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防震减灾专题
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基于传统和性能的高层建筑抗震设计方法
来源:网站标题    时间:2017/1/21 9:30:20    浏览:7256  次

传统的高层建筑抗震设计方法

目前,我国高层建筑的抗震设计遵循的是小震不坏、中震可修、大震不倒的三水准设防目标,主要采用两阶段设计来实现上述3个水准的设防目标。

第一阶段设计是承载力验算,取第一水准的地震动参数计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应,在可靠度分析基础上采用分项系数设计表达式进行结构构件截面承载力抗震验算,满足小震不坏的设防目标。

第二阶段设计是弹塑性变形验算,对有薄弱层的不规则结构或有专门要求的结构,通过弹塑性层间变形验算并采用相应的构造措施,满足大震不倒的设防目标。中震可修的设防目标则通过概念设计和若干抗震措施来实现,主要体现在第一阶段设计中。概念设计包括结构选型、限制房屋高度、最小地震剪力等;抗震措施则包括内力调整放大、不同抗震等级的构造要求等内容。

以钢筋混凝土框架结构为例,第一阶段设计执行强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件内力调整和一系列构造要求的相关规定,对规则框架结构,中震可修、大震不倒的设防目标采用以上抗震措施就能实现,对有薄弱层的不规则框架结构或有专门要求的结构,还要补充第二阶段设计才能实现大震不倒的设防目标。

新一代区划图GB18306—2015提出了四级地震作用的概念,原有区划图的基本地震动、多遇地震动和罕遇地震动基础上增加了极罕遇地震动。基本地震动定义为50年超越概率10%的地震动,多遇地震动、罕遇地震动的50年超越概率为63%2%,极罕遇地震动的年超越概率为1/10000。以基本地震动峰值加速度区划图为基础,GB 18306—2015规定了其他三级地震动峰值加速度的取值范围,多遇地震动峰值加速度不宜低于基本地震动的1/3、罕遇地震动峰值加速度宜为基本地震动的1.62.3倍、极罕遇地震动峰值加速度宜为基本地震动的2.73.2倍。

新一代地震区划图提出的四级地震作用的概念,预示我国高层建筑抗震设防的指导思想将逐步由三水准设防多水准设防过渡。而性能化设计以性能目标为导向,是为结构抗震设计提供个性化解决方案,与新一代地震区划图的指导思想一致,所以性能化设计将逐步成为高层建筑抗震设计的主流思想。虽然本次抗震规范的修订还没有将这一部分内容涵盖进去,但对于重要建筑结构的设计,仍然可以通过性能化设计的方法进行极罕遇地震下的倒塌验算,提高结构抵御特大地震的能力。

基于性能的高层建筑抗震设计方法


性能化设计的提出


三水准设防、两阶段设计以保证生命安全为第一要求,允许结构产生一定范围的损坏但应防止倒塌。现代建筑的高速发展和历次地震的经验教训使人们渐渐意识到,抗震设计不仅要防止结构倒塌、保证生命安全,还要考虑经济财产损失及其造成的影响。

“3·11”日本地震为例,虽然福岛第一核电站的主体结构没有发生倒塌,但是内部设备破坏引发爆炸,造成核泄漏事件,后果非常严重。为了满足结构抗震性能的多样化需求,美国学者在20世纪90年代初期率先提出基于性能的抗震设计理论,核心思想是以性能目标为导向,满足结构抗震的个性化需求。围绕性能目标,设计者可以根据实际工程情况提出比规范更为有效的抗震措施,也可以采用规范没有规定的新体系、新技术、新材料,最终目的都是保证结构在不同风险水平的地震作用下达到预定的性能水准。

性能化设计的现状

目前,世界各国都在进一步广泛研究基于性能的抗震设计理论,并逐步在标准规范中纳入了相关的设计方法。

美国加州工程师协会编制的SEAOC Vision2000将性能目标由低到高划分为3级:基本设防、重要设防、特别设防。表1SEAOC Vision2000的性能目标选定方案。


性能目标

性能水准

多遇

偶遇

罕遇

非常罕遇

基本设防

OP

IO

LS

CP

重要设防

OP

OP

IO

LS

特别设防

OP

OP

OP

IO

1  SEAOC Vision2000性能目标

多遇(43年一遇)、偶遇(72年一遇)、罕遇(475年一遇)、非常罕遇(970年一遇)地震下,结构应分别达到预设的4个性能水准之一,由高到低依次是:功能正常(Operational)、继续使用(Immediate Occupancy)、生命安全(Life Safety)和避免倒塌(Collapse Prevention),简称OPIOLSCP

我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)将性能目标由高到低分为ABCD四级(见表2)。

性能目标

性能水准

多遇

设防

罕遇

A

1

1

2

B

1

2

3

C

1

3

4

D

1

4

5

2 《高层建筑混凝土结构技术规程》

JGJ3—2010)性能目标


多遇(50年一遇)、设防(475年一遇)、罕遇(16002400年一遇)地震下,结构应分别达到预设的5个性能水准之一。水准1—水准5的具体内容如表3所示。


结构抗震

性能水准

宏观损坏程度

损坏部位

继续使用的可能性

关键构件

普通竖向构件

耗能构件

1

完好、无损坏

无损坏

无损坏

无损坏

不需修理即可继续使用

2

基本完好、轻微损坏

无损坏

无损坏

轻微损坏

稍加修理即可继续使用

3

轻度损坏

轻微损坏

轻微损坏

轻度损坏、部分中度损坏

一般修理后可继续使用

4

中度损坏

轻度损坏

部分构件中度损坏

中度损坏、部分比较严重损坏

修复或加固后可继续使用

5

比较严重损坏

中度损坏

部分构件比较严重损坏

比较严重损坏

需排险大修

3  各性能水准结构预期的震后性能状态

性能化设计的应用


性能化设计对高层建筑的高度、规则性、结构体系没有笼统的限制,设计者可以根据具体情况设定性能目标,通过分析、论证和评价,考察目标的合理性。以性能目标为导向,可以采取比规范更有效的抗震措施,也可以采用规范没有规定的新体系、新技术、新材料。所以,性能化设计最先应用于高度或不规则程度超出规范要求的超限高层建筑。


基于性能的抗震设计方法在实际应用过程中迅速发展并走向成熟,目前已经在越来越多的结构类型中得以应用并取得很好的效果,如钢结构、钢混组合结构等。值得一提的是,隔震结构和消能减震结构性能化设计一方面提升了结构自身的抗震性能,另一方面也促进了减隔震技术的发展。此外,性能化设计也不再单单局限于主体结构,其应用范围已经扩展到非结构构件,如砌体填充墙、玻璃幕墙、管道系统、照明系统、消防系统、通信设备等。


新一代区划图对性能化设计的新要求


目前,性能化设计的实施过程可简要地概括为三步:


第一,综合考虑结构用途、业主和使用者的特殊要求、建造费用、震后损失、修复难易程度等因素,科学合理地设定性能目标;


第二,采用弹性和弹塑性计算分析,必要时补充构件、节点或整体模型试验,评定结构在不同风险水平的地震作用下能否达到预设的性能水准;


第三,找出结构可能存在的薄弱部位和需要加强的关键部位,有针对性地加强抗震措施。新一代区划图明确了四级地震作用,首次提出年超越概率为1/10000的极罕遇地震动,对性能化设计提出了更高的要求。基于新一代区划图,结构在极罕遇地震下应该达到什么样的性能水准,需要进一步展开研究。