步設(shè)定參數(shù)得到必要的調(diào)整，使的滿足小震目標(biāo)的某些參數(shù)提升達到中等地震的設(shè)防目標(biāo)。 </p><p>　　3）大震情況的目標(biāo)實現(xiàn) </p><p>　　在設(shè)計中，與中震目標(biāo)實現(xiàn)相似，在利用軟件進行分析和比對的時候，將其設(shè)定的范圍進

15、一步擴大，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)進行調(diào)整，使之達到：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；在水平應(yīng)力的作用下底部的剪力墻再進入塑性變形，以此保證剪力墻為建筑的“脆弱”部位，消除地震的某些應(yīng)力效應(yīng)，而保證框架結(jié)構(gòu)的安全，使之始終不能達到塑性階段。這樣將就可以是結(jié)構(gòu)在大震中只出現(xiàn)剪力墻的損壞，而保證主體框架的安全，最終

16、達到大震下的性能目標(biāo)。 </p><p>　　四、構(gòu)造設(shè)計的措施 </p><p>　　所以該項目中對剪力墻的設(shè)計采取了一些控制措施，如：剪力墻加強范圍進行了適當(dāng)?shù)臄U大，向下和向上進行了必要的拓展，在地下一和地上一層的范圍內(nèi)進行了剪力墻的增強，主要是增加了約束構(gòu)件，控制其形變范圍。邊緣約束構(gòu)件設(shè)計使得箍筋范圍符合國標(biāo)要求，并增加了縱筋的配筋率，同時對剪力墻的控制達到其剪應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)件的長度

17、為剪力墻的25%，在強化區(qū)域采用箍筋和型鋼進行加固處理。 </p><p><b>　　結(jié)束語： </b></p><p>　　總之，在性能設(shè)計中核心的思路就是按照建筑的實際情況和客戶需求，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)濟性指標(biāo)是項目達到安全和經(jīng)濟的雙贏。 </p>

18、<p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]李愛群，高振世.工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007. </p><p>　　[2]李國強，李杰，蘇小卒.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008. </p><p>　　[3]葉先磊，史亞杰.ANSYS工程分析軟件應(yīng)用實例[M