基于性能的高層建筑結構抗震設計分析

文/ 譚子豪 湖南省建筑設計院有限公司 湖南長沙 410000

曾洪超 湖南城市學院規劃建筑設計研究院 湖南長沙 410000

1、引言

隨著我國經濟水平的不斷提高以及城市化進程的不斷推進，我國的建筑行業不斷發展，高層建筑的應用也越來越廣泛。但是，在高層建筑的設計與施工過程中依舊存在著問題，高層建筑的質量還有待進一步提高。基于性能的抗震設計借助相關的理論知識，根據不同的設計需要以及抗震水準，通過劃定不同的抗震等級給出合理的高層建筑結構設計方案，這在一定程度上能夠提升高層建筑的整體質量，保障建筑的安全性，因此具有重要的意義。下面通過對基于性能的高層建筑結構抗震設計的理論與內容進行分析，對其設計提出具有借鑒意義的措施。

2、基于性能特性研究的抗震設計理論概述

2.1 基于性能的結構抗震設計含義

基于性能的結構抗震設計最早由美國的權威組織提出，它把結構抗震的性能分析作為理論基礎，按照性能分析結果將其劃分為不同的等級，設計者再根據實際使用者的設計要求以及環境評估等綜合因素對其抗震性能的目標與抗震措施進行合理設計。另一方面，還需要進行工程項目生命周期的費用效率計算，在幾種可行性方案中挑選出最經濟的方案。總的說來，就是在進行性能分析既需要滿足抗震水準，還需要達到經濟效益最大化的目的。

2.2 基于性能的抗震理論特征

基于性能的結構抗震設計是在對傳統的抗震設計的痛點進行分析后形成的，因此，相較于傳統的設計具有如下特點：

（1）設計更具個性化。由于傳統的設計是按照成文的設計規范進行抗震設計，因此設計方案千篇一律，沒有獨特之處，其適用性較差。因為設計規范是根據平均水平制定的一份行業規范，而實際所面臨的要求以及抗震水準都不同，所以設計的整體效益較差。而通過基于性能的結構抗震設計，是在和實際使用者進行充分的交流溝通后，對使用者提出的要求融合后完成設計，因此更具個性化，其經濟效益較好，靈活程度更高。

（2）多級目標設計。在傳統的抗震設計中主要按照能在所有地震中屹立不倒的原則進行設計，這種設計在一些地震發生可能性較小的地區就會花費較大的成本，經濟效益較差。但是基于性能的結構抗震設計通過設立多級目標，不僅達到了抗震的目的，而且兼顧了經濟收益。多級目標主要是根據地震的強度進行目標制定，對于一些小型地震，要求高層建筑能夠達到不壞的標準；在中型地震中，要求高層建筑能夠達到受到影響小，不用維修的標準；而在大型地震中，則要求高層建筑能夠屹立不倒，保障使用者的人身安全的目的。因此，基于性能的結構抗震設計在綜合考量安全性與經濟性的前提下提出最優方案。

（3）多元的設計方法。基于性能的結構抗震設計方法相較于傳統方法更多元化。眾所周知，傳統的抗震設計主要根據力學的理論進行彈性設計，而基于性能的結構抗震設計則從形變的角度出發考慮問題，對其進行彈塑性設計，設計方法的發散性更強，且最終建成的高層建筑與實際震中的抗震能力更相匹配，科學性更高。

3、基于性能的抗震結構設計的目標

為了保障設計的科學性與合理性，需要對一些結構參數進行科學準確得計算。目前主要應用到的建模軟件有PKPM SATWE和ETABS，這兩個軟件主要應用于小型地震強度下的計算。在中型地震強度下，需要進一步計算其應力與承載力。而在罕遇大型地震中，則需要借助MIDAS軟件進行動力彈塑性推覆分析。根據不同的地震水準，其參數以及檢驗項目也不同。其主要的計算控制指標目標如下表1所示：

以小型地震強度下的計算指標為例，對SATWE軟件應用下的計算結果的分析如下表2所示：（其中計算建筑的結構為地下三層，地上裙樓3層外加塔樓45層，設計使用年限為五十年，建筑整體鋼筋混凝土結構為II級，抗震防設為7。）

表2 SATWE軟件計算下的結果分析

綜上所述，高層建筑的結構需要滿足周期、層內與層間位移、剛重比、剛度、剪重比以及承擔彎矩等規范要求，在不同水準下進行相關性能分析后按照水準目標對薄弱部位進行加固，以期達到最優的抗震目標。其性能目標如下圖1所示：

圖1 性能目標

4、高層建筑結構基于性能的抗震設計

在基于性能的結構抗震設計中，最為主要的就是對一些性能參數的線性與非線性計算，通過對這些計算結果的分析，才能制定有效的設計方案。

4.1 小震目標下的抗震設計

在高層建筑基于性能的結構抗震設計中，主要借助PKPM SATWE和ETABS兩個軟件來獲取一些對工程設計具有指導與借鑒意義的參數。在計算中主要遵循高層建筑結構的空間有限元分析原則，通過三維建模，獲取較為準確的參數，為之后的設計提供更有意義的參數。

4.2 中震目標下的抗震設計

中震目標在一定程度上可以借助小震目標下的參數，但是由于地震強度變大，因此需要對這些參數進行細化與修正。由于目前技術水平的限制，在中震強度下，建筑結構或多或少會受到一定程度的損傷，因此，主要需要對主體結構進行加固，必要時可以舍棄一些部件的完整性以保全主體框梁的結構完整。

4.3 強震目標下的抗震設計

在強震目標下，參數設定的范圍應當進一步擴大，此外，需要借助MIDAS軟件進行動力彈塑性推覆分析，模擬在罕見的高強度地震的影響下結構所產生的應力改變和相互作用。簡單的來說，就是需要將結構所產生的X向和Y向位移設定到最大值，通過對結構參數的不斷調整，直至結構不扭轉情況出現才停止，以保證在強震情況下高層建筑能夠屹立不倒，保證使用者的人身安全。

4.4 超限處理的主要措施

超限處理的主要措施是對結構的一些強度較低的部位進行加固處理，其可以采取的形式包括降低一些邊緣結構的剪壓比以及軸壓比，提高這些部位構件的配筋率，增加樓板的厚度，提升這些構件的材質強度，提升邊緣區域剪力墻的抗拉抗剪能力以及采用鋼筋雙層雙向貫通配筋構造等。通過薄弱部位的加強，進一步提升高層建筑的抗震性能。

結語：

隨著城市化進程的不斷推進，高層建筑的應用越來越廣泛。但是，我國一些地區處于大陸板塊的交界處，地震發生的概率較大，且地震的發生具有隨機性與不確定性。因此，高層建筑基于性能的結構抗震設計對于高層建筑的穩定性與安全性具有重要作用。綜合上述分析，我們應該實際抗震水準，借助現在的一些科技，對高層建筑的一些性能參數進行分析，按照這些參數指標，設計出較為合理的建筑方案。這對于保障使用者的生命財產安全，取得較大的經濟社會效益具有重要作用。這種設計方式可以幫助高層建筑的質量進一步提高，進而推動建筑行業的發展。