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引言

由于地震的多發性,對體型復雜的超高層建筑,抗震設計也變得更加重要。世界范圍內最高的一批建筑物的設計和分析超出了規范中的傳統設計方法,如按常規設計有可能作出偏弱和不經濟的結構設計。因此基于性態的設計原理在工程設計中來越得到重視,基于性態的方法要求設計者對建筑物在地震作用下可能形成的性態反應做出評價。對于超高層的建筑則必須采用基于性態的方法以證實該建筑滿足抗震性能,且其設計必須經專家組審查[1]。

1性態準則

基于性態的設計包括:1)選擇多個重現期水準;2)以選定的性態水準相對應的界限值為標準,對構件和建筑物的變形進行評價;3)計算與這些重現期對應的地震地面運動下的結構反應;4)利用"能力設計原理"對構件進行評價,保證不出現非延性失效方式。

分析方法、模型化方法與結構性態本身的隨機性會在預測建筑物反應的過程中引入不確定性。基于性態的設計考慮以下三個因素:1)對輸入的地震地面運動進行組合;2)經分析預測結構的反應;3)建筑物的真實性態之間所作的協調將會取得階段性的持續改進。相對于傳統的規范方法,高層建筑的性態設計方法是一個重要改進,能使設計者和業主更深入了解建筑物在地面運動下可能形成的反應[2]。

2設計目標及建議

高層建筑基于性態的設計應突破傳統規范設計方法,除滿足“小震不壞,中震可修,大震不倒”的抗震設防目標時,尚應考察兩個評價水準,即:1)正常使用水準評價:在重現期約為50a的地震下只出現可忽略的損傷。要求結構基本處于彈性反應狀態。2)倒塌水準評價:在重現期接近2500a的地震水準預計會發生的最大地震振動下防止倒塌。并能證實:a·所有延性結構構件中的非彈性變形需求均小于其變形能力;b·在具有非延性破壞模式的部件中,力的需求不小于其名義強度。同時對超高建筑物和復雜建筑物可能要求設計者證實起控制作用的構件在中等地震振動下仍保持彈性。

經濟地完成高層建筑結構設計是一項復雜的技術,包括在風和地震作用下的側向剛度要求、變形要求和強度要求,且每項要求中都混合有施工可行性等問題。

3場地反應

對于硬、軟巖石場地,基巖運動的場地放大效應通常較小,在危險性評價中可忽略不計。對于密實土和軟土場地,確定地震需求的更完善的方法是完成一項場地反應考察。其中,基巖振動靠豎向傳播的剪切波經非線性土層向上傳遞。當前,正在形成模擬從斷裂到場地的整個波動傳播過程的精細全面的三維方法。

對于建在較軟土層上的具有深埋實體基礎或基礎結構的高層建筑設計,關鍵是在給出地震動在地基層中隨深度的變化規律后,找出更適合用于建筑物的設計的地震動。另外“基礎地震動”有可能明顯不同于地震危險性評價所預測的自由場地地面運動。場地反應研究還應識別邊坡的穩定性、土壤液化的可能性及其它地震地質危險等[3]。

4地基及基礎效應

場地的土層和建筑物的基礎形式能通過不同途徑影響建筑物的地震反應和性態,包括:1)改變在自由場地處或某深度處預測的對建筑物的地震輸入;2)對土-基礎-建筑物體系形成附加柔度和阻尼,這將延長建筑物的周期并減弱地震需求。這些效應在軟土場地上更加明顯。

此外,由于建筑物下面土層中總存在不確定因素。因此在評價土壤性能時總要考慮變異的影響。對一幢高層建筑而言,地基變形對上部結構反應具有顯著作用。建筑物在一次地震中的側向撓度會比其基礎的平移大很多,故基礎體系的水平變形常可忽略不計。但是,因土壤-基礎的可變形性在建筑物基底形成的較小轉動,卻能導致建筑物頂端的顯著側移。故在分析和設計中應考慮這種可變形性。

土-結構相互作用用來描述基礎和土層對結構性能的影響。一般來說,這種影響包括三個方面:1)土壤-基礎體系在滑動和轉動中具有一定的質量和可變形性;2)地震能量經地基基礎傳入上部結構,同時結構中的震動能量會傳入地基,并由地基以及從基礎經應力波的形式外幅射而耗散;3)傳入建筑物的地震地面運動受基礎的埋深和剛度的影響。在結構抗震實踐中,有時土壤的非線性性能有時會成為一個起控制作用的因素,并應考慮到土壤在大應變下的應變軟化和附加滯回阻尼。

對于高層建筑,基礎通常是實體的,并具有相當大的埋深,而且在主塔建筑的基礎和周圍裙房基礎還可能設在不同的深度,此時經基礎傳至上部結構的地震動可能會存在比較大的差異。在某些層狀土中,這種特點有可能會對傳入建筑物的地震運動產生明顯影響。因此建筑物被這種環境下的基礎運動所激勵,應恰當估計結構不同基礎下的地面運動。當表層土不佳且軟時,基底運動和自由場地運動的差異將最為突出。由于土的離散性比較大,以及在定義土壤參數和如何把它們與模型化假定等問題上存在很大不確定性,故結構工程師應謹慎考慮土-結相互作用,采用正確的土-結構相互作用分析模型[4]。

5基于變形的設計原理

在基于性態的抗震設計中,變形是起控制作用的參數。由于性態以損傷程度為標志,損傷又與構件和體系的變形程度相關,必須提供足夠的強度來防止過度的非彈性變形。另外,那些在達到最大強度時不具備屈服后變形能力的構件則不允許經歷非彈性變形。因此對這類構件應使用基于力的驗算方法。

建筑物的總位移只能對建筑物的性態作定性評價。層間位移角是在一個給定的時間步長內兩個相鄰樓蓋的相對水平位移角,但在高層建筑中是把每層的這些相對運動看作剛體位移和剪切變形角引起的分量來評價。同時應彈性層間位移角限值與彈塑性層間位移角限值的要求。

非彈性的構件變形是評價延性構件的結構性損傷及結構性倒塌趨勢的基礎。評價一般是通過在一個時點比較逐個單一部件的變形需求與容許值來完成的。而容許值應以所提供的結構性構造以及并存的構件力為依據。

6結構分析及模型化方法

在此引入高層建筑結構構件模型化的基本原理,對每一類構件的分析都要建立一個三維有限元模型,以便表征結構的平動和扭轉效應。建筑物的數值模型應細化到足夠的程度,以考慮影響建筑物反應的結構性構件和非結構性構件的交互作用。此外,對“正常使用水準評價”和“倒塌水準評價”可以建立不同的模型。

在建筑物的數學模型中,應包括其剛度和質量對建筑物的動力反應作出貢獻的所有結構性構件和非結構性構件。對只承擔重力荷載的結構體系,特別是在鋼筋混凝土結構中,將明顯影響高層建筑的抗震性態,也應包括在數學模型中。設計者應在"抗震設計基本資料"中記錄下分析中使用的構件模型的基本技術信息。并應能重現構件在相關物理試驗中的力-變形關系。

7彈性分析及非線性分析

7·1彈性分析

振型分解反應譜法和時程分析法是高層建筑常用的兩種彈性分析方法。彈性分析適用于每個結構構件的需求都小于它的名義強度。彈性分析通常用于“正常使用水準評價”。

使用反應譜法分析時,必須有足夠多的振型參與,以便至少讓地震動沿每個主軸輸入建筑物的總質量的90%參與進來。地震荷載的方向效應通過以下兩種分析方法之一來考慮:1)沿建筑物的每個主軸同時使用最大值譜(或最小值譜)和最小值譜(或最大值譜);2)沿建筑物的每個主軸同時作用最大值譜(或30%最大值譜)和30%最大值譜(或最大值譜)。通過以上分析方法所得的最大(最不利)需求,對結構構件逐個構件進行評價來完成性態評價。

反應時程分析時,構件應驗算保證在分析的每個時間步長內,從未乘系數的重力荷載和地震荷載效應獲得的需求都小于名義抗力。在一個時間步長內對于一個給定的作用計算名義抗力時應考慮同時存在的其它作用。

7·2非線性反應時程分析及評價

反應譜法不是完全的動力法,地震動對結構的作用是一個隨時間變化的過程,反應譜法求出的只是變化過程中的最大值,同時只能用于線彈性結構分析,不適用于非線性結構分析。地震作用產生的強烈響應,往往會使結構進入彈塑性狀態,需要采用非線性分析,對于倒塌水準一般是非線性分析。非線性分析對于倒塌水準評價是必要的。分析中應考慮二階效應,不需要考慮偶然性扭轉。采用非線性時程分析時,在地震地面運動作用前就必須先行引入建筑物承重結構在重力荷載下的初始應力狀態。

在分析的每個時間步長內,應通過驗算保證構件從不乘系數的重力效應和地震荷載效應得到的需求均小于對應的抗力。延性作用的抗力用構件的變形表達;非延性作用的抗力用力的形式表達。不論哪一類作用,在給定時間步長內對一個給定作用(例如彎曲)計算抗力時,都應考慮在該時間步長內同時存在的作用(例如軸力與剪力)。

8評審專家審查及性態監控

在中、高地震危險性地區,越來越需要針對某個工程項目建筑物設計的專家組審查。高度明顯偏大的建筑物要經過專家組或者有抗震性態控制和高層建筑分析、設計經驗的咨詢公司的仔細審查。專家隊伍須包括高層建筑物設計、基于性態的地震工程、非線性動力分析、各種材料、構件和體系的非彈性性能、巖土工程以及地震危險性分析等方面的專家。對于高層和超高層建筑的分析與設計,應強制性通過專家或獨立的評審專家組。

此外,鼓勵裝設量測儀器對建筑物的風效應和地震反應進行監控。這種監控為業主和結構工程師提供有價值的數據,以便在地震后立即評價可能形成的損傷,并為設計界提供有價值的數據來校準和進一步改進設計方法。

9結論

在建筑工程中高層或超高層建筑使用不常用的高性能材料和結構體系,或超出了現行規范的高度限制。由于現行建筑規范的傳統性條款限制性過強,導致超出了規范傳統性條款限制條件的設計。可行的方法是使用基于性態的設計,現有的技術及經驗也為設計提供了一定的依據。基于性態的設計突破了傳統的規范設計方法,能夠設計出更好的截面尺寸及構造要求,從而能夠深入的把握高層建筑的性態,對其性能和安全性有更大的把握。基于性態的設計將會隨工程設計的實踐而不斷完善。