基于性能的鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

摘要：基于性能的抗震設(shè)計(jì)是目前備受關(guān)注的國(guó)際先進(jìn)抗震思想，其立足于結(jié)構(gòu)整體性能的綜合考慮，靈活性較強(qiáng)，在超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。本文首先分析了基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念，明確了其先進(jìn)性，其后具體探討了基于性能的鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法，最后就某超限鋼筋混凝土建筑展開(kāi)具體分析，以期為類(lèi)似工程項(xiàng)目提供參考。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；性能設(shè)計(jì)；抗震設(shè)計(jì)；工程實(shí)例

1、引言

地震作為一種嚴(yán)重自然災(zāi)害，一旦發(fā)生極易導(dǎo)致建筑物等破壞，引發(fā)人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐總結(jié)分析可知，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的抗震設(shè)計(jì)能最大限度地減輕地震所造成的損失，本文僅以基于性能的抗震設(shè)計(jì)為研究對(duì)象展開(kāi)具體論述。

2、基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念

基于性能的抗震設(shè)計(jì)（Performan Based Seismic Design，PBSD）最早由美國(guó)學(xué)者提出，1996年，我國(guó)學(xué)者在中美抗震規(guī)范學(xué)術(shù)討論會(huì)上就基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了交流，并開(kāi)始立項(xiàng)研究。

從某種意義上講，我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-1989）提出的“三水準(zhǔn)兩階段”抗震設(shè)計(jì)理論，已經(jīng)包含了某些基于性能的設(shè)計(jì)思想，只是尚未形成一套完整的體系，相關(guān)性能指標(biāo)、性能水準(zhǔn)等指標(biāo)在后期的規(guī)范修改中逐漸得以體現(xiàn)：

（1）GB50011-2001在1989版本的基礎(chǔ)上對(duì)抗震設(shè)計(jì)一些條款進(jìn)行了量化和增補(bǔ)，如不同結(jié)構(gòu)體系位移角限值，建筑平立面不規(guī)則形規(guī)定也直接給出了量化等；

（2）GB50011-2010在2001版本的基礎(chǔ)上，直接增加了建筑性能化設(shè)計(jì)性能水準(zhǔn)、性能目標(biāo)等，根據(jù)PBSD思想，將建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件按照不同部位給出宏觀破壞狀態(tài)的描述，附錄M.1、M.2詳細(xì)給出了建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及建筑設(shè)備支座抗震性能宏觀指標(biāo)，層間位移指標(biāo)。

綜上我國(guó)抗震規(guī)范的演變充分展示了基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論基本框架的逐步完善，為我國(guó)越來(lái)越多復(fù)雜超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要參考。

3、基于性能的鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

3.1設(shè)計(jì)基本步驟

基于性能的鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)步驟如下圖1所示，可歸納為性能目標(biāo)設(shè)定和設(shè)計(jì)方案選擇、論證、評(píng)價(jià)幾大部分。

3.2設(shè)計(jì)工作內(nèi)容

結(jié)合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2010）》（下稱(chēng)“高規(guī)”）與相關(guān)工程時(shí)間，可將結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)工作內(nèi)容歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）分析結(jié)構(gòu)超過(guò)規(guī)范使用范圍、不規(guī)則性情況與程度；

（2）認(rèn)定場(chǎng)地條件、抗震設(shè)防類(lèi)別、地震動(dòng)參數(shù)；

（3）開(kāi)展彈性和彈塑性計(jì)算分析，判斷計(jì)算結(jié)果合理性；

（4）找出結(jié)構(gòu)可能的薄弱部位、需加強(qiáng)的關(guān)鍵部位，制定抗震加強(qiáng)措施；

（5）必要時(shí)開(kāi)展構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)或整體模型抗震試驗(yàn)，補(bǔ)充提供論證依據(jù)；

（6）論證結(jié)構(gòu)能滿(mǎn)足所選用的抗震性能目標(biāo)的要求。

4、實(shí)例探析

4.1工程概況

本工程為某超高層建筑，商住兩用樓，地上48層、地下5層，高度156m，占地面積11062m2，總建筑面積138063m2。此建筑地下5層～地上3層為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，分別為車(chē)庫(kù)、商場(chǎng)、會(huì)所；4層為轉(zhuǎn)換層；5～48層為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，均為住宅，為最大限度的利用臨江優(yōu)勢(shì)， 沿江部分轉(zhuǎn)換層以上剪力墻均為 45°斜向正交布置，增加江景房數(shù)量。根據(jù)“高規(guī)”，此建筑為復(fù)雜超限建筑，存在高度超限、豎向/平面不規(guī)則等諸多特點(diǎn)。

4.2結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)

根據(jù)本工程特點(diǎn)與業(yè)主要求，參考向規(guī)范確定結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)如下表1所示。

4.3地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能分析

本工程抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值 0.1g， 設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類(lèi)別II類(lèi)。時(shí)程分析選用 7條地震波：一是安評(píng)報(bào)告提供的 3條單向場(chǎng)地波（GM1～GM3）；二是特征周期為0.65s、0.35s、0.35s、0.40s的天然三向波（GM4～GM6）。

4.3.1多遇地震作用

采用SATWE、ETABS8.50中文版計(jì)算，周期乘以0.95折減系數(shù)以考慮非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)剛度的影響，具體結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)表2分析可知，兩大軟件計(jì)算結(jié)果接近，整體結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范要求、遇地震作用下的抗震性能要求。

4.3.2設(shè)防烈度地震作用

采用SATWE計(jì)算，考慮混凝土開(kāi)裂剛度退化，彈性模量折減15%、周期乘以1.1增大系數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在設(shè)防烈度地震作用下，結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)，相應(yīng)的阻尼增大、結(jié)構(gòu)剛度減弱，主塔體結(jié)構(gòu)基本滿(mǎn)足抗震性能要求。

4.3.3罕遇地震作用

采用E PDA進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，7條地震波分別以0°、90°為主方向開(kāi)展三向彈塑性時(shí)程分析，基于本工程45°斜向正交布置的剪力墻結(jié)構(gòu)，選取GM1、GM4以45°、135°為主方向進(jìn)行分析，作為補(bǔ)充驗(yàn)算。據(jù)計(jì)算，結(jié)構(gòu)在45°、135°的地震作用相應(yīng)較0°、90°偏小，因此本工程以0°、90°為主要分析方向，結(jié)果均滿(mǎn)足抗震性能目標(biāo)要求。

4.3.4主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能

本工程主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下內(nèi)力分析顯示，所有構(gòu)件均滿(mǎn)足規(guī)范要求和設(shè)定的性能目標(biāo)。

5、結(jié)語(yǔ)

綜上，抗震性能設(shè)計(jì)是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要方法，其可針對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)或是某一部位/構(gòu)件制定抗震性能目標(biāo)，具有較強(qiáng)的靈活性與針對(duì)性。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需根據(jù)相關(guān)規(guī)范與建筑特點(diǎn)、業(yè)主要求等，合理確定結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)，全面開(kāi)展彈性和彈塑性計(jì)算分析，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)整體、構(gòu)件是否滿(mǎn)足性能目標(biāo)，切實(shí)保證結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)。

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作者簡(jiǎn)介：

賈文沛，湖南省建筑科學(xué)研究院，男，1983年，工程師，碩士研究生，工作方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。