基于预设屈服模式的复杂高层结构抗震设计分析

抗震设计是保证人民生命财产安全的主要措施，经过近百年的研究，抗震设计已经取得了长足的发展，但是对于复杂高层建筑抗震设计而言，结构工程师仍然面对着极大的挑战。本文以复杂高层建筑为研究对象，首先分析了其震害及破坏机制，其次简述了相关抗震设计方法的发展历程及现状，进而提出了预设屈服模式设计方法，最后通过规则高层结构和体型收进结构案例对上述抗震设计方法进行了验证。
第 1 章 绪论

1.1 引言

  我国高层建筑的发展可以追溯到千年以前，例如山西应县木塔、杭州保俶塔、石家庄正定古塔等。由于经济技术等原因的限制，这些古建筑主要采用砖石木等材料，构件尺寸往往过大，使用面积相对较小，造型也比较单一。上世纪初，工业技术的进步为高层建筑的发展奠定了基础，在欧美等地区首先出现

了高层建筑结构。到 20 世纪中叶，材料科学的进步则推动了高层建筑的迅速发展，我国高层建筑也是从这一时期开始发展的。到 20 世纪 90 年代以后，高层建筑则在我国快速发展，建筑高度不断被刷新，体型结构日渐丰富，特别近二十余年的发展势头则更为迅猛，目前已位居世界前列。已建成的典型高层建筑包括上海中心（高 632m）、深圳平安国际金融大厦（高 600m）、广州东塔（高 530m）、中国尊（高 528m）等，它们作为标志性建筑已经成为一个城市乃至国家的名片，彰显了国家经济实力[1-3]。然而随着计算分析方法的不断进步、经济的快速发展以及学科的不断完善，高度已经不是高层建筑所追寻的唯一目标，近期出现的高层建筑诸如成都来福士广场、CCTV 总部大楼、丽泽SOHO 等复杂高层结构（图 1-1），其造型往往突破传统，追求奇异

1.2 高层建筑结构抗震设计方法

1.2.1 传统抗震设计方法

  众所周知，在水平荷载作用下，高层建筑所产生的效应不是线性分布而是随着结构高度的升高而急剧增加的，例如在风荷载作用下，结构的倾覆力矩和高度的平方成正比，而位移则和高度的四次方成正比，地震作用下高层结构效应随高度的增幅则更为显著[42]。根据大量震害统计，地震作用作为破坏性巨大的自然灾害之一，往往是建筑结构的控制荷载[43]。复杂高层结构由于其在造型上追求奇异，在地震作用下受力更为不均匀，更容易形成薄弱部位从而发生薄弱部位破坏甚至整体倒塌，所以对于复杂高层建筑的抗震设计而言，难度将进一步提升，须通过承载力，刚度和延性相统一的概念设计来保证此类

结构的安全。在经历了 20 世纪初期的几场大地震后，美国和日本率先开始对建筑结构抗震设计方法进行研究。经过将近一个世纪的研究和发展，建筑结构抗震设计在理论层面得到逐步完善，相应的设计方法可归纳为静力侧力法、反应谱设计法、基于性能的抗震设计方法三个发展阶段[44,45]。我国有关建筑结构抗震设计的研究虽然起步较晚，但是发展迅速，主要发展历程如表 1-1 所示，目前已属于世界先进水平[46-53]。现阶段我国的高层建筑抗震设计依据的是“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”来实现上述三个水准的设防目标。第一阶段设计是承载力验算，根据多遇地震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，然后根据可靠度理论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保证结构的最大层间位移角小于相应的限值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。概念设计则包括结构选型、限制房屋高度、最小地震剪力等。抗震措施则通过不同抗震等级来实现，包括强柱弱梁，强剪弱弯等内力调整和构造措施两方面。“三水准两阶段”的设计思路与 R.Park 等在 20 世纪 70 年代提出的能力设计法的核心思想一致[54,55]，即通过控制构件正截面和斜截面的承载力差值和不同构件间的屈服承载力差值保证结构屈服模式的合理性。

第 2 章 基于预设屈服模式的复杂高层结构抗震性能化设计方法

2.1 预设屈服模式的概念

  我国规范给出了诸如相邻楼层侧向刚度比、承载力比、楼层水平尺寸比、质量比等多项指标来表征结构的不规则性，但是基于上文的研究可知：上述指标尚不能充分控制复杂超限结构的抗震性能[75]。徐自国[81]提出一种构件正截面承载力冗余度分析方法，该方法给出了结构的刚度、内力以及破坏模式之间的显式表达。构件正截面承载力冗余度的本质是构件安全储备度的直接体现，可以通过结构各构件冗余度的数值，判断结构的薄弱部位，通过对收进和层高变化的结构进行研究表明：构件正截面承载力冗余度法可以准确判断其薄弱部位[6,81]。基于上述研究，本文给出预设屈服模式的定义：针对复杂高层结构，预先设置抗震性能目标，然后围绕性能目标进行简明、高效、合理、准确的计算分析，最终实现预期的性能目标，保证构件和结构发生合理的屈服模式（破坏模式）。无论是传统抗震设计方法还是抗震性能化设计方法，其本质均为预先为结构或者构件设置了一种屈服模式（破坏模式），能否保证结构发生合理的屈服模式则为抗震设计的关键问题。我国“三水准两阶段”的传统抗震设计方法可以保证规则建筑结构在不同水准地震作用下的抗震性能，而对于不规则的复杂高层结构而言，传统抗震设计方法可以保证其在多遇地震作用下实现“小震不坏”的性能目标，但在设防烈度地震和罕遇地震作用下，结构进入塑性，结构的不规则导致了塑性内力重分布的不规律，设防烈度地震和罕遇地震下的性能目标往往不能自动满足，需要进行抗震性能化设计，针对结构的躯体情况指定相应的性能目标，提高结构的在地震作用下的安全储备。

现阶段抗震性能化设计在具体实施过程中有待统一的方面如下：（1）在性能目标的设定上，往往基于概念设计的思想人为提高关键构件的承载力，因为概念设计本身存在一定程度的经验成分，所以存在忽略结构某些薄弱部位的可能性，从而为结构选择不合理的性能目标，进而影响包络设计的结果，最终无法充分确保复杂高层结构在地震作用下可以发生合理的屈服模式；（2）在计算参数的设定上，构件的刚度折减系数存在不合理的现象，如连梁的刚度折减系数往往随着地震水准的提升而成比例的选择统一的数值，未考虑其刚度退化的差异，框架梁在地震作用下的刚度退化通常未被考虑，这就造成结构在设防烈度地震和罕遇地震下的弹性计算模型本身不合理，不能准确反映结构在相应水准地震作用下的真实内力分布和塑性发展。综上所述，需要对现行抗震性能化设计进行改进。大量学者[6,81,82]对上述问题开展了相关研究，希望通过构件的冗余度的概念，预设结构在设防烈度地震和罕遇地震作用下的屈服模式。本文基于上述研究，提出了预设屈服模式设计方法。

2.2 基于预设屈服模式的复杂高层建筑抗震性能化设计方法

2.2.1 设计流程

  预设屈服模式的基本原则可以按图 2-1 方案进行：（1）薄弱部位可通过弹塑性时程分析和反应谱分析等方法进行判断；（2）综合考虑结构的高度、规则性、场地类别、结构类型以及设计方案的经济实用性等因素，选择合理的性能目标；（3）通过合理的计算方法以及措施保证性能目标的实现。具体的设计流程如图 2-2 所示，预设屈服模式采用逐步预设性能目标的方式保证复杂高层结构在不同水准地震作用下的抗震性能，与抗震性能化设计方法相同，该设计方法是在传统抗震设计方法性能目标的基础上进一步提升结构性能，所以“小震不坏、中震可修、大震不倒”仍然为其最低性能水准。多遇地震设计阶段：结构构件均处于弹性、无损坏状态，可基于弹性分析方法进行设计。与规范方法不同的是，该设计阶段无需考虑构件的内力调整，在设防烈度地震和罕遇地震作用下的性能通过后续步骤保证。同时，基于多遇地震的弹性反应谱分析可以初步判断结构的薄弱部位，如有薄弱部位或者更高的性能需求，则继续进行下一水准地震设计阶段。设防烈度地震设计阶段：首先依据多遇地震设计阶段确定的薄弱部位，综合考虑相关因素选择合适的性能目标，但是所选性能目标不能低于“中震可修”的要求。在进行设防烈度地震的反应谱分析前，应先通过弹塑性时程分析确定可屈服构件在设防烈度地震下刚度的实际退化情况和进一步的确定薄弱部位，然后通过反应谱分析回代刚度折减系数的方式进行等效弹性分析，最后根据反应谱分析得到的内力进行分析计算。与规范方法的区别是：此时的内力考虑了结构可屈服构件在地震作用下进入塑性造成的刚度退化和阻尼增加，更为真实的反映了结构内力的分布情况，至此，设防烈度地震设计阶段结束。如有更高水准地震作用下的性能需求，则继续进行下阶段设计。罕遇地震设计阶段：与设防烈度地震设计阶段采用相同的模式继续进行罕遇地震设计阶段，该阶段性能目标同样不能低于“大震不倒”的要求。需要注意的是，不管是设防烈度地震设计阶段还是罕遇地震设计阶段，在进行弹塑性时程分析时应注意不允许屈服的构件是否满足承载力的需求，如不满足，则需调整结构方案重新设计。结构的刚度退化可以通过刚度折减系数的形式在整体结构分析中进行考虑，在相应水准地震下应当保证弹性的构件（如柱、剪力墙等关键构件），在弹塑性分析时应将该部分构件指定为弹性，然后通过部分弹塑性分析得到该构件保证弹性水准时，与之匹配的允许屈服构件（如连梁、框架梁、支撑和耗能构件等）的刚度折减系数。

第 3 章 基于预设屈服模式的高层结构抗震性能分析

3.1 高层结构概况

3.2 规范常规设计方法

3.3 规范性能化和基于预设屈服模式的抗震设计方法

3.4 本章小结

第 4 章 基于预设屈服模式的复杂结构抗震性能分析

4.1 复杂高层结构概况

4.2 规范常规设计方法 

4.3 规范性能化和基于预设屈服模式的抗震设计方法

4.4 不同屈服模式对复杂高层结构抗震性能的影响分析

第 5 章 结论及展望

  抗震设计是保证人民生命财产安全的主要措施，经过近百年的研究，抗震设计已经取得了长足的发展，但是对于复杂高层建筑抗震设计而言，结构工程师仍然面对着极大的挑战。本文以复杂高层建筑为研究对象，首先分析了其震害及破坏机制，其次简述了相关抗震设计方法的发展历程及现状，进而提出了预设屈服模式设计方法，最后通过规则高层结构和体型收进结构案例对上述抗震设计方法进行了验证。

5.1 主要研究结论

  基于本文开展的相关研究，可以得到的主要结论如下：

（1）复杂高层建筑在地震作用下的受力相较于规则结构更为复杂，在地震中容易发生薄弱部位破坏。现阶段规范抗震设计方法在复杂高层建筑抗震设计的应用上存在一定局限性，需要进一步研究。

（2）基于我国现阶段抗震设计的研究现状，提出了预设屈服模式设计方法，该方法相较于规范方法具有如下优点：1）该方法设计过程更为简明高效，避免了较繁琐的内力调整。2）可真实反映复杂高层结构各构件内力的分布和塑性发展情况，有效提高反应谱分析的计算精度。3）将时程分析转化为等效弹性分析，完善了弹塑性分析指导结构设计。4）采用工程设计人员熟悉的反应谱法进行设计，提高了抗震设计方法的鲁棒性。

（3）通过对本文规则的框架-核心筒结构进行分析可知：对于规则结构而言，规范方法和预设屈服模式设计方法均可以保证结构的抗震性能。预设屈服模式设计方法可以实现合理的损伤模式控制，更为真实的反映结构在地震作用下的响应且经济性也较规范性能化设计方法有一定程度的提升。

（4）通过体型收进复杂高层结构案例证明：预设屈服模式设计方法设计的结构抗震性能优良且具有一定经济性。相较于规范常规方法和规范性能化设计方法设计结构的薄弱部位最大层间位移角分别为 1/88 和 1/94，采用预设屈服模式设计方法设计结构的最大层间位移角为 1/112，分别减小 27%和 19%。相较于规范常规设计方法和规范性能化设计方法的钢筋用量分别为 2223 吨和 2242 吨，预设屈服模式设计方法的钢筋用量为2202 吨，分别减少 1%和 2%。

（5）通过 A1、A2、A3 三种设计方案，对本文体型收进结构的薄弱部位进行了不同屈服模式的抗震性能影响性分析，研究表明：对于本文的体型收进结构而言，底加强部位的抗震性能更加容易保证。