超高層結構抗震設計中若干問題的探討

超高層結構抗震設計中若干問題的探討 趙楠 北京三磊建筑設計有限公司 北京 摘 要 針對超高層結構抗震設計實踐 對振型譜的應用 抗震設防分類 彈塑性位移角統(tǒng)計方法 過渡區(qū)的設置原則 特征周 期的取值方法及最小剪重比調整方法等設計關鍵環(huán)節(jié)進行了探討 歸納總結了超高層結構設計專項審查中針對這些問題的解決思 路 關鍵詞 超高層結構 振型譜 彈塑性 過渡區(qū) 特征周期 剪重比 中圖分類號中圖分類號 TU973TU973 31 文獻標志碼文獻標志碼 A A Exploration of some questions on seismic design of super high rise structure Zhao Nan Beijing Sunlay LTD Beijing China Abstract To aim at practice on seismic design of super high rise structure we have made exploration for the key links of the design such as the application of vibration spectrum the classification of seismic fortification statistical method of elastic plastic displacement angle setting principle of transition region the method of obtaining numerical values for characteristic period adjusting measure of minimum shear weight ratio and so on have summarized solution for these questions in special review on design of super high rise structure Keywords super high rise structure vibration spectrum elastic plastic transition region characteristic period shear weight ratio 0 引言 近年來 隨著結構材料及設計方法的不斷進步 我國的超高層建筑發(fā)展十分迅速 建筑高度被不斷刷 新 由于超高層項目的特殊性 抗震設計應采取更為 嚴格的技術措施以保證安全 當前我國的高層建筑抗 震設計規(guī)范 規(guī)程較為完善 但其有一定的適用范圍 主要是針對常規(guī)結構 然而對于超出規(guī)范 規(guī)程適用 范圍的超高層建筑結構 對其進行抗震分析時有哪些 特殊規(guī)定是設計人員普遍關心的問題 本文結合超高層結構設計實踐 歸納總結了超高 層抗震審查過程中專家意見及建議 尤其是設計人員 易混淆的結構設計概念 對超高層抗震分析的若干關 鍵問題進行探討 1 3 1 地震安全性評價報告中振型譜的應用 地震安全性評價是根據對建設工程場址和場址周 圍地震安全性評價的地震與地震地質環(huán)境的調查 場 地地震工程地質條件勘測 通過地震地質 地球物理 地震工程等多學科資料的綜合評價和分析計算 按照 工程類型 性質 重要性 科學合理地給出與工程抗 震設防要求相應的地震動參數 以及場址的地震地質 災害預測結果 地震安全性評價工作的主要內容包括 工程場地和場地周圍區(qū)域的地震活動環(huán)境評價 地震 地質環(huán)境評價 斷裂活動性鑒定 地震危險性分析 設計地震動參數確定 地震地質災害評價等 根據國務院令第 323 號需對國家及地方的重大工 程等進行地震安全性評價 通常情況下 超高層屬于 超限結構 均需在初步設計前進行場地的地震安全性 評價 有關部門依據 工程場地地震安全性評價 GB17741 2005 的要求向設計單位提供地震安全性評 價報告 其中較為重要的是場地的振型譜即 安評譜 及設計地震動參數 設計地震動參數形式如表 1 所示 表 1 安評譜地震動參數樣式 Table1 Seismic safety evaluation report of ground motion parameters 地震烈度超越概率 Tg sAmax cm s2 max 多遇地震 63 0 38470 125 設計地震 10 0 351310 401 罕遇地震 2 0 402050 627 安評譜的正確使用是準確進行地震作用內力標準 值確定的前提 而設計人員常常只重視設計地震動參 數列表而忽視報告中提供的安評譜曲線 設計實踐中 常常應用安評譜的設計地震動參數對規(guī)范譜進行調整 后輸入計算程序確定地震內力 這種做法是不妥的 如圖 1 所示曲線 使用安評報告設計地震動參數調整 規(guī)范譜計算時 會提高結構承擔的地震作用 尤其超 高層結構的自振周期較長 從圖 1 可以看出 高周期 段地震影響系數的相對差異更為明顯 假定結構自振 周期為 5s 時 地震影響系數見表 2 所示 規(guī)范譜調 整后的地震影響參數較之安評譜提高了約 27 相應 計算的地震作用也將提高 表 2 地震動參數對比 Table2 Ground motion parameters contrast 參數地震影響參數相對比例 規(guī)范譜 0 014100 規(guī)范譜 安評參數 0 022157 安評譜 0 0173124 圖 1 振型譜對比曲線 Fig 1 The modal spectral contrast curve 2 結構單元劃分的一個重要影響因素 結構縫 伸縮縫 沉降縫 防震縫 的設置 應 根據建筑結構平面和豎向布置的情況 地基情況 基 礎類型 結構剛度及抗震要求和荷載作用的差異等條 件綜合考慮 通常情況下 應調整建筑平面尺寸和結 構布置 采取必要的構造和施工措施 能不設縫就不 設縫 能少設縫就少設縫 設計實踐中 超高層建筑與裙房間通常形成一個 整體 以提高結構的整體剛度 對結構的抗扭剛度 位移角等均會產生有利影響 但同時 有一個重要的 影響因素易被忽略 即結構單元內經常使用人數 根 據 建筑工程抗震設防分類標準 GB50223 2008 中 6 0 11 條文規(guī)定 高層建筑中 當結構單元內經常使 用人數超過 8000 人時 抗震設防類別宜劃為重點設 防類 超高層建筑因其結構的重要性 宜偏嚴控制 所 以當主樓與大面積裙房相連 且主樓高度較高 主要 使用功能為住宅時 結構單元內經常使用人數容易突 破 8000 人 因此建議設計人員在主裙間是否設縫問 題的討論上 應該對這個重要因素加以重視 3 筒體結構中框架部分承擔的地震剪力比例 根據 高層建筑混凝土結構技術規(guī)程 JGJ3 2010 中 9 1 11 條文規(guī)定 筒體結構中框架部分分配的 樓層地震建立標準值的最大值不宜小于結構底部總地 震剪力標準值的 10 當不滿足時 規(guī)范也提供了一 個調整方法 各層框架部分承擔的地震剪力標準值應 增大到結構底部總地震剪力標準值的 15 與此同時 各層核心筒墻體的地震剪力標準值宜乘以增大系數 1 1 但可不大于結構底部總地震剪力標準值 墻體的 抗震構造措施應按抗震等級提高一級后采用 已為特 一級的可不再提高 有加強層時 框架部分剪力的統(tǒng) 計不包括加強層及其上 下層 規(guī)范的這款條文體現(xiàn)了抗震多道防線的設計理念 即框架作為第二道設防防線相對于第一道防線的核心 筒不能太弱 如果框架部分太弱 則需對第一道防線 加以更為嚴格的措施要求 規(guī)范提供了各層框架部分地震剪力標準值最大值 小于總剪力標準值 10 時的應對措施 在一般高層建 筑設計中是適用的 但在超高層設計實踐中 由于地 震作用程度較高 核心筒大面積開裂剛度下降時 框 架部分會承擔過大的地震作用 可能會出現(xiàn)不可預見 的重大損失 因此在多項工程的超限審查過程中 均 要求筒體結構中各層框架部分的最大地震剪力標準值 必須滿足底部總地震剪力標準值的 10 若在某些特 殊情況下 確不能滿足時 框架的承擔比例可略小于 10 且必須針對不同的結構構件提出較高的性能目 標 不能簡單的按照規(guī)范條文執(zhí)行 4 彈塑性位移角的統(tǒng)計方法 超高層建筑結構設計過程的一個重點環(huán)節(jié)就是分 析結構在罕遇地震作用下的彈塑性位移角 體現(xiàn)了三 階段水準設計的精神 影響彈塑性位移角計算結果的因素很多 現(xiàn)階段 其計算值的離散性與承載力計算的離散性相比較大 多遇地震設計中 考慮到小震彈性時程分析的波形樣 本數量較少 而且計算的位移多數明顯小于反應譜發(fā) 的計算結果 需要以反應譜法為基礎進行對比分析 罕遇地震彈塑性時程分析時 由于阻尼的處理方法不 夠完善 波形的數量很有限 一般不多于 7 條 直 接將計算出的彈塑性位移角最為結構最終的彈塑性位 移角是不妥的 不具備統(tǒng)計意義 4 因此國內的專家 學者提出了以下的修正方法 用同一軟件 同一波形進行多遇地震彈性和罕遇 地震彈塑性的計算 得到同一波形 同一部位彈塑性 位移 層間位移 與多遇地震彈性位移 層間位移 的比 值 然后將此比值取平均 7 條波 或包絡 3 條波 再乘以反應譜法計算的該部位多遇地震位移 層間位 移 從而得到罕遇地震下該部位的彈塑性位移 層間 位移 的參考值 此方法的核心思路是在波形樣本數有限的情況下 盡可能通過修正使其具備一定的統(tǒng)計意義 5 過渡區(qū)的概念與應用 高層結構設計中 有底部加強區(qū)及一般部位兩個 概念 底部加強區(qū)由于其重要性 設防要求通常高于 一般部位 底部加強區(qū)的范圍規(guī)范中有明確要求 超高層結構設計中由于房屋高度很高 底部加強 區(qū)相對于整體結構而言占比很小 若參照一般高層結 構設計 則不滿足剛度及承載力漸變的設計理念 需 要在底部加強區(qū)與一般部位間設置一個過渡區(qū) 其要 求低于底部加強區(qū) 但高于一般部位 過渡區(qū)的設置 還體現(xiàn)了增強結構延性的思想 現(xiàn)行規(guī)范中未明確過渡區(qū)的概念及設計方法 結 合多項超高層設計過程中的審查專家意見 過渡區(qū)的 設置通常參照主要抗側力構件即重要鋼筋混凝土剪力 墻的軸壓比 這是由于墻體軸壓比反映了構件的延性 軸壓比越高則延性相對越差 結合設計實踐 過渡區(qū)的范圍通常取為 底部 加強區(qū)以上至墻柱軸壓比不大于某一數值 通常取為 0 25 0 35 的樓層 高度同底部加強區(qū)高度 二 者取較大值 對于過渡區(qū)也應設定相應的性能目標 但可低于 底部加強區(qū) 如 底部加強區(qū)按中震彈性設計時 過 渡區(qū)可按中震不屈服復核 底部加強區(qū)按中震彈性抗 剪 中震不屈服抗彎設計時 過渡區(qū)可按中震不屈服 抗剪設計 由于過渡區(qū)未有明確規(guī)定 屬于概念設計范疇 因此設計人員可根據經驗自行設定過渡區(qū)范圍 并制 訂相應的抗震性能目標 6 設計特征周期的取值 設計特征周期時抗震設計中用的地震影響系數曲 線中 反映地震震級 震中距和場地類別等因素的下 降段起始點對應的周期值 簡稱特征周期 特征周期 是抗震設計中重要的動參數之一 通常情況下 地震 安全性評價報告會提供建設場地的特征周期數值 設計實踐中 通常在多遇地震時采用規(guī)范譜與安 評譜分析的較大值 設計地震及罕遇地震分析時采用 規(guī)范譜進行分析 即中震及大震的設計地震動參數 包括特征周期均依據規(guī)范譜 建筑抗震設計規(guī)范 GB50011 2010 中 5 1 4 節(jié) 中提供了各類場地類別和設計地震分組下的特征周期 數值 其是基于規(guī)范反應譜的 供設計人員依據工程 情況選用 然而對于場地類別位于分界線附近的工程 簡單套用 5 1 4 節(jié)中的表格就稍顯不妥 場地類別的劃分是以平均剪切波速和覆蓋層厚度 作為評定指標的雙參數分類方法 在工程地質勘察報 告中 均會提供建設場地的平均剪切波速及覆蓋層厚 度指標 當場地類別介于分界線附近時 規(guī)范允許用 插入方法確定邊界線附近 指相差 15 的范圍 的 Tg值 建筑抗震設計規(guī)范 GB50011 2010 中 4 1 2 條文說明中提供了用于設計地震分組為第一組的 Tg 等值線表格 如沈陽世茂五里河項目超高層設計中 5 地質勘 察報告提供的場地等效剪切波速為 201 229m s 場 地覆蓋層厚度平均值為 44 76m 參考 建筑抗震設計 規(guī)范 GB50011 2010 條文說明 P292 頁圖 7 進行線性 插值 經插值 設計地震分析采用的場地特征周期為 0 39s 罕遇地震分析采用的場地特征周期為 0 44s 其與規(guī)范 5 1 4 節(jié)中表格是有區(qū)別的 7 最小剪重比的應用 建筑抗震設計規(guī)范 GB50011 2010 中 5 2 5 節(jié) 對最小剪重比有明確要求 最小剪重比屬于概念設計 范疇 主要為限制各樓層的最小水平地震剪力 確保 周期較長的結構的安全 剪重比是規(guī)范考慮長周期結構用振型分解反應譜 法和底部剪力法計算時 因地震影響系數取值可能偏 低 相應計算的地震作用也偏低 因此出于安全考慮 規(guī)范規(guī)定了樓層水平地震剪力的最小值 若樓層水平 地震剪力小于規(guī)范對剪重比的要求 水平地震剪力的 取值應進行調整 并應按調整后的地震作用確定層間 位移角等重要結構指標 設計實踐中 多遇地震分析時要求按規(guī)范譜和安 評譜進行包絡設計 因此在使用安評譜進行分析時 尚應根據地震安全性評價報告提供的地震峰值加速度 對最小剪重比限值進行調整 并且在進行最小剪重比 復核時 應按照相應方向第一主周期進行插值確定該 方向的最小剪重比 例如 參照表 1 的安評譜地震動參數 該工程的 最小剪重比應調整為表 3 所示 表 3 最小剪重比調整后限值 Table3 Minimum shear weight ratio after adjustment 類別7 度 0 125g 扭轉效應明顯或基本周期小于 3 5s 的結構0 0208 基本周期大于 5 0s 的結構0 0156 8 地震入射角 建筑抗震設計規(guī)范 GB50011 2012 中 5 11 條 規(guī)定 有斜交抗側力構件的結構 當相交角度大于 15o時 應分別計算各側力構件方向的水平地震作用 圖 2 4 表示核心筒角度為 20o的超高層結構地震 入射角情況 圖 2 入射角度為 0 度示意圖 Fig 2 Incident angle is 0 degrees 圖 3 入射角度為 20 度示意 Fig 3 Incident angle is 20 degrees 圖 4 入射角度為 20 度示意 Fig 4 Incident angle is 20 degrees 各斜向入射角分析不僅僅用于多遇地震承載力分 析 在確定扭轉位移比 層間位移角及彈塑性位移角 等重要結構指標時 均應按多個入射角分析結果綜合 設計 9 結語 超高層結構的抗震設計是一項非常具有挑戰(zhàn)和重 大意義的事情 她涵蓋了性能化設計方法 概念設計 思想等諸多范疇 并隨著科學技術的進步和分析手段 的提高而不斷變化發(fā)展 要求設計人員要充分理解結 構含義 靈活運用結構概念與各項技術措施來實現(xiàn)結 構的三水準設計準則 并滿足技術與經濟的雙重平衡 標準 本文列舉了一些在超高層結構設計實踐中容易混 淆的結構概念 并針對超限審查過程中遇到的問題 歸納了一些常用的解決方案 探討了審查專家們所提 要求的核心理念 對抗震性能設計方法的思路進行一 些總結 為將來的超高層結構設計提供一些經驗 參 考 文 獻 1 劉文革 唐圣貴 王敬河等 超限磚混結構抗震設計若干問題的探討 J 工程抗震 2004 2 13 14 Liu Wen ge Tang Sheng gui Wang Jing he etc Overrun brick structure Seismic Design Issues J Earthquake Resistant Engineering 2009 2 13 14 2 鄭文 涂津 潘文 淺談復雜結構的中震設計 J 工程抗震與改造加固 2009 31 5 81 84 Zheng Wen Tu Jin Pan Wen Discussion on Seismic Design of Complicated Structure under Seismic Fortif ic