结合某超限高层浅析混凝土结构性能设计方法

结合某超限高层浅析混凝土结构性能设计方法

邹宇杰

中国葛洲坝集团房地产开发有限公司武汉事业部湖北武汉430030

摘要：基于性能的抗震设计方法已经被国内外广泛的应用于抗震设计规范，目前在国内基于性能的设计方法还只应用于超限高层的设计与分析，本文是学习基于性能设计的一个总结，结合其背景理论和某实际工程对该设计方法做了较为详细的论述，希望对正在学习性能设计的工程师有所帮助。

关键词：超限高层；基于性能的设计；关键构件

1超限高层抗震性能目标的选取

1.1规范对抗震性能目标的规定

根据《高层建筑混凝土结构设计规程》，A、B、C、D四级抗震性能目标的结构应满足下列要求[1]：

1）在小震作用下均应满足第1性能水准的要求，即满足弹性设计的要求。

2）在中震或大震作用下，四种性能目标所要求的结构抗震性能水准有较大的区别：○1A级抗震性能目标是最高等级，要求结构中震作用下达到第1性能水准（中震弹性），大震作用下达到第2性能水准（大震不屈服）；○2B级抗震性能目标，要求结构中震作用下达到第2性能水准（中震不屈服，结构基本处于弹性状态），大震作用下结构达到第3性能水准（大震轻度损坏）；○3C级抗震性能目标，要求结构中震作用下达到第3性能水准（中震轻度损坏），大震作用下结构达到第4性能水准（大震中度损坏）；○4D级抗震性能目标，要求结构中震作用下达到第4性能水准（中震中度损坏），大震作用下结构达到第5性能水准（大震不倒，比较严重损坏但不倒塌）。

1.2抗震性能目标选取的原则及影响因素

选用抗震性能目标时，需综合考虑抗震设防烈度、设防类别、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素[1]。鉴于地震地面运动的不确定性以及对结构在强烈地震下非线性分析方法存在不少经验因素，缺少从强震记录、设计施工资料到实际震害的验证，对结构抗震性能的判断难以十分准确，尤其是对于长周期的超高层建筑或特别不规则结构的判断难度更大，因此抗震性能目标的选用应根据结构的重要性、结构总高度、不规则的程度及结构复杂程度综合选取并宜偏于安全一些，根据规范及相关资料一般民用工程抗震性能设计目标可如下原则选取：○1特别不规则的且房屋高度超过B级高度很多的高层建筑或处于抗震不利地段的特别不规则的结构，可选用A级性能目标；○2房屋高度超过B级高度较多或不规则程度超过《高规》使用范围很多时，可选用B级或Ｃ级性能目标；○3房屋高度超过B级高度较少或不规则程度超过《高规》使用范围较多时，可选用Ｃ级性能目标；○4房屋高度超过Ａ级高度但不超过Ｂ级高度或不规则程度超过《高规》使用范围较少时，可采用Ｃ级或Ｄ级性能目标。

2性能设计中关键构件的选取

2.1框架结构关键构件的选取

框架结构的破坏机制为“梁铰型破坏”时耗能能力及结构的延性较好，其理想的破坏机制应为：框架梁端首先出现塑性铰且充分发展→柱底出现塑性铰→结构破坏。在框架结构中主要的抗侧力构件为由框架梁和框架柱刚接组成的框架，根据实验研究表明框架柱破坏时的延性与轴压比、剪跨比及采用的箍筋形式和配箍率有关，在设计中应该对延性水平较低的构件采用提高其承载力的方式避免地震中发生脆性破坏[]，其中短柱及轴压比较大的框架柱破坏时延性水平较低，设计中应保证其有足够的承载力；长短柱同层时（有穿层柱），由于长柱在地震分析时分配到的地震力较小，设计时配筋会较同层、同截面的短柱配筋要小，而实际地震中有可能会造成各个击破的状况，因此设计中应该对长短柱同层的长柱的承载力水平有足够重视；框架结构在地震中变形较大的部位（如角柱）一般都是容易发生破坏的薄弱部位，设计中应该在保证其变形能力（提高抗震构造措施）的基础上适当增大承载力，以避免地震中出现各个击破而造成的严重破坏。根据以上分析，框架结构的关键构件应选定为底层轴压比较大的框架柱、短柱、平面扭转变形较大部位的框架柱（如角柱）及长短柱同层且数量相当时该层的各穿层柱。设计中还应注意避免构件承载力加强后导致薄弱层（或者大震下预期柱底截面屈服的机制）转移而造成延性很差的层间破坏机制。

2.2剪力墙结构关键构件的选取

剪力墙结构的理想破坏机制为：大部分连梁出现塑性铰→框架梁梁端出现塑性铰且充分发展→剪力墙底部（底部加强部位）出现塑性铰→结构严重破坏。实验研究表明，剪力墙的延性主要与其相对受压区的高度有关，相对受压区高度越大延性越差，带翼缘的剪力墙在侧向力作用下相对受压区高度较一字型剪力墙要小，延性优于一字型剪力墙；剪力墙的破坏形态与剪力墙的剪跨比有很强的相关性，由实验研究[4]可知剪力墙的剪跨比λ（M/（V*hw））≥2时侧向力作用下主要以弯矩作用为主，容易发生延性较好弯曲破坏；剪跨比1＜λ＜2时，很难避免出现斜剪裂缝，按强剪弱弯设计时可能会实现延性尚好的弯剪破坏；λ≤1时剪力墙一般出现脆性的剪切破坏（脆性破坏）。根据以上分析，剪力墙结构的关键构件应选定为底部加强部位的一字形剪力墙、剪跨比较小（λ＜2）的剪力墙、短肢剪力墙、轴压比较大的剪力墙及结构平面扭转变形很大部位的剪力墙。设计分析中应调整配筋或截面使大震作用下剪力墙塑性铰出现在底部加强区范围内（抗震构造措施加强的部位），要避免因底部承载力加强的太大而导致剪力墙塑性铰转移至上部非加强部位。

2.3框架剪力墙结构关键构件的选取

框架剪力墙结构为比较理想的具有双重抗侧力体系的结构体系，其比较理想的破坏机制为：大部分连梁出现塑性铰→框架梁梁端出现塑性铰且充分发展→剪力墙底部（底部加强部位）出现塑性铰→内力重分布，框架与剪力墙共同承担水平力（此时结构周期变长地震反应有所减小）→最后框架柱底部出现塑性铰→结构严重破坏。框架剪力墙结构中的框架柱承担较大面积的竖向荷载且为结构的第二道防线，故框架剪力墙结构中的关键构件应取为框架柱、底部加强部位的一字墙、剪跨比较小的剪力墙、轴压比较大的剪力墙及结构平面扭转变形较大部位的剪力墙。设计分析中应评估破坏过程是否与预期的破坏机制相同，是否发挥了双重抗侧力体系的优势，要避免底层框架柱先于剪力墙出现塑性铰。

2.4框支剪力墙结构关键构件的选取

框支剪力墙结构为竖向不规则的结构（复杂高层），根据规范相关规定其破坏机制为：框支层以上结构的大部分连梁出现塑性铰→框架梁梁端出现塑性铰且充分发展→非落地剪力墙底部加强部位出现塑性铰→结构严重破坏。由于其结构布置竖向不规则，且地震反应不确定性较多，转换构件和落地剪力墙的破坏会造成非常严重的后果。根据以上分析框支剪力墙结构的关键构件应选取为框支结构（框支柱、框支梁）、落地剪力墙的底部加强部位及转换层楼板[3]。设计分析中应评估竖向构件的塑性铰是否出现在框支层以上的底部加强区及关键构件的承载力水平是否能够满足规范的相关要求。

结束语：

抗震设计中更强调实施性能目标的深入分析和论证，经过论证可以采用现行标准规范中还未规定的新的结构体系、新技术、新材料；有利于针对不同的设防烈度、场地条件及建筑的重要性采用不同的性能目标和抗震措施。这一方法是一种发展方向，目前我国超限高层建筑工程设计已经广泛采用基于性能的抗震设计方法。

参考文献：

[1]缪昌文，顾祥林，张伟平，郭弘原.环境作用下混凝土结构性能演化与控制研究进展[J].建筑结构学报，2019，40（01）：1-10.

[2]姚继涛，程凯凯.我国混凝土构件的结构性能检验方法述评[J].建筑结构学报，2015，36（11）：142-148.

[3]刘学勇，杨国平.港口工程钢筋混凝土结构性能退化的影响因素[J].中国港湾建设，2015，35（06）：41-45.