复杂和超越结构中震设计方法对比分析

复杂和超越结构中震设计方法对比分析

1结构中震的设计方法抗灾防御的目标是根据当前的科学水平和经济条件提出的一套国家或地区的抗洪设计标准。为了实现抗洪设计的目标，我们在不同的层面上采用了不同的抗洪设计方法和要求。具体来讲,我国GB50011—2001《建筑抗震设计规范》(以下简称抗震规范)采用“三水准,二阶段”的抗震设计方法,其通俗说法即为“小震不坏,中震可修,大震不倒”。我国“三水准”的抗震设防目标:第一水准,建筑物在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时,一般不受损坏或不需修理仍可继续使用。第二水准,建筑物在遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时,可能损坏,经一般修理或不需修理仍可继续使用。第三水准,建筑物在遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时,不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。在具体做法上,为简化计算,抗震规范采用了“二阶段”的设计方法:第一阶段,按小震作用效应和其他荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能力,以及在小震作用下验算结构弹性变形。第二阶段,在大震作用下验算结构的弹塑性变形。第一阶段的设计保证结构满足第一水准抗震设防目标的要求,第二阶段的设计保证结构满足第三水准抗震设防目标的要求。至于第二水准抗震设防目标的要求主要是以概念设计和抗震构造措施来加以保证的。由此可见,我国目前的抗震设计仍是以小震为基础,中震设计的具体内容涉及很少,仅通过各种抗震构造措施来予以保证。在美国2005年洛杉矶颁布的《洛杉矶地区高层建筑抗震分析与设计方法》(AnAlternativeProcedureforSeismicAnalysisandDesignofTallBuildingsLocatedintheLosAngelesRegion)和2007年旧金山颁布的《高层建筑抗震设计和评审公告》(RecommendedAdministrativeBulletinontheSeismicDesign&ReviewofTallBuildingsUsingNon-prescriptiveProcedures),在正常使用极限状态(小震)、生命安全极限状态(中震)和防止倒塌极限状态(大震)下均需对该地区的高层结构进行结构分析与设计。近年来随着我国复杂结构、超限结构越来越多,国内一些专家、学者提出,对此类超限高层结构的抗震设计应按照不同性能目标进行分析和验算,即对整体结构或结构关键部位、关键构件进行中震作用下的抗震设计,这种做法也被看成是基于性能抗震设计思想在我国结构设计中的一种体现。全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会在《关于发送<全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会2006年下半年专项审查工作简况>的通知》(建抗超委(函)005号)中说明:“中震,一般指地震影响系数取小震的2.85倍。承载力性能要求中,保持弹性指不考虑构件内力调整(如抗震等级四级)的抗震验算,规范规定的多道防线增大系数可适当调整;不屈服指内力、材料强度均按标准值计算,并且不考虑抗震承载力调整系数,必要时阻尼比可适当增加。”因而,目前工程常见的对于结构中震阶段的设计方法有两种:一种为“中震弹性”设计;一种为“中震不屈服”设计。本文首先就这两种设计方法的概念、具体设计参数进行了对比分析;然后以一高层混合结构为例,分别对比了按丙类建筑小震、乙类建筑小震、丙类建筑中震不屈服、丙类建筑中震弹性下的设计结果。2中震弹性设计与中震不屈服设计参数的比较分析中震弹性与中震不屈服两种设计方法本身既有联系又有区别。结构抗震设计中震弹性设计和中震不屈服设计均属于中震阶段的设计方法,也就是说,两种方法均按基本烈度地震作用而不是多遇地震作用进行结构抗震设计。具体来讲,在反应谱法计算中,水平地震影响系数最大值应按基本烈度地震水平取值(表1);在时程分析法中,地震加速度时程曲线最大值也应按基本烈度地震进行取值(表2)。为方便起见,中震阶段的水平地震影响系数最大值和加速度时程曲线最大值也可按小震阶段相应值的2.85倍计算。无震作用下的结构内力组合方案在中震弹性设计中,构件处于弹性状态;在中震不屈服设计中,大部分构件处于弹性状态且已经达到弹性状态的极限状态,即将进入屈服阶段。具体实施时,小震作用下的结构设计在进行内力组合后,需按GB50011—2002《混凝土结构设计规范》进行内力调整(乘以增大系数,现行规范的内力调整系数参见表3),以考虑“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”的设计思想,保证结构的安全度;而中震作用下进行的弹性设计和不屈服设计则需取消组合内力调整,构件的抗震等级均取为四级。中震不屈服设计按中震弹性进行结构设计,虽取消了内力调整系数,但保留了荷载分项系数,材料强度按设计强度取值,这就使设计构件既在中震作用下处于弹性状态又从一定程度上保留了结构的安全度和可靠度;按中震不屈服进行结构设计,则使设计构件在中震作用下达到弹性极限状态,即在取消内力调整系数的基础上,使荷载分项系数、承载力抗震调整系数取为1.0,且材料强度取为标准值。可以看出,中震不屈服设计是中震弹性设计的承载能力极限状态,因而中震弹性设计较中震不屈服设计的安全储备更大、抗震要求更严。通过以上分析,中震弹性设计和中震不屈服设计参数要求可以总结如表4所示。3丙类建筑小震、丙类建筑中震不屈服、弹性大震结构下面就以某25层钢框架-混凝土核心筒高层混合结构为例,对比该结构在丙类建筑小震、乙类建筑小震、丙类建筑中震不屈服、丙类建筑中震弹性下的设计结果。其中,选用不同设防类别建筑主要是为了对比改善结构抗震构造措施和提高结构抗震性能目标的有效性。3.1外钢框架结构某25层钢框架-混凝土核心筒混合结构结构(以下称为Benchmark)层高4m,结构总高度100m,平面尺寸为24.3m×22.8m,标准层平面图如图1所示。结构混凝土强度等级为C40,外钢框架钢材强度等级为Q345。该结构按丙类建筑“恰能满足规范要求”进行设计,即在选定构件截面尺寸时,在保证柱、墙轴压比和纵筋配筋率不超过截面抗剪能力上限的前提下,尽量使结构在多遇地震标准值作用下的层间位移角接近但不超过规范1/800的限值。结构构件信息见表5,利用中国建筑科学研究院PKPM工程计算软件建立计算模型如图2所示。3.2梁间恒载+玻璃幕墙楼面恒载6.0kN/m2,屋面恒载7.5kN/m2,楼面和屋面活载2.0kN/m2,梁间恒载按玻璃幕墙1.5kN/m2考虑。地震信息:按7类设防,第一组,上海Ⅳ类场地土。风荷载信息:基本风压0.55kN/m2,地面粗糙度类别为B类。3.3弹性作用下的结构体系设计对Benchmark进行丙类小震作用下的结构分析,结构满足规范规定的要求。再分别进行乙类小震作用,中震不屈服,中震弹性作用下的结构设计。计算表明,结构性能目标提高后Benchmark出现超筋现象,调整构件截面直至满足规范要求。此时得到的不同结构自振特如表6所示,从表中可以看出,按7度中震进行结构设计时,结构地震作用提高2.85倍,结构周期调整为小震的70%左右方能满足要求。3.4核心筒抗侧刚度按丙类小震、乙类中震、丙类中震不屈服及丙类中震弹性计算结构的位移反应如图3所示,可以看出:①在小震和中震作用下,结构变形均呈现弯曲型为主的特点,表明核心筒对整体结构的抗侧刚度具有重要贡献;②中震地震力为小震的2.85倍,而结构中震下的整体位移反应为小震位移的1.9～2.2倍。3.5小震作用下层间位移角图4给出了按丙类小震、乙类中震、丙类中震不屈服及丙类中震弹性计算结构的层间位移角,可以看出结构满足小震作用下层间位移角1/800限值的要求,中震作用下的层间位移角则远超过此限值;但中震下的层间位移角基本变化规律与小震趋势相同,其值为小震量值的1.9～2.3倍,最大层间位移角分别为1/384(Y向,中震不屈服)和1/402(Y向,中震弹性)。3.6确保我国结构的弹性和屈服按丙类小震、乙类中震、丙类中震不屈服及丙类中震弹性设计结构的工程量有很大差别,尤其是剪力墙厚度及配筋等。例如乙类小震设计与丙类小震设计的主要差别在于剪力墙抗震等级由二级提高到一级,剪力墙配筋相对提高较少,约4%;而中震不屈服设计较小震设计剪力墙混凝土用量将提高48%,中震弹性设计较小震设计剪力墙混凝土用量将提高72%;按中震不屈服、中震弹性设计的剪力墙钢筋用量较小震设计将提分别高101%和159%。因而,在含有剪力墙结构中,要求整体结构的在中震作用下“保持弹性”和“弹性不屈服”都将引起剪力墙厚度过大和工程量数倍增加。建议仅在超限高层结构中采用“中震弹性”和“中震不屈服”的抗震思想,且仅对含剪力墙结构的关键部位或关键构件采用中震设计的方法,并在此类工程中尽可能采用带型钢或钢板的混凝土剪力墙,以减小构件截面尺寸,降低造价。例如,上海环球金融中心结构总高492m,核心筒内暗埋型钢,标准层剪力墙厚度为1.75m,试验表明结构在中震作用下的频率仅下降6%,大震作用下的频率下降14%,基本可以实现整体结构“中震弹性”的设防目标。4关于中震弹性方法设计的几点建议本文通过详细分析结构设计基本烈度地震作用下“中震弹性”和“中震不屈服”两种结构设计要求及参数设置,并以某高层混合结构为例,对比了分别按7度丙类小震、乙类小震、丙类建筑中震不屈服、丙类建筑中震弹性设计结构的动力特性、结构反应和工程量,得到以下结论:(1)按基本烈度地震(中震)作用进行结构设计时,为方便起见,中震阶段的水平地震影响系数最大值和加速度时程曲线最大值可按小震阶段相应值的2.85倍计算。(2)工程常用的设计方法有“中震弹性”和“中震不屈服”两种,两种方法均属于中震阶段的设计方法。中震弹性方法设计的主要构件均处于弹性状态,虽取消了内力调整系数,但保留了荷载分项系数,材料强度按设计强度取值。(3)按中震不屈服进行结构设计,主要构件处于弹性极限,即将进入屈服阶段,因而中震不屈服设计可以看作是中震弹性设计的承载能力极限状态。即在取消内力调整系数的基础上,使荷载分项系数、承载力抗震调整系数取为1.0,且材料强度取为标准值。显然,中震弹性设计较中震不屈服设计的安全储备更大、抗震要求更严。(4)按7度中震进行高层混合结构设计时,结构地震作用提高2.85倍,结构周期调整为小震的70%左右方能满足要求;结构的位移及层间位移角基本变化规律与小震趋势相同,其值为小震量值的1.9～2.3倍。(5)对于高层混合结构,提高抗震设防类别的主要变化在于提高抗震等级,剪力墙配筋相对提高较少,约4%;而设计地震作用从小震提高至中震,将大幅提高剪力墙混凝土用量及配筋量。(6)在含有剪力墙的混合结构中,要求整体结构的在中震作用下“保持弹性”和“弹性不屈服”都将引起剪力墙厚度过大和工程量数倍增加。建议仅在超限高层结构中采用“中震弹