淺析高層建筑抗震性能化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（南通職業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226007）

1 抗震性能化設(shè)計(jì)

1.1 基本概念

所謂的建筑抗震性能化設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括兩個(gè)方面:一是確定抗震性能目標(biāo)，二是采取適宜的計(jì)算和抗震措施。[1]～[3]

對(duì)于抗震設(shè)防目標(biāo)，抗震性能化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)高于或等于規(guī)范的基本抗震性能目標(biāo)。建筑抗震性能化設(shè)計(jì)屬于抗震概念設(shè)計(jì)。

對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，如復(fù)雜結(jié)構(gòu)、超限建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，抗震性能化設(shè)計(jì)是基本而有效的方法。通過(guò)計(jì)算及構(gòu)造等抗震性能化設(shè)計(jì)手段，采用包絡(luò)設(shè)計(jì)的方法解決工程設(shè)計(jì)中的復(fù)雜技術(shù)問(wèn)題是抗震性能化設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。[1]～[3]

1.2 設(shè)計(jì)思路

“高延性，低彈性承載力”或“低延性，高彈性承載力”是抗震性能設(shè)計(jì)的基本思路。

提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，可以通過(guò)提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震承載力和變形能力實(shí)現(xiàn)。由于受到現(xiàn)在地震研究現(xiàn)狀限制，無(wú)法單獨(dú)提高抗震承載力，而應(yīng)該是通過(guò)提高結(jié)構(gòu)整體或構(gòu)件的變形能力同時(shí)提高抗震承載力的方式實(shí)現(xiàn)抗震性能的提高。[1]～[3]

1.3 構(gòu)件調(diào)整

抗震性能化設(shè)計(jì)時(shí)主要是設(shè)計(jì)豎向抗側(cè)力構(gòu)件，根據(jù)抗震性能要求調(diào)整放大豎向構(gòu)件的內(nèi)力，與之相連的水平構(gòu)件如框架梁、連梁等一般不調(diào)，以更有利于實(shí)現(xiàn)抗震性能目標(biāo)。

抗震性能化設(shè)計(jì)第一步，要正確區(qū)分構(gòu)件類(lèi)型，即構(gòu)件屬于關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件還是耗能構(gòu)件。其中，普通豎向構(gòu)件即“關(guān)鍵構(gòu)件”之外的豎向構(gòu)件；耗能構(gòu)件即框架梁、剪力墻連梁及耗能支撐。

筆者根據(jù)設(shè)計(jì)專(zhuān)家的建議，將關(guān)鍵構(gòu)件類(lèi)型總結(jié)如下，以便設(shè)計(jì)時(shí)參考。

關(guān)鍵構(gòu)件：[2]

（1）底部加強(qiáng)部位的重要豎向構(gòu)件(底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻、框架柱)

（2）水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件及與其相連豎向支承構(gòu)件(轉(zhuǎn)換梁、框支柱)

（3）大跨連體結(jié)構(gòu)的連接體及與其相連的的豎向支承構(gòu)件

（4）大懸挑結(jié)構(gòu)的主要懸挑構(gòu)件

（5）加強(qiáng)層伸臂和周邊環(huán)帶結(jié)構(gòu)的豎向支承構(gòu)件

（6）承托上部多個(gè)樓層框架柱的腰桁架

（7）長(zhǎng)短柱在同一樓層內(nèi)數(shù)量相當(dāng)時(shí)該層各個(gè)長(zhǎng)短柱

（8）扭轉(zhuǎn)變形很大部位的豎向(斜向)構(gòu)件

（9）重要的斜撐構(gòu)件

2 中震彈性與中震不屈服設(shè)計(jì)

我國(guó)目前的抗震設(shè)計(jì)是以小震為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的，對(duì)于中震設(shè)計(jì)的內(nèi)容僅在抗震規(guī)范總則中提到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，并通過(guò)地震力的調(diào)整系數(shù)和各種抗震構(gòu)造措施來(lái)保證中震和大震的抗震性能。[4]～[7]

目前，對(duì)于結(jié)構(gòu)的中震設(shè)計(jì)有兩種方法即“中震彈性設(shè)計(jì)”和“中震不屈服設(shè)計(jì)”，設(shè)計(jì)基本原理如公式（1）至公式（5）所示。[1]～[3]

對(duì)于大震主要通過(guò)提高結(jié)構(gòu)的變形能力，來(lái)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，并適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力，推遲結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性工作階段以減少?gòu)椝苄宰冃危虼耍拐鹦阅茉O(shè)計(jì)中不提出過(guò)高的抗震承載力要求。

2.1 中震彈性設(shè)計(jì)

中震彈性設(shè)計(jì)：[2]

公式中：Rd、γRE為構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值、承載力抗震調(diào)整系數(shù)；γG、SGE、γEh、γEv分別為重力荷載分項(xiàng)系數(shù)、重力荷載代表值的效應(yīng)、水平地震作用分項(xiàng)系數(shù)、豎向地震作用分項(xiàng)系數(shù)；SE*hk、SE*vk分別為不考慮與抗震等級(jí)有關(guān)的增大系數(shù)的水平、豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的構(gòu)件內(nèi)力。

2.2 中震不屈服設(shè)計(jì)

中震不屈服設(shè)計(jì)，如公式（2）、（3）所示：[2]

中震不屈服設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮分項(xiàng)系數(shù)、地震作用調(diào)整系數(shù)以及與抗震等級(jí)有關(guān)的增大系數(shù)。

2.3 截面剪壓比計(jì)算[2]

VGE重力荷載代表值作用下的構(gòu)件剪力；

地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的構(gòu)件剪力，不需考慮與抗震等級(jí)有關(guān)的增大系數(shù)；

fck、fak、fspk分別為混凝土軸心拉壓、剪力墻端部暗柱中型鋼、剪力墻內(nèi)鋼板的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

Aa、Asp剪力墻端部暗柱中型鋼、剪力墻內(nèi)鋼板的截面面積。

2.4 中震彈性設(shè)計(jì)和中震不屈服設(shè)計(jì)內(nèi)涵

（1） 中震彈性設(shè)計(jì)[4]～[7]

1）不考慮風(fēng)荷載參與地震組合

2）不考慮與抗震等級(jí)有關(guān)的增大系數(shù)，即內(nèi)力調(diào)整系數(shù)取為1.0(抗震等級(jí)改為4 級(jí))

3）其余分項(xiàng)系數(shù)均保留

4）地震影響系數(shù)按小震的2.8 倍取值(PKPM 中直接修改該參數(shù))

(2)中震不屈服設(shè)計(jì)[4]～[7]

1)不考底風(fēng)荷載參與地震組合，

2)不考慮與抗震等級(jí)有關(guān)的增大系數(shù)，即內(nèi)力調(diào)整系數(shù)取為1.0。(勾選按中震不屈服做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn))

3)不考慮荷教分項(xiàng)系數(shù)，即荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0。(PKPM 中直接修改該參數(shù))

4)不考慮承載力抗震調(diào)整系數(shù)，即抗震調(diào)整系數(shù)取1.0。(勾選按中震不屈服做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn))

5)材料強(qiáng)度中震時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)值(勾選按中震不屈服做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)混凝土的強(qiáng)度，但鋼筋及鋼材強(qiáng)度要手動(dòng)修改)，大震時(shí)為極限值

3 抗震性能化設(shè)計(jì)方法

結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)主要三個(gè)步驟，即:分析結(jié)構(gòu)方案的特殊性，選用結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)、采取抗震性能設(shè)計(jì)措施。

3.1 方案分析

結(jié)構(gòu)方案的分析，首先判斷結(jié)構(gòu)是否需要采用抗震性能化設(shè)計(jì)方法，即主要分析房屋規(guī)則性、場(chǎng)地條件、高度、結(jié)構(gòu)類(lèi)型和抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)五個(gè)方面的要求，并根據(jù)分析結(jié)果選用性能目標(biāo)。

3.2 目標(biāo)的確定

結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)分A、B、C、D 四級(jí)，目標(biāo)選擇時(shí)需根據(jù)工程的特殊情況，由超限審圖專(zhuān)家、業(yè)主等商量確定，規(guī)范[1]將其總結(jié)如表1所示，供初步設(shè)計(jì)人員選擇結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)時(shí)參考。

表1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)[2]

3.3 水準(zhǔn)的確定

綜合考慮結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)即A、B、C、D 四級(jí)以及地震三水準(zhǔn)即多遇地震、設(shè)防烈度地震和罕遇地震，確定結(jié)構(gòu)抗震性能1、2、3、4、5 五水準(zhǔn)。

3.4 抗震性能化設(shè)計(jì)措施

完成結(jié)構(gòu)類(lèi)型分析，確定抗震性能目標(biāo)及抗震性能后，按照表格2 選擇對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)措施。

表2 構(gòu)件性能設(shè)計(jì)措施

中震2公式1彈性公式1彈性公式1彈性公式1 彈性公式2 不屈服 公式1 彈性 公式1彈性公式1彈性——大震3公式2不屈服公式1彈性公式2不屈服公式1 彈性 可屈服 公式2 不屈服 公式2、3不屈服公式1彈性滿(mǎn)足彈塑性層間位移角限制小震1公式1彈性公式1彈性公式1彈性公式1 彈性公式1 彈性 公式1 彈性 公式1彈性公式1彈性滿(mǎn)足彈性層間位移限值 C 中震3公式2不屈服公式1彈性公式2不屈服公式1 彈性 可屈服 公式2 不屈服 公式2、3不屈服公式1彈性——大震4公式2不屈服公式2不屈服部分可屈服公式4、5保證抗剪截面 部分可屈服 可屈服 公式2、3不屈服公式2、3不屈服滿(mǎn)足彈塑性層間位移角限制震1公式1彈性小公式1彈性公式1彈性 公式1 彈性 公式1 彈性 公式1彈性公式1彈性滿(mǎn)足彈性層間位移限值 D 中震4公式2不屈服公式2不屈服部分可屈服公式4、5保證抗剪截面 部分可屈服 可屈服 公式2、3不屈服公式2、3不屈服——大震5公式2不屈服公式2不屈服部分可屈服公式4、5保證抗剪截面 部分可屈服 可屈服————滿(mǎn)足彈塑性層間位移角限制

4 結(jié)語(yǔ)

1.抗震性能化設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定目標(biāo)、其次確定性能水準(zhǔn)、最后按照表2采取措施；

2.中震彈性設(shè)計(jì)與小震彈性設(shè)計(jì)區(qū)別是前者忽略與抗震等級(jí)有關(guān)的內(nèi)力增大系數(shù)；

3.中震彈性設(shè)計(jì)，保留了荷載分項(xiàng)系數(shù)，取消內(nèi)力調(diào)整的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，即保留了結(jié)構(gòu)的安全度和可靠度，中震不屈服設(shè)計(jì)則去掉了所有安全度。

4.按照表格1 確定抗震性能設(shè)計(jì)措施時(shí)，正確區(qū)分構(gòu)件類(lèi)型及性能標(biāo)準(zhǔn)。