復(fù)雜和超越結(jié)構(gòu)中震設(shè)計(jì)方法對(duì)比分析

復(fù)雜和超越結(jié)構(gòu)中震設(shè)計(jì)方法對(duì)比分析

1結(jié)構(gòu)中震的設(shè)計(jì)方法抗災(zāi)防御的目標(biāo)是根據(jù)當(dāng)前的科學(xué)水平和經(jīng)濟(jì)條件提出的一套國家或地區(qū)的抗洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)抗洪設(shè)計(jì)的目標(biāo)，我們?cè)诓煌膶用嫔喜捎昧瞬煌目购樵O(shè)計(jì)方法和要求。具體來講,我國GB50011—2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱抗震規(guī)范)采用“三水準(zhǔn),二階段”的抗震設(shè)計(jì)方法,其通俗說法即為“小震不壞,中震可修,大震不倒”。我國“三水準(zhǔn)”的抗震設(shè)防目標(biāo):第一水準(zhǔn),建筑物在遭受低于本地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí),一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用。第二水準(zhǔn),建筑物在遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震影響時(shí),可能損壞,經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用。第三水準(zhǔn),建筑物在遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)估的罕遇地震影響時(shí),不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。在具體做法上,為簡(jiǎn)化計(jì)算,抗震規(guī)范采用了“二階段”的設(shè)計(jì)方法:第一階段,按小震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的基本組合驗(yàn)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力,以及在小震作用下驗(yàn)算結(jié)構(gòu)彈性變形。第二階段,在大震作用下驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形。第一階段的設(shè)計(jì)保證結(jié)構(gòu)滿足第一水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)的要求,第二階段的設(shè)計(jì)保證結(jié)構(gòu)滿足第三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)的要求。至于第二水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)的要求主要是以概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施來加以保證的。由此可見,我國目前的抗震設(shè)計(jì)仍是以小震為基礎(chǔ),中震設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容涉及很少,僅通過各種抗震構(gòu)造措施來予以保證。在美國2005年洛杉磯頒布的《洛杉磯地區(qū)高層建筑抗震分析與設(shè)計(jì)方法》(AnAlternativeProcedureforSeismicAnalysisandDesignofTallBuildingsLocatedintheLosAngelesRegion)和2007年舊金山頒布的《高層建筑抗震設(shè)計(jì)和評(píng)審公告》(RecommendedAdministrativeBulletinontheSeismicDesign&ReviewofTallBuildingsUsingNon-prescriptiveProcedures),在正常使用極限狀態(tài)(小震)、生命安全極限狀態(tài)(中震)和防止倒塌極限狀態(tài)(大震)下均需對(duì)該地區(qū)的高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)。近年來隨著我國復(fù)雜結(jié)構(gòu)、超限結(jié)構(gòu)越來越多,國內(nèi)一些專家、學(xué)者提出,對(duì)此類超限高層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)按照不同性能目標(biāo)進(jìn)行分析和驗(yàn)算,即對(duì)整體結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位、關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行中震作用下的抗震設(shè)計(jì),這種做法也被看成是基于性能抗震設(shè)計(jì)思想在我國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一種體現(xiàn)。全國超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查專家委員會(huì)在《關(guān)于發(fā)送<全國超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查專家委員會(huì)2006年下半年專項(xiàng)審查工作簡(jiǎn)況>的通知》(建抗超委(函)005號(hào))中說明:“中震,一般指地震影響系數(shù)取小震的2.85倍。承載力性能要求中,保持彈性指不考慮構(gòu)件內(nèi)力調(diào)整(如抗震等級(jí)四級(jí))的抗震驗(yàn)算,規(guī)范規(guī)定的多道防線增大系數(shù)可適當(dāng)調(diào)整;不屈服指內(nèi)力、材料強(qiáng)度均按標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算,并且不考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù),必要時(shí)阻尼比可適當(dāng)增加?！币蚨?目前工程常見的對(duì)于結(jié)構(gòu)中震階段的設(shè)計(jì)方法有兩種:一種為“中震彈性”設(shè)計(jì);一種為“中震不屈服”設(shè)計(jì)。本文首先就這兩種設(shè)計(jì)方法的概念、具體設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析;然后以一高層混合結(jié)構(gòu)為例,分別對(duì)比了按丙類建筑小震、乙類建筑小震、丙類建筑中震不屈服、丙類建筑中震彈性下的設(shè)計(jì)結(jié)果。2中震彈性設(shè)計(jì)與中震不屈服設(shè)計(jì)參數(shù)的比較分析中震彈性與中震不屈服兩種設(shè)計(jì)方法本身既有聯(lián)系又有區(qū)別。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中震彈性設(shè)計(jì)和中震不屈服設(shè)計(jì)均屬于中震階段的設(shè)計(jì)方法,也就是說,兩種方法均按基本烈度地震作用而不是多遇地震作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。具體來講,在反應(yīng)譜法計(jì)算中,水平地震影響系數(shù)最大值應(yīng)按基本烈度地震水平取值(表1);在時(shí)程分析法中,地震加速度時(shí)程曲線最大值也應(yīng)按基本烈度地震進(jìn)行取值(表2)。為方便起見,中震階段的水平地震影響系數(shù)最大值和加速度時(shí)程曲線最大值也可按小震階段相應(yīng)值的2.85倍計(jì)算。無震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力組合方案在中震彈性設(shè)計(jì)中,構(gòu)件處于彈性狀態(tài);在中震不屈服設(shè)計(jì)中,大部分構(gòu)件處于彈性狀態(tài)且已經(jīng)達(dá)到彈性狀態(tài)的極限狀態(tài),即將進(jìn)入屈服階段。具體實(shí)施時(shí),小震作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在進(jìn)行內(nèi)力組合后,需按GB50011—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整(乘以增大系數(shù),現(xiàn)行規(guī)范的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)參見表3),以考慮“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)思想,保證結(jié)構(gòu)的安全度;而中震作用下進(jìn)行的彈性設(shè)計(jì)和不屈服設(shè)計(jì)則需取消組合內(nèi)力調(diào)整,構(gòu)件的抗震等級(jí)均取為四級(jí)。中震不屈服設(shè)計(jì)按中震彈性進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),雖取消了內(nèi)力調(diào)整系數(shù),但保留了荷載分項(xiàng)系數(shù),材料強(qiáng)度按設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值,這就使設(shè)計(jì)構(gòu)件既在中震作用下處于彈性狀態(tài)又從一定程度上保留了結(jié)構(gòu)的安全度和可靠度;按中震不屈服進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),則使設(shè)計(jì)構(gòu)件在中震作用下達(dá)到彈性極限狀態(tài),即在取消內(nèi)力調(diào)整系數(shù)的基礎(chǔ)上,使荷載分項(xiàng)系數(shù)、承載力抗震調(diào)整系數(shù)取為1.0,且材料強(qiáng)度取為標(biāo)準(zhǔn)值。可以看出,中震不屈服設(shè)計(jì)是中震彈性設(shè)計(jì)的承載能力極限狀態(tài),因而中震彈性設(shè)計(jì)較中震不屈服設(shè)計(jì)的安全儲(chǔ)備更大、抗震要求更嚴(yán)。通過以上分析,中震彈性設(shè)計(jì)和中震不屈服設(shè)計(jì)參數(shù)要求可以總結(jié)如表4所示。3丙類建筑小震、丙類建筑中震不屈服、彈性大震結(jié)構(gòu)下面就以某25層鋼框架-混凝土核心筒高層混合結(jié)構(gòu)為例,對(duì)比該結(jié)構(gòu)在丙類建筑小震、乙類建筑小震、丙類建筑中震不屈服、丙類建筑中震彈性下的設(shè)計(jì)結(jié)果。其中,選用不同設(shè)防類別建筑主要是為了對(duì)比改善結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施和提高結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)的有效性。3.1外鋼框架結(jié)構(gòu)某25層鋼框架-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(以下稱為Benchmark)層高4m,結(jié)構(gòu)總高度100m,平面尺寸為24.3m×22.8m,標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1所示。結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,外鋼框架鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q345。該結(jié)構(gòu)按丙類建筑“恰能滿足規(guī)范要求”進(jìn)行設(shè)計(jì),即在選定構(gòu)件截面尺寸時(shí),在保證柱、墻軸壓比和縱筋配筋率不超過截面抗剪能力上限的前提下,盡量使結(jié)構(gòu)在多遇地震標(biāo)準(zhǔn)值作用下的層間位移角接近但不超過規(guī)范1/800的限值。結(jié)構(gòu)構(gòu)件信息見表5,利用中國建筑科學(xué)研究院PKPM工程計(jì)算軟件建立計(jì)算模型如圖2所示。3.2梁間恒載+玻璃幕墻樓面恒載6.0kN/m2,屋面恒載7.5kN/m2,樓面和屋面活載2.0kN/m2,梁間恒載按玻璃幕墻1.5kN/m2考慮。地震信息:按7類設(shè)防,第一組,上海Ⅳ類場(chǎng)地土。風(fēng)荷載信息:基本風(fēng)壓0.55kN/m2,地面粗糙度類別為B類。3.3彈性作用下的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)對(duì)Benchmark進(jìn)行丙類小震作用下的結(jié)構(gòu)分析,結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范規(guī)定的要求。再分別進(jìn)行乙類小震作用,中震不屈服,中震彈性作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。計(jì)算表明,結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)提高后Benchmark出現(xiàn)超筋現(xiàn)象,調(diào)整構(gòu)件截面直至滿足規(guī)范要求。此時(shí)得到的不同結(jié)構(gòu)自振特如表6所示,從表中可以看出,按7度中震進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),結(jié)構(gòu)地震作用提高2.85倍,結(jié)構(gòu)周期調(diào)整為小震的70%左右方能滿足要求。3.4核心筒抗側(cè)剛度按丙類小震、乙類中震、丙類中震不屈服及丙類中震彈性計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)如圖3所示,可以看出:①在小震和中震作用下,結(jié)構(gòu)變形均呈現(xiàn)彎曲型為主的特點(diǎn),表明核心筒對(duì)整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度具有重要貢獻(xiàn);②中震地震力為小震的2.85倍,而結(jié)構(gòu)中震下的整體位移反應(yīng)為小震位移的1.9～2.2倍。3.5小震作用下層間位移角圖4給出了按丙類小震、乙類中震、丙類中震不屈服及丙類中震彈性計(jì)算結(jié)構(gòu)的層間位移角,可以看出結(jié)構(gòu)滿足小震作用下層間位移角1/800限值的要求,中震作用下的層間位移角則遠(yuǎn)超過此限值;但中震下的層間位移角基本變化規(guī)律與小震趨勢(shì)相同,其值為小震量值的1.9～2.3倍,最大層間位移角分別為1/384(Y向,中震不屈服)和1/402(Y向,中震彈性)。3.6確保我國結(jié)構(gòu)的彈性和屈服按丙類小震、乙類中震、丙類中震不屈服及丙類中震彈性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的工程量有很大差別,尤其是剪力墻厚度及配筋等。例如乙類小震設(shè)計(jì)與丙類小震設(shè)計(jì)的主要差別在于剪力墻抗震等級(jí)由二級(jí)提高到一級(jí),剪力墻配筋相對(duì)提高較少,約4%;而中震不屈服設(shè)計(jì)較小震設(shè)計(jì)剪力墻混凝土用量將提高48%,中震彈性設(shè)計(jì)較小震設(shè)計(jì)剪力墻混凝土用量將提高72%;按中震不屈服、中震彈性設(shè)計(jì)的剪力墻鋼筋用量較小震設(shè)計(jì)將提分別高101%和159%。因而,在含有剪力墻結(jié)構(gòu)中,要求整體結(jié)構(gòu)的在中震作用下“保持彈性”和“彈性不屈服”都將引起剪力墻厚度過大和工程量數(shù)倍增加。建議僅在超限高層結(jié)構(gòu)中采用“中震彈性”和“中震不屈服”的抗震思想,且僅對(duì)含剪力墻結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位或關(guān)鍵構(gòu)件采用中震設(shè)計(jì)的方法,并在此類工程中盡可能采用帶型鋼或鋼板的混凝土剪力墻,以減小構(gòu)件截面尺寸,降低造價(jià)。例如,上海環(huán)球金融中心結(jié)構(gòu)總高492m,核心筒內(nèi)暗埋型鋼,標(biāo)準(zhǔn)層剪力墻厚度為1.75m,試驗(yàn)表明結(jié)構(gòu)在中震作用下的頻率僅下降6%,大震作用下的頻率下降14%,基本可以實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)“中震彈性”的設(shè)防目標(biāo)。4關(guān)于中震彈性方法設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議本文通過詳細(xì)分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本烈度地震作用下“中震彈性”和“中震不屈服”兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及參數(shù)設(shè)置,并以某高層混合結(jié)構(gòu)為例,對(duì)比了分別按7度丙類小震、乙類小震、丙類建筑中震不屈服、丙類建筑中震彈性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)反應(yīng)和工程量,得到以下結(jié)論:(1)按基本烈度地震(中震)作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),為方便起見,中震階段的水平地震影響系數(shù)最大值和加速度時(shí)程曲線最大值可按小震階段相應(yīng)值的2.85倍計(jì)算。(2)工程常用的設(shè)計(jì)方法有“中震彈性”和“中震不屈服”兩種,兩種方法均屬于中震階段的設(shè)計(jì)方法。中震彈性方法設(shè)計(jì)的主要構(gòu)件均處于彈性狀態(tài),雖取消了內(nèi)力調(diào)整系數(shù),但保留了荷載分項(xiàng)系數(shù),材料強(qiáng)度按設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值。(3)按中震不屈服進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要構(gòu)件處于彈性極限,即將進(jìn)入屈服階段,因而中震不屈服設(shè)計(jì)可以看作是中震彈性設(shè)計(jì)的承載能力極限狀態(tài)。即在取消內(nèi)力調(diào)整系數(shù)的基礎(chǔ)上,使荷載分項(xiàng)系數(shù)、承載力抗震調(diào)整系數(shù)取為1.0,且材料強(qiáng)度取為標(biāo)準(zhǔn)值。顯然,中震彈性設(shè)計(jì)較中震不屈服設(shè)計(jì)的安全儲(chǔ)備更大、抗震要求更嚴(yán)。(4)按7度中震進(jìn)行高層混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),結(jié)構(gòu)地震作用提高2.85倍,結(jié)構(gòu)周期調(diào)整為小震的70%左右方能滿足要求;結(jié)構(gòu)的位移及層間位移角基本變化規(guī)律與小震趨勢(shì)相同,其值為小震量值的1.9～2.3倍。(5)對(duì)于高層混合結(jié)構(gòu),提高抗震設(shè)防類別的主要變化在于提高抗震等級(jí),剪力墻配筋相對(duì)提高較少,約4%;而設(shè)計(jì)地震作用從小震提高至中震,將大幅提高剪力墻混凝土用量及配筋量。(6)在含有剪力墻的混合結(jié)構(gòu)中,要求整體結(jié)構(gòu)的在中震作用下“保持彈性”和“彈性不屈服”都將引起剪力墻厚度過大和工程量數(shù)倍增加。建議僅在超限高層結(jié)構(gòu)中采用“中震彈