高層建筑結構基于性能的抗震設計分析

1、<p>　　高層建筑結構基于性能的抗震設計分析</p><p>　　摘要：基于性能的結構抗震設計理論是一種概念性的設計方式，根據(jù)建筑的抗震設防目標，利用性能分析形成具體的結構性參數(shù)，最終應用在設計中。同時基于性能的抗震設計還具有經濟性特征，設計中將性能目標和經濟合理性結合起來，以此完成對結構設計的優(yōu)化。 </p><p>　　關鍵詞：性能特性抗震設計抗震設防防震目標 </p

2、><p>　　一、基于性能特性研究的抗震設計理論概述 </p><p>　　1、基于性能的結構抗震設計含義 </p><p>　　采用合理的抗震性能目標和適應性結構抗震措施進行設計，使得建筑結構在各種水準地震的作用下形成的最終的破壞程度達到相應的標準，即滿足業(yè)主或者行業(yè)標準的要求，通過對工程項目進行生命周期的費用效率分析，選擇并確定一種安全可靠且符合經濟合理化的優(yōu)化平衡

3、。從簡單的含義上看，就是利用性能標準選擇結構措施，并使之符合使用標準和經濟標準。 </p><p>　　2、基于性能的抗震理論特征 </p><p>　　基于性能的抗震設計理論實際上是一種在對地震災害分析和對現(xiàn)行的抗震設計理論的反思的基礎上產生的，此理論的設計理念和方法與傳統(tǒng)的設計不同，但是其設計的依據(jù)卻蘊含來了現(xiàn)有的設計理論和經驗，具體的特征如下： </p><p&g

4、t;　　1）支持采用多級設防的目標，基于性能抗震設計理論提出了多級目標設計的理念，此種分級 方式即考慮到了生命安全也從經濟性上考慮，最大限度的降低業(yè)主和社會的損失，保證在其可承受的范圍內，以此為基礎更加注重非結構件和內部設施的保護，將經濟效益的機制引入到了設計中，利用經濟決策方式通過進行費用效率分析，在可靠和經濟之間需求平衡，以確定最佳的抗震方案，達到優(yōu)化設計的目的。 </p><p>　　2）擴展空間，體現(xiàn)設計

5、的個性化。設計人員就可以在此性能目標的基礎上選擇設計方法，采用相應的構造措施，而此種設計更加的靈活，對調的設計積極性和新材料、新技術、新工藝等的應用打開了方便之門，同時結構的抗震能力是在抗震性能的目標下形成的，也是的建筑的抗震能力可以預見。 </p><p>　　3）設計方法多元化。目前基于性能的抗震理論還沒形成統(tǒng)一的研究方法，很多學者采用結構層間變形或者定點移位作為性能指標，其從傳統(tǒng)的以力學為基礎的設計轉變?yōu)橐?/p>

6、形變?yōu)榛A的設計，從彈性設計的方法轉變?yōu)閺椝苄缘脑O計方法，解決了傳統(tǒng)設計理論上的缺憾，盡可能的是的建筑結構的預期功能和實際地震中起到的功能相一致，以保證設計的有效性。 </p><p>　　二、基于性能的抗震結構設計的內容 </p><p>　　1、地震設防的水準設定 </p><p>　　地震設防的標準是指設定未來可能作用在建筑上的地震等級和作用效果，美國工程師協(xié)

7、會曾提出，基于結構性設計理論追求能控制結構所可能發(fā)生的各種地震破壞的水準，因此需要根據(jù)不同的重現(xiàn)期選擇可能發(fā)生的對應不同的地震動參數(shù)。結構損壞嚴重威脅生命安全，雖然損傷但沒有倒塌，經濟上的損失已經超過了業(yè)主可以接受的最大上限。 </p><p>　　2、結構抗震的性能目標設定 </p><p>　　從地震設防的角度看，規(guī)范提出的抗震目標實際上是最低的設防標準，而結構抗震設計則是根據(jù)業(yè)主需求

8、采用的設防標準，其要高于規(guī)范設定的范圍。使用者可以根據(jù)自身的情況出發(fā)，設定一個合理的性能目標。為了方便結構設計，這些定性的性能指標最終將被量化，成為具體結構設計的重要參數(shù)依據(jù)。 </p><p>　　3、基于性能的結構設計實施 </p><p>　　此項內容就是要求將結構的性能要求轉化為合理的性能參數(shù)以此形成具體的指導設計的基礎性數(shù)據(jù)。為了達到這一目標，需要配合合理的處理和分析方法，將前面

9、的目標轉化為與性能指標相關量化數(shù)據(jù)，使之作為指導設計的具體指標。 </p><p>　　三、高層建筑結構基于性能的抗震設計 </p><p>　　按照前面的理論分析的思路，下面就某個高層項目的性能抗震設計的過程進行例舉闡述，以說明在高層建筑中實施性能抗震結構設計的流程和措施。 </p><p><b>　　1、工程基本情況 </b></p

10、><p>　　某城市的高層建筑，按照建筑的整體設計要求，工程項目地下結構為三層，地上為三層裙樓，主要塔樓設計為45層，從工程的高度超過了150m。項目的主體采用的是混凝土框架加核心筒的結構形式。按照業(yè)主的需要，建筑的設計使用年限為50年，整體鋼筋混凝土結構為二級，根據(jù)地域情況，此建筑為丙級，抗震設防為7。 </p><p>　　2、對結構性能的目標選擇 </p><p>

11、;　　通過對工程具體情況的分析，設計人員通過對工程的具體情況的把握，并與業(yè)主方進行了溝通，取得了一致意見，整體結構在震中出現(xiàn)的逐級的損壞，即整體結構都會出現(xiàn)不同程度的損壞，而大部分為輕微，部分出現(xiàn)中等損壞構件進入到屈服階段，出現(xiàn)裂縫，整個樓體的安全性降低，結構需要進行安全性的支護方可允許人員進出，如果恢復使用將需要進行大面積維修。 </p><p>　　3、性能目標的實現(xiàn)措施 </p><p&

12、gt;<b>　　1）小震目標 </b></p><p>　　工程在結構設計的過程中，設計人員通常采用的是計算機輔助設計，即利用軟件將性能目標和實際的結構的參數(shù)聯(lián)系起來，從而獲得可以指導工程建設的具體結構參數(shù)。在計算中主要遵循的是高層建筑結構空間的有限元分析和計算方法，利用三維建模的方式進行模擬分析，如表1所示，為具體的計算后的結構參數(shù)。同時在具體的模型仿真對比中，估算其經濟指標，使之滿足業(yè)

13、主的經濟效益。表格中各種參數(shù)都達到比超過出了國標的要求。 </p><p>　　2）中等地震的目標實現(xiàn) </p><p>　　結合前面的設計參數(shù)，對中等地震中所要達成的目標進行細化，并在基礎數(shù)據(jù)的基礎上對某些參數(shù)進行修正，使之到達設計的目標。根據(jù)目標要求，中震情況下，地震對結構件的影響使之超過了彈性變形范圍，結構的損壞將出現(xiàn)硬性的結構損傷，但是其范圍是可以修復，此時的重點就是通過結構的合理

14、設計保護重點結構的安全，即舍棄某些結構件的完整，而保護主體框梁的安全。在此設計的思路上對整個設計的參數(shù)進行細部調整。對抗震承載力系數(shù)進行調整等，通過這些措施結構的初步設定參數(shù)得到必要的調整，使的滿足小震目標的某些參數(shù)提升達到中等地震的設防目標。 </p><p>　　3）大震情況的目標實現(xiàn) </p><p>　　在設計中，與中震目標實現(xiàn)相似，在利用軟件進行分析和比對的時候，將其設定的范圍進

15、一步擴大，模擬在罕見的高烈度地震的影響下結構所產生的應力改變和相互作用，實際上就是將結構所產生的水平和豎向位移設定為最大，并以此對結構參數(shù)進行調整，使之達到：結構不出現(xiàn)扭轉的效果；第一批塑性鉸出現(xiàn)在某些樓層的梁上；在水平應力的作用下底部的剪力墻再進入塑性變形，以此保證剪力墻為建筑的“脆弱”部位，消除地震的某些應力效應，而保證框架結構的安全，使之始終不能達到塑性階段。這樣將就可以是結構在大震中只出現(xiàn)剪力墻的損壞，而保證主體框架的安全，最終

16、達到大震下的性能目標。 </p><p>　　四、構造設計的措施 </p><p>　　所以該項目中對剪力墻的設計采取了一些控制措施，如：剪力墻加強范圍進行了適當?shù)臄U大，向下和向上進行了必要的拓展，在地下一和地上一層的范圍內進行了剪力墻的增強，主要是增加了約束構件，控制其形變范圍。邊緣約束構件設計使得箍筋范圍符合國標要求，并增加了縱筋的配筋率，同時對剪力墻的控制達到其剪應力標準，構件的長度

17、為剪力墻的25%，在強化區(qū)域采用箍筋和型鋼進行加固處理。 </p><p><b>　　結束語： </b></p><p>　　總之，在性能設計中核心的思路就是按照建筑的實際情況和客戶需求，并參考國標設定建筑的抗震設防的目標，并按照結構的性能特性計算出結構所需要的基本參數(shù)，以此獲得較好的抗震效果，同時結合經濟性指標是項目達到安全和經濟的雙贏。 </p>

18、<p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]李愛群，高振世.工程結構抗震設計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007. </p><p>　　[2]李國強，李杰，蘇小卒.建筑結構抗震設計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008. </p><p>　　[3]葉先磊，史亞杰.ANSYS工程分析軟件應用實例[M