基于性能的某超限高层建筑抗震分析与设计

在小震弹性分析阶段采用我国通用有限元软件 SATWE 软件对其进行弹性分析，根据 《高规》第 5.1.12 条要求用 ETABS 有限元软件建立第二模型按照CQC 法对其进行复核，结果发现两款软件主要验算结果均满足规范要求。根据《高规》（JGJ3-2010)第 4.3.4 条第 3 款采用弹性时程分析法补充计算，其中选取两条天然地震波，一条人工波，底部剪力均满足规范要求
第一章 绪论

1.1 引言

  地震传播到地表层是一种水平方向和铅垂方向在时间空间上无序加速度能量波，能带来房屋倒塌，基础设施损毁，地表开裂等。地壳层的无规律运动碰撞是产生地震的主要原因[1]。地震及地震产生的次生灾害将会对人类的生命财富等构成梦魇，对人类文明的进步构成不可忽视的威胁。地球上各种人类活动留下房屋、构筑物、公路、桥梁等基础设施，是人类文明发展的史书，每次发生强烈地震后都会对以上产生不可估量的损失。我国幅员辽阔处在地球上两个地震活动频繁的地震带上，是地球上地震灾害发生频率较高国家。《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[2] 附录 A 为了指导建筑结构设计，将我国主要城镇主要区县按照地震设防烈度、地震分组、地震加速度进行了划分。笔者现统计下近几年的地震灾害简述如下。2008 年四川省汶川县发生了里氏 8.0 级地震，导致死亡和失踪的人数将近九万人。2010 年海地发生里氏 7.3 级地震由于震源离地面十公里，造成了四十多万栋房屋无法修复的损坏，震灾严重的区域直接磨成平地，死伤人数约五十多万。2010 年智利里氏 8.8 级特大地震引起的次生灾害海啸让数以万计的智利公民无家可归。智利的圣地亚哥、瓦尔帕莱索市、维尼亚德尔玛三大城市住着全国将近一半的人口，因此城市人口密度很大。这三大城市内高层住宅，超限高层综合体等建筑密度很大，在这次特大型强震中造成了很多房屋不可修复的损坏，给整个国家的灾后重建造成了非常大的困难。2011年日本外海里氏9.0级特大地震产生的次生灾害导致福岛第一核电站机组核泄漏，产生核污染直接导致了福岛方圆 20 公里内成了鬼城。地震产生的火灾和海啸造成了 19310 人死亡，数以万计的房屋倒塌或者冲毁，直接经济损失达到1.32 万亿元。这些都是近几年全球范围内发生性质恶劣，夺走无数生命的地震，还有些震级小，局部的地震更是不胜枚举。这些都足以让世界各国工程技术研究人员去思考总结土木工程领域抗震设计原理，推动抗震理论向更先进更可靠方向发展

1.2 基于性能抗震设计理论提出

1.2.1 基于性能抗震设计理论提出的背景

  基于强度（承载力）抗震设计理论[3]广泛应用于建筑结构设计同时也让学者们看到了其弊端，提出了基于位移抗震设计，在此基础上近年来提出了基于性能抗震设计。基于位移的抗震设计理论[4] 最先是由美国学者 J.P Moehle 提出的。J.P Moehle基于位移的抗震思想理论要旨是控制建筑结构在罕遇地震工况下的建筑结构最大顶点位移和层间位移。基于位移抗震理论引起各国学者关注并投入了广泛而深入的研究[5-8]。建筑结构的抗震设计需要结构构件自身具有很高的强度以及抗侧抗弯刚度，在发生小于本地区设防的地震作用下能够不坏。在大震作用下，建筑结构具有很好的延性和耗能能力。这种抗震设计理论分为两阶段，第一阶段在小震作用下验算结构构件强度和变形，第二阶段对容易倒塌的建筑结构或者 建 筑 结 构 薄 弱 层 限 制 其 位 移 角 。 《 建 筑 结 构 抗 震 设 计 规 范 》（GB50011-2010)[2]5.5.1 条，给出了各类结构体系弹性变形验算公式。美国学者最先提出了基于性能的抗震设计理论[9]，加州工程师协会于 1995年出版了一本《A Framework for Performance-Based Engineering(SEAOC Vision2000)》行业内的技术规程。美国应用技术委员会将基于性能抗震设计理论用于建筑结构的加固，并于 1997 年出版了《房屋抗震加固指南》（FEMA273/274)。美国联邦应急管理署（FEMA)分别于 2000 年出版了《Prestandard and Commentryfor the Seismic Rehabilitation of Buildings(FEMA356）》。美国土木工程师学会(ASCE)于 2006 年出版了《Seismic Rehabilitation of Buildings（ASCE41)》。这本书详实介绍了 PBSD 理论组成与分析过程中具体步骤；系统的阐述了建筑结构构件性能水平、性能目标、构件损伤机理、结构位移角限值以及结构抗震构造措施等。美国土木工程界基于性能抗震理论研究与不断拓展，并在美国建筑结构抗震实践中运用，使美国土木工程界逐步普及了基于性能抗震设计。

第二章 工程实例超限判别及性能目标

2.1 概述

  通过对 PBSD 理论的综述，PBSD 理论的发展历程以及我国基于性能抗震设计流程有了清晰的轮廓。现将对深圳市罗湖辖区内的某个超限高层项目按照基于性能的抗震设计流程进行分析与设计。超限高层的建筑基于性能的分析，首先需要以我国《抗规》（GB50011-2010）第一章总则第 1.0.1 条的要求为蓝本来展开。本章节首先将对工程实例进行超限检查，其次确定好建筑结构的抗震的性能目标，最后确定好结构计算分析时的有限元软件，这些都是结构分析前的准备工作。工程实例在建筑师方案设计阶段时，业主单位提供了该项目的工程地质条件，主要功能区活荷载取值等，本章将分步骤列出已知设计条件，为工程实例的超限分析做好准备工作。

2.2 工程简介

 拟建项目在深圳市罗湖区项目地块为不规则地形，南侧地形相对平坦，东北侧地形较复杂，由北向南呈现从高到低的坡地。设计有 4 层地下室，上接七层商业裙房。底盘上部设计 1 座 32 层超高层塔楼，建筑高度 142.3m，地下室柱距为 8~11 米，用途为地下停车场，设备房，商场。 本项目建设用地面积 6750.61㎡， 建筑面积 57200 ㎡，其中商业 29200 ㎡，办公 28000 ㎡，容积率 8.47。

第三章 小震下结构弹性分析

3.1概述

3.2振型分解反应谱法

3.3弹性时程补充分析

3.4本章小结

第四章 中震下结构抗震验算

4.1概述

4.2构件屈服抗力计算方法

4.3构件中震验算

4.4楼板应力验算

第五章大震下结构弹塑性分析

5.1概述

5.2弹塑性模型建立

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

  本工程实例为了实现其性能目标 C 采用了四个有限元程序对结构按照基于性能抗震设计流程对其进行了全面分析，得出以下结论：

（1）在小震弹性分析阶段采用我国通用有限元软件 SATWE 软件对其进行弹性分析，根据 《高规》第 5.1.12 条要求用 ETABS 有限元软件建立第二模型按照CQC 法对其进行复核，结果发现两款软件主要验算结果均满足规范要求。根据《高规》（JGJ3-2010)第 4.3.4 条第 3 款采用弹性时程分析法补充计算，其中选取两条天然地震波，一条人工波，底部剪力均满足规范要求。

（2）中震阶段采用 CSICOL 软件对竖向构件正截面承载力按照不屈服进行验算；斜截面承载力按照弹性进行验算；耗能构件按照不屈服进行验算。按照小震计算配筋和截面得出来结果按照以上要求进行复核，中震计算结果和小震取包络。

（3）大震阶段分析首先通过 ETABS 软件前处理后并导入到 ABAQUS 有限元软件定义好结构构件属性按照小震和中震取包络配筋计算结果模拟分析。按照弹塑性时程分析方法选取两条天然波，一条人工波进行模拟分析能够清晰的看出构件出现塑性铰的具体部位及先后次序。动力弹塑性时程分析结果表明弹塑性楼层位移角、弹塑性楼层侧移量、混凝土构件受压应变、钢筋塑性变形量均满足大震不倒的限制。

（4）按照基于性能抗震设计流程分步骤对工程实例进行分析，最后采用设计策略和构造措施能够使结构满足性能目标“C”的要求。整个分析过程连贯性强，可靠性高，既满足了规范又有超过规范内容；充分说明了 PBSD 理论能够为我国超限高层建筑工程设计与分析提供理论依据。