抗震性能化设计

关键词： 设计 性能 抗震 工程

抗震性能化设计（精选十篇）

抗震性能化设计 篇1

在现在工程的抗震设计中, 由于房屋的功能负责性和重要程度, 结构或个别构件需要更多的灵活性和针对性, 抗震性能化设计可根据具体情况, 选取合适的性能目标, 并选定性能设计指标, 是解决此问题的有效方法。

1 性能化设计概念

建筑抗震性能化设计就是:根据工程的具体情况, 确定合理的抗震性能目标、采取恰当的计算和抗震措施, 实现抗震性能目标的要求。

结构设计中的许多工作, 其实本质上就是抗震性能设计的具体内容, 在抗震设计中, 常说的“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”三水准就是一种性能目标, 它要求的大震不倒就是最基本的抗震性能目标。

抗震性能也可针对某些部位或关键构件, 结构的重要构件如转换梁, 框支柱, 中震不屈服的就是更高的一个性能目标。

结构顶层取消部分柱形成空旷房间, 按照中震设计, 对应的性能目标就是在设防烈度地震 (中震) 作用下, 顶层柱仍处于弹性 (或不屈服) 状态。

2 抗震性能化设计目标

基于性能的抗震设计首先需要根据地震水准确定性能目标, 地震动水准可选用规范的多遇地震、设防地震和罕遇地震的地震作用影响最大值, 比如当抗震设防烈度为7度, 设计地震基本加速度为0.15g时, 多遇地震、设防地震和罕遇地震影响系数最大值分别为0.12, 0.34, 0.72。

性能目标依据地震时建筑允许破坏的程度, 可不拘泥于计算数值, 但不应低于抗震三水准。

抗震性能水准根据高规分为5个水准, 性能目标1承载力要求最高, 延性最低, 性能目标5承载力要求最低, 延性要求最高。

抗震性能通过承载力和变形双重控制, 以抗震承载力为主, 层间弹塑性变形为辅, 可以采用层间位移变形来反应破坏程度, 性能化设计寻求在承载力和变形能力中寻找合理平衡点。下面通过抗震性能化设计的实例讲述设计目标实现过程。

3 抗震性能化设计的实例

3.1 工程概况

本工程位于内蒙古乌海市乌达区经济开发区内, 本单项为内蒙古东源科技有限公司年产72万吨/年电石项目3#配料站, 建筑高度23.2m, 该地区抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速0.2g, 建筑物安全等级为二级, 建筑物设防类别为标准设防类别, 结构抗震等级为二级, 设计使用年限为50年, 建筑物场地类别为Ⅱ类, 基本风压为0.75k N/m2, 地面粗糙度为B类。

本工程特殊之处在于全厂物料运输枢纽, 连接三条钢栈桥, 其中一条栈桥在19.1m层楼面处, 10.000m-16.200m为石灰和碳材料仓, 共约840m3, 料仓的跨高比小于2.5, 本结构层具有较大质量, 收进约30%的情况下仍是下层质量的1.2倍。

3.2 本工程超限情况

本工程超限情况如下:

①扭转不规则, 在规定水平力下考虑偶然偏心Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值:1.32。

②竖向刚度不规则, 局部收进水平尺寸大于相邻下一层的25%。

综合判定属于特别不规则结构。

3.3 抗震性能目标设定

由于本项目的超限情况和全厂的重要性, 除按照规范的要求及目标进行计算和设计外, 提出了基于性能的抗震设计。综合考虑抗震设防类别, 场地条件和结构的特殊性, 震后损失和修复的难易程度, 确定结构的性能目标为D级。

在多遇地震作用下结构能做到完好无损, 不需修理即可继续使用 (性能水准1级) , 在设防烈度地震作用下结构只有中等破坏, 修复后可继续使用, (性能水准4) , 在预估的罕遇地震作用下, 结构损坏比较严重, 需排险大修, 但不倒塌 (性能水准5) 。

具体抗震性能目标如表1。

3.4 小震弹性计算结构及分析

小震弹性计算按照正常设计, 采用整体建模, 考虑偶然偏心, 双向地震, 扭转耦联, 及施工模拟, 在抗震规范规定的地震影响系数曲线下, 多遇地震标准值作用下楼层最大水平位移与层高之比小于1/550。作用组合的效应设计值按照1.2 (DL+0.8LL) +1.3SEhk组合下抗震承载力满足弹性。 (本工程重力荷载代表值的可变荷载组合系数0.8) 构件配筋无超筋现象, 轴压比, 梁混凝土的相对受压区高度均能符合我国规范要求。

3.5 中震计算结构及分析

按照“中震可修”的原则:和本工程的特点。需要对中震作用下主要抗侧力构件的承载力进行复核, 以便确定其能达到设定的性能指标。

取其中一个关键构件验算内容及结果如下:

由于结构已经进入弹塑性状态, 采用pushover推覆分析法, 验算在1.0D+0.8L+1.0SEhk工况下的受力情况, 其中一个料仓下的框架柱验算正截面结果如表2, 其中材料强度取标准值。

根据结果显示承载力满足设计要求。

在设防地震标准值作用下, 楼层最大水平位移与层高之比最大为1/170, 也在规范要求3~4倍的[Δue]区间内, 地震破坏等级可满足要求。

3.6 大震计算结果及分析

按照性能化设计, 罕遇地震作用下, 按照弹塑性分析和SATWE软件对等效弹性计算, 取结果较大值, 关键构件的抗震承载力不屈服, 允许较多竖向构件 (40%) 进入屈服阶段, 关键构件的验算方法与中震验算方法相同, 结果宜满足设计要求。

性能水准5允许部分框架梁发生严重破坏, 钢筋混凝土竖向构件的受剪截面应符合式。

取其中一个关键构件进行斜截面承载力验算结果如表3, 其中材料强度取标准值。

在预估的罕遇地震标准值作用下, 楼层最大水平位移与层高之比最大为1/63, 规范要求小于[Δup], 在此范围内, 表面结构整体不会倒塌。

3.7 工程结论

综上所述, 本工程通过性能设计及弹塑性时程分析, 计算结果表明本工程各项指标达到预定的抗震性能目标, 所选结构体系合理、安全、可靠, 能满足“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”的设计要求。

4 结语

本文综合实例总结了复杂工业建筑性能化设计目标选取及实现方法。按照高规的规定可以比较全面地把握结构在各地震水准下的性态指标, 确保不同抗震性能目标下结构的承载能力及延性需求。为其他建筑的抗震设计提供参考和借鉴。

参考文献

[1]GB50011-2010, 建筑抗震设计规范[S].中国建筑工业出版社, 2010.

[2]JGJ3-2010, 高层建筑混凝土结构技术规程[S].中国建筑工业出版社, 2010.

[3]朱炳寅.建筑抗震设计规范应用与分析[M].中国建筑工业出版社, 2011:106-110.

基于性能的桥梁抗震设计方法 篇2

对我国现行的桥梁抗震设计方法进行了分析,并对基于性能的.抗震设计方法的理论进行了阐述,最后分析比较了我国现行桥梁抗震设计方法与基于性能的抗震设计方法,为完善桥梁抗震设计方法提供理论依据.

作 者：曲慧 李振兰 QU Hui LI Zhen-lan 作者单位：曲慧,QU Hui(同济大学,上海,92)

李振兰,LI Zhen-lan(辽宁省抚顺市城市管理局市政园林管理中心,辽宁,抚顺,113006)

抗震性能化设计 篇3

关键词：抗震设计；基于性能；设计理论；设计方法；位移影响系数法；能力谱法；直接位移设计法

中图分类号：TU352 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）03-0050-02

近100年来，随着人们对地震的运动特征和反应特征的探索和认识逐步加深，人类科技水平不断提高，对于建筑结构的抗震设计及方法也在不断的完善。各类理论在通过地震的考验后逐渐发展、全面、多样化，其中基于性能的抗震设计理念是为当下各国所大力发展的。

一、建筑结构基于性能的抗震设计概况

（一）基于性能的抗震设计的提出

20世纪90年代初，美国学者首先提出了这项设计理论，以改进基于承载力的传统设计理念，用量化的抗震指标来控制建筑抗震性能，随即被各国所重视。该项设计理论基础是结构性能分析，根据用途和要求确定性能，使建筑物在面对不同的地震等级中达到预期抗震目标。

1995年，美国的放眼21世纪委员会提出了基于性能抗震设计的框架，此专项研究得到美国政府大力支持与资助，并进行了有前瞻性的多方面研究。此后，澳大利亚、日本、新西兰、英国、智利等国家也在多方资助下，为推进此专项研究，成立了各类委员会，包括评估、分析、协调、规范等，在对这项理论进行了大量的研究后，均提出和采用了力求达到国际一体化要求的一系列抗震设计理论。

我国在这项理论的研究上起步较晚，为了与国际规范同步，我国在与美国等在这项研究领域取得先进成果的国家进行学术交流、学习中，对这项理论进行专项研究并引入理论，许多中国高校也开展了专项研究，旨在不断发展和完善出符合我国国情的性能抗震设计理论，并取得了一定的研究成果。

（二）性能抗震设计理念的特点

通过对现行抗震设计理论的实践，可以对两者进行对比，以得到性能抗震设计理念的特点。

1．多级设防。相对于现行的三阶段设防目标（小震不坏、中震可修、大震不倒），性能抗震设计注重多级设防，保护非结构件与内部设施，后者的设计理念既保证使用者安全，又减轻业主和社会的经济损失与压力。

2．投资效益准则。性能抗震设计偏重于安全、经济等多方面。在安全与经济之间找到合理、平衡的切入点，确定最佳方案，以优化设计为目的。

3．自由度大。相比较传统抗震设计刻板的被动状态，性能抗震设计可根据业主的要求确定目标，给设计带来新的动力。

（三）性能抗震设计目标

目标为在不同地震等级的作用下，建筑物结构能达到预期所应达到的水平。最大程度的在经济与结构可靠性上找到合理的平衡点。建立设计目标需要考虑场地、结构所需功能、建筑重要性、损失与重建等各方面的因素。

（四）设计设防水准

1．地震设防水准。抗震设计设防对象所选择的地震强度，直接决定建筑物的抗震能力，如何确定设防水准在基于性能抗震设计中有决定性的地位。应取决于优化后的经验基础上来确定并根据地震参数及烈度作设防水准。

2．结构性能水准。地震等级作用下对建筑物预期破坏最大程度。除了对主体结构破坏带来的损失有控制力外，还要注重对非主体、内设施的损坏的控制。因此，能兼顾主体、非主体结构破坏程度的结构性能水准才是合理、科学的。

（五）现行抗震设计局限性

1．现行抗震设计很少对建筑结构在地震发生时的性能进行评估，只是按规范标准设计。

2．业主与使用者并不了解所使用的建筑结构的抗震性能。

3．经济评估准则并没有在建筑业中得到广泛应用。

（六）现行抗震设计理念存在问题

1．设计参数选择不当。我国现行抗震设计基于强度或承载力，但经实践表明建筑物结构的抗震不仅基于强度。

2．性能概念不明确。现行设计规范对多级设防的目标描述较模糊，业主追求最经济的方案，设计人员追求单纯的重力承载，基础未能处于科技的评价之上，导致面临地震时损失的加重。

3．损失控制不力。现行设计理念除了重视主体结构损坏造成损失外，对非主体结构、内部设施损坏所带来的损失容易忽视。

4．刻板的规范标准。设计者走不出以往设计规范标准的条框，约束了设计人员的主动性。

5．设计方法的欠缺。现行的设计方法偏于保守，限制了新技术的应用。

二、基于性能的抗震设计方法

（一）性能抗震设计阶段

1．概念设计。根据用途和业主的要求，合理确定设防目标，通过场地、建筑平面等进行初步设计。

2．计算设计。根据预定的设防目标，计算出能影响各类因素的抗震参数，参数与预定目标不符要及时修改，直至满足参数需求。以基于位移的抗震性能设计为例，主要包括步骤有确定不同强度地震作用下性能目标；根据初步设计，确定结构内的位移的极限值；通过等效阻尼比等各类等效数值，确定等效刚度；设计采用必需的构造措施；评价结构强度要求和变形能力。以严谨、科学、合理的态度进行评估，如计算阶段有不符合，则需重复计算设计步骤，以不断完善结构设计。

3．性能评估。通过各类的分析法得出设计结果来确定该建筑结构的性能。

（二）性能抗震设计方法

目前大致主要有：位移影响系数、能力谱、直接位移设计等方法。

1．位移影响系数法。基于结构性能设计方法，通过分析得出的最大期望位移值，利用等效方法、模态进行确定。以达到此系数的修正作用。此方法还存在着由于它是整体抗震评估方法，无法具体体现主要结构、楼层的损坏情况与抗震水准等问题。

2．能力谱法。1975年被提出，随后不断改进。能力谱设计是将能力谱曲线与地震反应谱转化而来的需求谱，进行比较来评估其抗震性能。此方法侧重对结构的实际性能进行验算、评估。另外，能力谱设计法比较适用于平面结构可简化且分布较均匀的结构，否将会产生不小的误差。

3．直接位移设计法。侧重于结构性能设计，概念简单，根据地震等级来预期位移计算，使结构达到预定位移。此方法也存在着只能从建筑结构材料的极限变化得到数值，而不能考虑到预期以外的强震效应的不足。

三、结语

建筑结构基于性能的抗震设计是比较宽泛的体系，它是现行抗震设计的延续与发展，以结构性能分析作为基础，建筑物的性能目标以全面、科学的因素来确定，使建筑物在面对不同等级的地震时，能达到预期的抗震目标。与传统抗震设计相比，优点明显：基于性能抗震相较于以往更系统化；性能抗震设计的适应性、连贯性更好，应用意义更大；灵活性的加大，使设计人员能发挥创造性，增加对新技术、新材料的推广应用等。性能抗震设计方法也需要解决一些设防水准数据化的划分，合理的参数取值范围介定等问题，才能更好的服务于社会经济建设，达到符合我国国情的设计规范。

参考文献

[1] 沈章春，王春凤．基于性能抗震设计理论与实用方法[J]．四川建筑科学研究，2008，34（3）．

[2] 王涛．基于性能抗震设计与常规抗震设计比较研究[J]．建筑与结构设计，2008，2（4）．

[3] 刘琳，刘震，赵杰，王佳萱．结构性能抗震设计理论及应用方法[J]．防灾减灾学报，2011，27（1）．

[4] 蒋建．基于性能抗震设计方法与基于承载力抗震设计方法比较研究[J]．结构工程师，2008，24（4）．

（责任编辑：赵秀娟）

抗震性能化设计 篇4

本工程位于上海市, 地上17层, 地下2层, 地下室层高6.0m, 标准层层高4.4m, 建筑高度为79.2m。建筑平面整体呈弧形, 裙房及地下室区域径向宽度100m。环向展开长度350m。上部结构在首层以上设两道防震缝将整个建筑划分为独立的3个结构单体, 如图1所示。

单体上部结构均采用型钢混凝土柱+钢梁+混凝土剪力墙结构体系, 由于本工程功能为中高档办公、商业建筑, 管线较多, 故采用钢梁可在梁高范围内预留较大洞口, 从而获得较混凝土梁更大的建筑净空高度。

2 上部结构设计

2.1 结构超限情况及采取的措施

依据《超限高层建筑工程抗震设计指南》[1]进行超限判定。同时具有3项及3项以上不规则的高层建筑工程, 判定为超限高层建筑;本工程共有4项不规则 (见表1) 。具有某一项特别不规则的高层建筑, 就判定为超限高层建筑;按照《超限高层建筑工程抗震设计指南》有两条超限: (1) 塔楼结构与底盘结构质心的距离为底盘相应短边边长的22%, 大于20%的限值; (2) 4层屋面高位收进, 收进比例大于35%。

设计时定义两处立面收进处为薄弱层, 墙柱截面和材料截面变化处避开收进层;屋面和塔楼相交处的框架柱箍筋在收进屋面上、下2层范围内全高加密;收进屋面和塔楼相交处在剪力墙端柱内设置型钢暗柱;收进部位上、下各2层的塔楼周边竖向构件抗震等级提高一级;结构立面收进造成偏心, 底部结构因扭转效应的影响而内力加大, 加强收进部位以下2层结构周边竖向构件配筋率;体型收进部位的楼板厚度加厚至150mm, 双层双向配筋, 体型收进部位上下层楼板亦适当提高楼板配筋率;体型收进处采取措施减小结构刚度的变化, 控制上部收进结构的底部楼层层间位移角不大于相邻下部区段最大层间位移角的1.15倍。

塔楼在4层裙房屋面右侧连接了四跨裙房框架结构, 使结构出现了塔楼偏置的超限情况。塔楼与裙房相连的外围柱, 从嵌固端下1层至裙房屋面上1层的高度范围内, 柱纵向钢筋的最小配筋率提高;核心筒墙体底部加强区自地下1层延伸至裙房以上1层, 约束边缘构件由基础顶面延伸至裙房屋面以上2层, 核心筒四角的约束边缘构件沿建筑物全高设置;加强裙房底盘周边框架柱的配筋构造措施, 柱纵向钢筋的配筋率适当提高;加强裙房屋面板, 楼板厚度增加至150mm, 并且采用双层双向配筋。

2.2 结构计算分析

2.2.1 计算分析比较

本工程采用YJK, ETABS和MIDAS 3个程序进行计算分析和比较, 本文仅列出塔楼A单体部分主要分析结果。

图2为小震下A单体Y向的层间位移角。

由于单体A在第4层和第12层两处发生了体型高位收进, 依据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) [2] (以下简称《技术规程》) 上部收进结构的底部楼层层间位移角不宜大于相邻下部区段最大层间位移角的1.15倍。从图2可知, 第4层收进最大层间位移角比值为1.036, 第12层收进最大层间位移角比值为0.976, 皆满足《技术规程》的要求。

图3为YJK得到的Y向小震作用下楼层剪力在钢框架和混凝土剪力墙之间的分配比例图, 从图中可以看出, 嵌固层处钢框架承担19%的Y向地震剪力。即对于钢梁+型钢混凝土柱+混凝土剪力墙体系, 单体A的混凝土剪力墙在底层承担了80%以上的地震剪力。

2.2.2 弹性时程分析

在YJK软件分析中, 采用弹性时程分析方法进行小震下的补充计算。图4、图5为反应谱与弹性时程分析计算结果比较 (仅列出Y向) , 每条时程曲线计算所得底部剪力均大于振型分解反应谱求得底部剪力的65%, 同时7条时程曲线计算所得底部剪力平均值大于振型分解反应谱求得底部剪力的80%, 满足《技术规程》对弹性动力时程分析的要求。

2.2.3 Pushover静力弹塑性计算分析

本文通过Pushover静力弹塑性分析方法对单体A在中震作用下和大震作用下的结构性能进行了必要的分析和验算, 分析软件采用MIDAS/Gen VER.800, 通过Pushover法建立结构的能力谱, 同时把《技术规程》规定的反应谱转换为结构大震作用下的需求谱, 找出结构性能点。在大震作用下, 根据性能点时的结构变形, 对以下3个方面进行评价: (1) 层间位移角:是否满足技术规程规定的弹塑性层间位移角限值。 (2) 结构变形:通过结构塑性铰的分布判定结构薄弱位置。根据塑性铰所处的状态, 检验结构构件是否满足大震作用下的抗震性能水准。 (3) 大震下性能点对应的基底剪力和小震的基地剪力的倍数值是否在合理的范围之内。图6~图9为Y向推覆过程和结果。

图6为Y向大震下需求谱和能力谱曲线, 基底剪力190 800k N, 顶点位移319mm。

图7为Y向中震和大震作用下楼层和楼层剪力分布图, 层剪力分布平滑。

图8为Y向中震和大震作用下楼层和层间位移角分布图, 位移角分布平滑;中震下最大层间位移角1/531 (第10层) ;大震下最大层间位移角1/186 (第11层) 。

A单体结构经过静力弹塑性计算分析后可以得到以下结果。

1) 能力谱曲线较为平滑, 位移与基底剪力基本呈线性递增;曲线在设定位移范围内未出现下降段, 表明在抗倒塌能力上有较大余地。

2) 在各工况下能力谱曲线均能与需求谱相交得到性能点, 大震下大部分工况结果进入塑性。

3) 当结构达到设防烈度地震性能点时, 性能点处的最大层间位移角X向和Y向分别为1/539, 1/531, 变形小于3倍弹性位移限值 (约1/267) , 结构整体处于轻微损坏状态, 其中结构关键构件未出现明显破坏, 可判断其处于轻微损坏状态。

结构在大震下最大层间位移角X向和Y向分别为1/184, 1/186, 变形约为4倍的弹性位移限值, 且变形不大于0.9倍的塑性变形限值 (约1/111) , 即属于中等破坏。

在大震下的结构最大变形为1/184, 满足技术规程的框架-剪力墙的弹塑性层间位移角1/100的限值, 即结构达到了大震作用下的抗倒塌性能目标。

4) 塑性铰的发展阶段可通过塑性铰荷载-变形曲线对应的控制点进行描述, 其中控制点B表示铰的屈服起点, 控制点C表示铰的极限承载力, 控制点D表示铰的残余强度, 控制点E表示铰完全失效, 在控制点C与D之间的IO, LS, CP分别表示立即使用、生命安全和防止倒塌 (见图9) 。

Y方向水平加载至结构大震下的性能点时, 几乎全部连梁出现了塑性铰, 大部分已发展至LS阶段;部分框架梁出现了塑性铰, 其中约30%已发展至LS阶段;筒体受拉侧剪力墙部分出现了塑性铰, 但多数处于B阶段, 仅极少数墙肢塑性铰发展至CP阶段。由于连梁塑性铰的充分发展, 整体刚度明显减小, 结构阻尼比明显增大, 地震力增长缓慢, 结构整体塑性变形明显。塔楼和裙房屋面 (第4层) 相交处的框架柱、剪力墙一半左右出现了塑性铰, 为单体A的结构薄弱位置。

表2为静力弹塑性主要分析结果, 其中大震和小震的基底剪力之比在3~5倍的合理范围之内, 顶点位移控制在总高度的1/100以内, 在大震下的结构最大弹塑性位移角控制在1/100以内, 均满足《技术规程》的要求。

3 结构抗震性能化设计

考虑本工程的重要性和复杂性, 有必要对本工程结构进行抗震性能化设计, 对本工程结构总体上按照《技术规程》D级的性能目标进行抗震设计。构件分类情况如表3所示。

对本工程结构的抗震性能目标的具体实现方法叙述如下。

1) 小震作用下结构构件均达到《技术规程》的抗震性能水准1。结构设计按照振型分解反应谱法进行计算分析与设计, 并采用弹性时程分析进行复核, 本工程满足反应谱计算结果对弹性时程分析结果的包络。结构整体宏观表现为完好, 变形小于弹性位移限值。

2) 设防烈度地震作用下达到第4性能水准, 关键构件轻微损坏, 普通竖向构件和耗能构件中度破坏, 通过静力弹塑性计算校核其抗震性能。

3) 预估的大震作用下达到第5性能水准, 关键构件中度破坏, 普通竖向构件和耗能构件可出现比较严重的破坏, 主要通过静力弹塑性分析进行判断。各单体宏观损坏程度根据表4和表5进行判断。

4 结论

1) 混合结构超限高层应采用多程序建模进行分析比较。高位收进的薄弱部位位于收进楼层的塔楼和底盘相交处, 此处竖向构件应增大构件截面尺寸和增强配筋, 通过加强其延性以保证在地震作用下不丧失竖向承载力;按照实际超限情况, 可采取弹性时程分析和静力弹塑性等手段进行补充计算分析。结构计算分析的重点应是检查结构的位移有无突变, 结构刚度沿高度的分布有无突变, 结构的扭转效应是否能控制在合理范围内。

2) 对塔楼偏置和高位偏心收进的情况, 需加强收进层以下周边竖向构件的配筋, 因为结构会因整体扭转效应的影响而内力加大。

3) 性能化设计是将来结构设计发展的方向, 首先必须从概念上明确结构关键部位的分布, 有的放矢的加强。

摘要：介绍了某超限混合结构的设计分析过程, 采用YJK、ETABS、MIDAS程序对模型进行了小震作用下的反应谱计算和动力弹性时程补充计算, 并进行了大震作用下的静力弹塑性分析, 结果表明, 结构抗震性能良好, 体系安全可行。针对超限的情况, 进行了性能化设计, 对关键部位进行了定义并采取了加强措施。

关键词：超限高层,静力弹塑性时程分析,性能化设计

参考文献

[1]吕西林.超限高层建筑工程抗震设计指南 (第2版) [M].上海:同济大学出版社, 2009.

砌体结构抗震性能的研究 篇5

摘要：砌体结构作为我国传统建筑形式，在各类建筑中占有十分重要的地位。但由于材料明显的脆性性质，相比于钢筋混凝土结构或钢结构建筑,砌体结构的抗震能力较差。本文对砌体结构抗震构造措施和目前存在的问题进行了分析阐述。

关键词：砌体结构、抗震措施、抗震性能研究

Abstact: As a traditional structure,masonry structure plays an important role.Its seismic capacity is much poorer than reinforced concrete or steel structure due to the material brittleness.the masonry structure seismic structural measures and the existing problems are analyzed in this paper。Keywords：masonry structure；earthquake-resisting；Seismic resistance research引言

砌体结构是一种传统的墙体材料，在我国的广大中西部县域城镇中仍占有85%以上的比例。近些年来，随着建筑业的蓬勃发展，新型墙体材料也不断涌现，如混凝土小型空心砌块就是其中的一种。另外，结合就地取材的原则生产的各种地方性砌体材料，如蒸压类和烧结类的非粘土多孔砖及实心砖。这都为砌体结构的应用扩大了领域和范围。[1]

现代砌体结构已与传统的砖砌体有许多区别。按照砌体中的配筋率大小可将其分为无筋砌体、约束砌体和配筋砌体三类，它们的界限定义为：仅有少量的拉结钢筋，含筋量在0.07%以下时，可称为无筋砌体；约束砌体适用于地震设防地区的砌体结构，如在墙段边缘设置边缘构件（钢筋混凝土构造柱），同时，墙段上下设置有圈梁，此类砌体的特点是砌体周边均有钢筋混凝土约束构件，砌体的配筋量为0.10%~0.2%左右；配筋砌体适用于10层以上的中高层建筑，如配筋混凝土空心小砌块，其实质是一种砌筑成型的剪力墙结构，其配筋率也接近于现浇钢筋混凝土剪力墙结构，即在0.25%左右。[2]

1966 年的邢台地震和1976 年的唐山地震等数十次破坏性大地震，以及2008年的汶川地震等，几乎无一例外地表明无筋砌体结构不能经受大地震的考验。尽管砌体结构的抗震性能是如此之差，然而，在城镇建设中，由于人口集中，土地有限，规范限制了一些传统材料的砌体结构高度，但又不可能把砌体结构限制过严，而是要适应发展的需要，在研究和总结震害的基础上，改进砌体结构的抗震性能，严格要求了小砌块的建造层数和高度，满足业主的需要。新修订的《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）就适应了这种要求，提供了建造较高层数的砌体结构的安全性和适用性。同时相对于现浇钢筋混凝土剪力墙结构而言，其较低的工程造价也是显而易见的。砌体结构材料的特点

砌体材料作为一种地方性材料，具有取材容易、加工简单、砌筑工艺易于掌握，因而被广泛采用。并且经过长时间的改进和发展，形成了具有各地特色的传统制作方式和砌筑方法，是一种生命力极强、应用最广泛的建筑材料。砌体材料在我国大体可分为粘土类制品、蒸压类制品、混凝土类制品和以各类工业废料制成的墙体材料等。

当前各地除沿用传统材料粘土制品以外，也相继制成以页岩、煤矸石和粉煤灰为主要原料的烧结砖；以白灰砂、粉煤灰为主要原料的蒸压砖；以及以细石砼（或轻质骨料）为材料的砼小型空心砌块等墙体材料。大部分地区有逐步替代粘土制品的趋势。

新型墙体材料中，用页岩或煤矸石或粉煤灰为原材料，或按一定比例混合使用的经烧结而成的实心砖、多孔砖，较好地利用工业废料为原料，制成墙体材料。它们具有类似于烧结粘土砖的性质，亦具有新的原材料的特点。

新型烧结砖一般抗压强度均较高，普通的煤矸石加页岩混合烧结砖的抗压强度均在MU15 以上，少量的可达MU20以上，多孔砖的孔洞率在25%-30%左右。此类实心砖由于表面比粘土砖更粗糙，抗剪强度亦普遍比粘土砖高；多孔砖由于有孔洞作为键槽，砂浆能起

到销键作用。增大了砌体的抗剪强度，对抗震十分有利。

新型烧结砖还由于经焙烧而成，因此，其砌体的线膨胀系数和收缩率都比较小，与烧

结粘土砖没有什么区别。

另一类是蒸压灰砂砖和蒸压粉煤灰砖。由于它们的原材料不同，特别是制作养护过程的差异，导致蒸压砖特有的性质。

蒸压灰砂砖以石灰和砂为原材料，蒸压粉煤灰砖以电厂工业废料粉煤灰为原材料。经

过机械压制成型，高压蒸汽养护而成砌体材料。由于它的制作过程和生产工艺，决定了这类

砖具有收缩率较大、表面比较光滑、抗压强度较高而抗剪强度较低的特点。

因此，反映在设计应用过程中出现一些问题。比如由于收缩率大，线膨胀系数亦大，这类砌体墙受材料收缩以及温度影响较大，墙体容易出现裂缝和变形。又比如由于砖表面比

较光滑，磨擦系数小，与砂浆的粘结性能就差。因此，其抗剪强度偏低，不利于抗震。砌体结构抗震设计的重要性

砌体是一种脆性材料,传统的砌体结构是采用粘土实心砖和混合砂浆砌筑,通过内外砖墙的咬砌达到具有一定整体连接的目的。目前的砖砌体房屋除上述方式外,大多采用了预制钢

筋混凝土楼板、装配式楼屋盖、且过梁等其它构件多数为预制装配。因此整个砌体结构,由

于其组成的基本材料和连接方式,决定了它的脆性性质,从而使其在遭遇强烈地震时破坏较重,抗震性能很差。我国在地理位置上处于世界两大地震带之间,是世界大陆内的一个最宽广的浅源强震活动地区,是多地震国家。基本烈度为7度和7度以上的地区的面积达312万平方

公里,约占全国国土面积的325%。基本烈度为6 度和6 度以上地区面积达576 万平方公

里, 约占全国国土面积的60%。我国是世界上遭受地震灾害最严重的国家之一。世界地震史

上死亡人数最多一次为1556 年我国陕西华县的8级地震, 死亡约83 万人。近代地震史上

死亡人数最多的一次地震也发生在我国, 即1976年唐山的7.8 级地震, 死亡24万多人, 重

伤16.4万人,倒塌房屋322万间, 直接经济损失达100亿元。

地震所以能造成如此重大损失,主要原因是建筑物缺乏必要的抗震设防。所谓抗震设防

是指对房屋进行抗震设计包括地震作用、抗震承载力计算和采取抗震构造措施来达到抗震的目的。建筑物抗震设防就要保障人民生命财产的安全,所采取的措施应与国民经济相适应,如

果要求建筑物在强烈地震后仍完好无损,势必增加造价,在技术上也有一定困难。相反,设防标

准过低,将会危及人们的生命财产。基于国际趋势, 结合我国的具体情况, 提出一个适当的设

防目标是很必要的。我国《建筑抗震设计规范》(GBJ11-89)以下简称《规范》提出了“三

水准”的抗震设防目标: 小震不破坏, 可正常使用;设计烈度地震可修复使用;遭遇大震时

不倒塌。砌体结构现存问题

近年来,由于城市用地紧张、资金紧张等问题,设计的砖混房屋往往在总高度和层数上超

限;片面追求直接采光和通风,导致加大面宽、减少进深等作法,往往使房屋高宽比超限。这些

都造成了极为不利的体型, 致使房屋的抗震性能大为降低, 此类现象应引起广泛重视。

随着建筑业的发展, 临街有底层为钢筋混凝土框架的大空间商店,上部为小空间砖房或

砌块建筑的房屋大量建设。这种房屋存在着明显的弊病:(一)往往形成梁上砌墙的布置,使

抗震横墙在最不利的底层被切断。且底层框架一般为大空间的公共建筑, 由于使用功能上的需要, 在客观上给纵横抗震墙的布置带来了不少困难。(二)底层大部分用于商业目的,门窗

开洞要求都很大,因而有的采用了前排为钢筋混凝土柱后为砖混的结构, 此结构目前无明确

定义且前后两种材料刚度差异悬殊,对高烈度地区的抗震极为不利。(三)未作计算凭习惯错

误地认为,底层框架的侧向刚度一定比砖房好,纵向框架侧向刚度一定比横向好,而实际上并

非如此。(四)上面为几层砌体、开间小、横墙多、不仅重量大, 侧移刚度也大,而底层框架

侧移刚度比上层小得多。刚度的急剧变化使得在结构刚柔交接处,应力高度集中,在柱端产生

塑性铰,并使房屋的变形集中发生在相对薄弱的底层。这种比较薄弱的底层或中间层,可称之为“软层”。这种“软层”在抗震设计中应引起高度的注意。抗震措施

（1）设置构造柱

构造柱是一种约束砌体的边缘构件,它不单独承受垂直荷载，在墙体受水平地震作用的初期,构造柱的应力很小,刚度也不大,但当墙体开裂后,柱内应力逐步增大,直到裂缝贯通墙体, 构造柱才明显受力直到钢筋屈服。此时的墙体虽已破碎但由于构造柱的约束作用使得墙体不至于倒塌, 从而达到“裂而不倒”的目的。构造柱的设置较大幅度地增强了墙体的变形能力, 使房屋取得了较大的延性,从而减小了突然发生倒塌的可能性。当然,构造柱的截面尺寸与配筋率也不宜过大,否则,大量的构造柱将会吸收大多数地震作用力,使得构造柱先于墙体破坏, 这就起不到约束墙体的作用了,反而使结构抵抗地震作用的能力降低了。

（2）设置圈梁

构造柱作为一种竖向构件,一股沿墙高而截面尺寸不变,配筋也少有变化。因此,在各楼层柱高处设置圈梁作为锚固点,使得构造柱和圈梁产生拉结,形成对上下和左右墙体的约束作用, 从而限制墙体裂缝的发展,并减小裂缝与水平面的夹角,保证墙体的整体性和变形能力,提高墙体的抗剪能力。除此以外,圈梁作为一种重要的构造措施,它还加强了内外墙之间、楼板与墙体之间的连接, 提高了结构的整体性, 并减轻地震时地表裂缝对房屋的影响, 特别是檐口圈粱和地圈梁具有提高房屋竖向刚度的能力和抵御地基不均匀沉陷的能力。

（3）验算墙柱高厚比

砌体结构房屋中的墙体是受压构件, 除了满足承载力要求外,还必须保证它的稳定性。墙柱高厚比是指砌体墙、柱的计算高度和墙厚或边长的比值。《规范》中规定,墙柱高厚比不能大于允许高厚比。只有满足这个要求,才可以保证砌体结构存施工阶段和使用阶段的稳定性。结合以往的工程经验,综合考虑包括砂浆强度等级、砌体类型、横墙间距、支承条件等多种因素后拟定的。

（4）设置伸缩缝

由于钢筋混凝上和砌体材料的线膨胀系数不同, 屋盖和墙体的刚度不同, 当温度变化时, 钢筋混凝土屋盖和砌体材料的墙体将产生不同的变形。因墙与屋盖变形相互制约, 而产生温度应力, 当墙体中的主拉应力或剪应力超过彻体的抗拉或抗剪强度时, 就会使墙体内产生斜裂缝和水平裂缝,顶层墙体一般最为严重,它包括纵墙的八字缝、横墙L 端的八字缝、屋盖与墙体之间的水平缝、纵横墙的包角裂缝、屋盖或楼盖中的裂缝以及墙体自上而下的贯通裂缝。为了防止房屋在正常使用条件下,由温差和墙体干缩引起的墙体竖向裂缝,可存墙体中产生裂缝可能性最大的地方设置伸缩缝,如房屋平面转折处和体型变化处,房屋中间部位及错层处等。实践证明,伸缩缝的设置达到了防止裂缝出现或减小裂缝宽度的目的,成为砌体结构抗震设计中一项重要的构造措施。此外,通过在屋盖上设置保温层、隔热层, 或设置屋面与墙体间相互滑动的滑动层等措施,也可以有效地防止温度变化或干缩变形引起的裂缝。

（5）加强构件间的连接

砌体结构房屋各构件间的抗震构造连接是其抗震的关键。抗震构造连接的部位较多, 重要部位的连接措施有下列几项：造柱与楼、屋盖连接；屋顶间的连接；墙与墙的连接；后砌体的连接；栏板的连接；构造柱底端连接； 悬臂构件的连接。结束语

砌体结构既是一种量大面广的结构形式,又是一种抗震性能较差的结构形式。我们不可能彻底淘汰它,摒弃它,只有面对现实,孜孜不倦,深入研究它,提高它的抗震性能,不断赋予砌体结构新的内容、新的理念,使砌体结构具有更好的抗震性能和安全性,这就是

我们研究的目的。

参考文献：

[1]周炳章.砌体结构抗震的新发展[ J].建筑结构学报.北京: 中

国建筑工业出版社, 2002.5

[2]砌体结构设计规范，GB50003-2002

[3]建筑抗震设计规范,GB50011-2010

框架结构抗震性能分析 篇6

摘要：本文以预制钢筋混凝土为例，简要阐述了框架结构抗震性能研究的重要性，简单介绍了我国制钢筋混凝土框架结构整体抗震性能研究以及国内外预制钢筋混凝土结构设计规范及设计方法的最新进展。

关键词：框架结构；抗震性能；分析

一般认为，预制钢筋混凝土结构的整体抗震性能劣于现浇钢筋混凝土结构，因此需要在预制装配式混凝土结构中采用特殊构造措施，如施加预应力，结构关键部位采用后浇混凝土、添加耗能元件等措施增强预制钢筋混凝土结构的抗震性能。预制钢筋混凝土框架结构整体抗震性能的研究对该结构在实际工程中的推广应用具有重要意义，本文对预制预应力拼接钢筋混凝土结构、后浇整体式钢筋混凝土结构、装配式钢筋混凝土结构的整体抗震性能进行了综述。

1预制钢筋混凝土框架结构整体抗震性能研究

1.1预应力拼接钢筋混凝土结构整体性能研究

伊利诺斯（Illinois）大学进行了预应力拼接预制钢筋混凝土框架结构的振动台试验研究。试验结果表明：小震作用下，预应力拼接结构处于弹性状态，表现与现浇结构类似；大震作用下，预应力筋屈服前结构一直保持弹性，预应力筋屈服后，梁端混凝土压碎，结构的承载力迅速下降。

加利福尼亚（California）大学进行了预制钢筋混凝土框架结构拟动力试验研究。试验模型的节点采用了预应力拼接节点和后浇整体节点。试验结果表明：荷载作用下，结构的残余变形很小，预应力夹持作用减小了结构的残余变形；后浇整体式节点的耗能能力大于预应力拼接节点，但后浇整体式节点的强度损失、残余变形和损坏程度也大于预应力拼接节点。

Marura进行了3层预应力框架结构的振动台试验，研究有黏结预应力拼接结构和无黏结预应力拼接结构在模拟地震荷载作用下的极限承载能力。研究表明：有黏結预应力拼接结构具有很好的延性和自恢复中心能力。有黏结预应力拼接结构的抗震性能优于无黏结预应力拼接结构，无黏结预应力拼接结构的位移主要在梁柱交接面处。数值模拟结果显示，Pushover方法能够很好模拟振动台试验的结果。

Ichioka采用钢板剪力墙降低后张拉预应力框架结构在地震作用下的位移。研究表明：设置钢板剪力墙的后张拉预制预应力预制钢筋混凝土结构在地震作用下具有良好的耗能性能和较小的残余变形。同时，Ichioka提出钢板剪力墙结构黏滞阻尼比和残余位移的简化计算方法，给出了钢板剪力墙的设计方法。

柳炳康等对预制预应力装配整体式混凝土框架的抗震性能进行了拟静力和拟动力试验研究。研究表明：预应力提高了装配整体式框架结构的整体抗侧刚度；节点核心区有着较强的刚性，荷载作用下框架梁端率先出现塑性铰，层间位移角达到1 /42时，框架梁柱未产生较严重破坏。

1.2后浇整体式钢筋混凝土结构整体性能研究

蔡建国进行了3个不同键槽长度的预制钢筋混凝土框架中节点（世构体系）和一榀两跨三层框架结构的低周反复荷载试验研究。研究表明：不同键槽长度的框架中节点的滞回曲线均较丰满，节点耗能能力较强；框架结构的梁铰耗能机制提高了结构整体的耗能能力。

罗青儿进行了一幅装配整体式混凝土框架与另一幅现浇钢筋混凝土框架在低周反复荷载作用下的对比试验。结果表明：预制柱采用钢管混凝土榫式接头，梁柱间采用齿槽接头，梁、柱纵筋采用滚轧直螺纹连接的装配整体式混凝土框架具有与现浇钢筋混凝土框架相似的抗震性能。

杨新磊等进行了一榀 1 /2比例的两层两跨现浇柱叠合梁框架低周反复荷载试验。研究表明：参照现行混凝土结构设计规范设计的现浇柱叠合梁框架实现了强柱弱梁、强节点弱构件的设计目标；框架的破坏机制为混合机制；框架整体及层间的滞回曲线均较为饱满，表明现浇柱叠合梁框架具有良好的耗能能力。

Martinelli在梁柱节点处设置摩擦耗能装置增加结构的耗能能力和延性性能。研究表明：在水平荷载作用下，节点区的剪力有一定的增加，顶点位移和柱角弯矩显著减小，结构的耗能性能得到较大的提高。

1.3装配式钢筋混凝土结构整体性能研究

伊利诺斯（Illinois）大学进行了螺栓连接节点预制钢筋混凝土框架结构的振动台试验研究。试验结果表明：小震作用下，此类结构处于弹性状态，表现出与现浇结构相似的受力性能；大震作用下，节点连接螺栓屈服破坏，结构的承载力迅速下降，预制梁柱损伤较小。

范力等对2个采用橡胶垫螺栓连接梁柱节点的单层两跨预制钢筋混凝土框架结构进行拟动力试验研究。研究表明：此类预制钢筋混凝土框架结构具有较好的抗震性能，当层间位移角达到1 /25时，结构仍具有一定的承载能力，采用橡胶垫螺栓连接的梁柱节点抗震性能良好，结构体系破坏模式为柱底弯曲破坏。

范力等对预制钢筋混凝土框架结构进行了拟动力试验及非线性动力时程分析。结果表明：数值仿真与试验结果吻合较好；在加载幅值逐级增大情况下，损伤累积仅对各工况开始阶段有较大影响，对结构反应峰值影响在5%以内。

赵斌等采用端部带转动弹簧的梁单元模型，对柔性节点预制钢筋混凝土框架结构的动力特性及其在地震作用下的动力反应规律进行了研究。研究表明：结构自振频率随节点相对刚度比的增加不断增大；结构峰值位移反应随着节点相对刚度比的增加呈总体下降趋势，但下降趋势和程度受输入地震波能量分布特征的影响，并可能局部增大。

2预制钢筋混凝土结构设计方法

2.1基于等效单质点的性能设计方法

Priestley提出了预制钢筋混凝土结构基于等效单质点的性能设计方法，设计步骤为：

1）假定等效单质点体系的屈服层间位移△y。由于△y的变化对最终结果影响不大，因此原则上可以任意选择屈服层间位移。实际计算时建议取屈服层间位移角θy =0.003，△y=θyL，L为等效单质点体系的高度。

2）确定等效单质点的极限层间位移角θu°θu的确定依据有：结构的重要性、结构损伤极限、极限层间位移角、截面尺寸、塑性铰的损伤状态等。

3）计算等效单质点的极限层间位移△u，△u=θuL。

4）根据不同结构体系的延性系数确定结构的等效阻尼比。延性系数的计算式为μ△=△u/△y。Priestley给出了不同结构的等效阻尼比和延性系数的关系曲线。

5）根据弹性位移反应谱，计算等效单质点体系极限位移下的周期T。由T=2л可得到结构的割线刚度Keff = 4л2M/T2，结构在极限位移下的基底剪力需求为F u =Keff△u。

6）根据结构的基底剪力需求确定预制混凝土结构预制梁、预制柱的截面尺寸。由预制梁和预制柱的截面尺寸可以计算出新结构的弹性刚度、屈服位移和等效阻尼比。

7）重复4-6步，直到计算结果收敛。

2.3其他设计方法

Morgen提出设置摩擦阻尼器的无黏结后张拉预应力钢筋混凝土框架结构的设计方法。该设计方法中，后张拉预应力提供结构所需抗侧能力，摩擦阻尼器提供结构所需的阻尼，摩擦阻尼器和后张拉预应力共同提供梁端的抗弯能力。该设计方法的设计目标为在给定梁柱截面和确定摩擦阻尼器位置的框架中，计算出摩擦阻尼器的滑移力和耗能需求，以及提供抗侧力所需的后张预应力筋的数量。低周反复试验表明：通过该设计方法设计的设置摩擦阻尼器的后张拉预应力钢筋混凝土框架结构，满足美国ACI-318（（混凝土结构设计规范》的强度要求和耗能要求，并且在低周反复荷载作用下该结构仍具有良好的自恢复中心能力。

3结语

通过综述国内外预制钢筋混凝土结构设计规范及设计方法的研究进展，有实验可以得知，预应力拼接装配式结构、装配整体式结构的强度和刚度能够接近或达到等效现浇结构的水平，但其耗能能力低于现浇结构，因此可以采用设置耗能阻尼器的方法增加结构的耗能能力。

参考文献：

[1]刘翔宇，楚留声.方钢管混凝土柱-钢梁组合框架结构抗震性能研究[J].河南科学，2014，02：72-74

[2]肖建庄，丁陶，王长青，范氏莺.现浇与预制再生混凝土框架结构抗震性能对比分析[J].东南大学学报（自然科学版），2014，04：194-198.

[3]赵慧玲，叶志明.钢-混凝土组合结构抗震}r}能研究进展[J].力学与实践，2014，07：1-8.

抗震性能化设计 篇7

带加强层高层建筑结构的抗震性能要基于基本结构的受力性能进行研究, 在进行研究与分析的时候, 我们要依旧具体的超高层建筑结构图例进行分析, 例如下图的超高层建筑结构的平面图以及每层的位移比, 框架的刚度比以及残余力的变形比 (如图1~5) 。

除了对基本带加强层的受力结构性能进行分析外, 我们还要研究带加强层高层建筑结构的基本性能比例, 每层之间的位移变化, 如图1~5所示, 结合具体的规范建设方法, 要对带加强层高层建筑结构划分基本的性能标准, 通过一系列的数据分析与量化从而为基于带加强层高层建筑结构性能的抗震设计进行准备, 基于层层位移的性能抗震设计就决定了整体的带加强层高层建筑的基本结构, 以下就对带加强层高层建筑结构抗震性能及基于性能的抗震设计方法进行简单的分析。

2 带加强层高层建筑结构的抗震性能的研究分析

对于带加强层高层建筑结构来说, 要想进行抗震性能的研究, 就要控制好对整体建筑结构的侧面方向变形, 避免整体的结构侧向位移较大造成难以估计的损失与伤害, 设置加强层可以有效的提高建筑水平方向的强度与刚度, 控制建筑结构的侧向位移, 使其在地震的作用下满足规范的性能要求。

带加强层高层建筑结构往往都需要注重整体的刚性与强度要求, 在水平与竖直方向会造成极大的突变现象发生的结构部位进行加强控制, 由于在地震的作用下, 整体带加强层建筑的相邻楼层之间会产生较大的内力作用变化, 使得整体的地震应压力比较大, 并且集中在特殊的结构位置上, 所以, 在进行带加强层高层建筑结构设计时, 我们要根据具体的抗震性能原则进行整体结构的方法设计, 主要为: (1) 要有效地发挥出带加强层的侧向抵抗作用, 合理的设置加强层的数量与位置, 不同的加强层数量会有不同的位置设计, 我们要进行合理地计算, 从而满足带加强层高层建筑结构的抗震性能; (2) 要发挥带加强层水平方向上的构件延伸作用, 方便在地震作用下进行整体的外力传送的可靠性, 保证整体结构的稳定可靠性; (3) 带加强层高层建筑结构在设计时, 要对整体的结构进行优化分析, 减少由于建筑结构水平的荷载作用对相邻之间的构件破坏, 避免由于在地震的强大作用力下导致相邻楼层之间的构件破坏, 提高抗震的性能; (4) 要对带加强层高层建筑结构进行详细的抗震性能相关参数进行计算与分析, 尽量精确整体结构的内力以及在地震作用下的位移变量, 做好弹性的变形分析, 严格的校验带加强层高层建筑结构的抗震性能。

带加强层高层建筑结构的抗震性能是指根据建筑物在地震作用系的功能与使用要求, 在抗震上的经济支出以及各种其他方面的因素作用所形成的一个量化的抗震性能标准, 带加强层高层建筑结构的抗震性能由多种因素共同影响, 所以我们要根据整体建筑结构的各个方面进行抗震性能的标准量化。

3 基于性能的抗震设计方法的简述分析

3.1 基于带加强层高层建筑结构的承载力基础上的抗震方法设计

地震灾害往往会导致地面进行剧烈的破坏及颠簸, 往往一个大地震就会导致地面的建筑物严重的破坏或倒塌, 引发生命以及财产的安全, 所以我们在进行建筑结构设计时, 必须要进行抗震的设计, 特别是对于带加强层高层建筑结构抗震的设计, 基于性能的建筑结构的抗震设计往往需要满足基本的结构安全功能, 传统的建筑抗震设计的方法已经不能满足基本的要求了。我们要基于抗震性能进行抗震的方法研究, 基于性能的抗震性能的研究往往是基于承载力学的结构研究进行的。我们在基于性能以及建筑结构构造、建筑承载力度设计方法是为了解决在实际应用过程中存在的静力向反应谱方法的改变与过渡, 在进行设计时, 往往要基于地震的作用力进行抗震性能的研究, 根据反应谱方法对地震的加速数值进行设计, 根据建筑结构的不同延伸性质来确定地震的作用力系数, 考虑到整体带加强层高层建筑结构的抗震性能, 从而进行抗震设计的方法研究。

3.2 基于带加强层高层建筑结构的破坏作用与能量作用基础上的抗震方法设计

除了对基于承载作用力的设计方法之外, 还有基于能量的设计, 地震时建筑结构的非弹性作用力会造成整体的变形, 会给建筑本身带来一定的危害, 我们在进行带加强层高层建筑结构抗震性能进行研究时, 就要根据实际的地震结构损坏与能量原理, 对带加强层高层建筑结构抗震性能进行研究, 从而基于此性能要求上进行抗震方法的设计。基于建筑结构的地震损伤与地震能量理论对抗震性能的研究具有重要的指导作用, 也为基于性能的带加强层高层建筑抗震方法设计提供了理论基础。

3.3 基于带加强层高层建筑结构的能力作用基础上的抗震方法设计

对于带加强层高层建筑结构的能力抗震方法设计来说, 主要是指钢筋混凝土建筑施工结构所具备的塑性变形的能力作用, 该能力抗震设计方法主要是以非弹性的抗震结构性能为基础, 带加强层高层建筑结构在地震的巨大破坏作用下, 如何提高抗震的性能, 保证整体结构的抗震性能目标是整体设计的主要原理, 基于抗震性能的抗震方法设计主要表现在几点: (1) 要将整体带加强层高层建筑结构的框架与剪力墙结构在地震破坏做与功能下进行抗震的塑性变形的能力分析, 查看变形的大小与范围; (2) 为了避免带加强层高层建筑结构的梁柱等构件在地震破坏下会造成极大的变形能力, 超过限定的变形能力致使构件产生非延性的结构破坏, 就要控制这种现象的发生, 合理的设计构件的配置; (3) 要采用一些有效的措施保证带加强层高层建筑容易出现变形的结构部位具备足够的变形能力, 基于抗震的性能所具备的最大限度非弹性的变形作用与能力。

3.4 基于带加强层高层建筑结构的位移与性能的抗震设计方法

要想进行带加强层高层建筑结构的抗震设计, 就要在之前计算好所需要的抗震设计的目标, 保证在某种情况下不会造成整体建筑结构的破坏, 基于性能的抗震设计方法可以加强对整体结构的稳固性研究, 我们要保证带加强层高层建筑结构在使用的时候能够满足所有的性能防护的基本目标, 在确定具体的带加强层高层建筑结构抗震性能使, 我们还要根据地震破坏的一些物理变量进行计算与分析, 例如在地震破坏作用下的作用力大小、每层之间的刚度位移、变形的加速度、地震的能量、建筑结构在地震作用下的损伤等, 根据不同地震作用性能下的结构反应值进行基于性能或者说是位移的抗震方法的设计。

4 结束语

总之, 带加强层高层建筑结构的抗震性能非常的复杂, 我们要综合的分析各种要素影响, 并且研究基于不同性能情况下的抗震设计的方法, 提高带加强层高层建筑结构的抗震能力, 保证整体建筑的质量。

参考文献

[1]石伟亮.李娟.高层建筑结构抗震性能和抗震设计的分析[J].建材与装饰, 2013, 09 (7) :23~34.

[2]李路彬.超高层钢——混凝土混合结构抗震性能和设计方法研究[J].北京建筑工程学院, 2012, 10 (5) :21~29.

[3]朱清峰.高层钢-混凝土混合结构节点抗震性能及设计方法研究[J].北京建筑工程学院, 2010, 05 (12) :22~34.

抗震性能化设计 篇8

本项目地处广州市荔湾区康王路段。总建筑面积60779平方米, 为高档住宅小区, 包括一栋46层的超高层住宅、一栋30层的高层住宅及3层高的裙楼;设2层地下室, 地下室底板面标高为-9.10米。A2栋为超高层住宅部分, 转换层设在五层, 五层以上为41层住宅, 层高3.0米, 地面以上高度为146.85米, 最大高宽比为5.0。

2 结构布置和选型

本工程A2栋根据标准层为高档住宅的特点, 考虑采用框支剪力墙结构体系。剪力墙作双向布置, 单体中部设置核心筒。为了不影响住宅下裙楼的架空花园及会所使用, 并且考虑不影响车道的要求, 把局部的剪力墙在五层进行转换, 核心筒及主要剪力墙直接落地。 (见图1)

3 计算结果及结果分析

针对本工程高度超限的特点, 在对结构进行计算和分析时, 除需考虑常规的竖向荷载、小震作用及顺风向风荷载作用外, 尚以高于现行规范的标准, 采用基于性能的抗震设计方法, 对结构进行中震作用下的屈服分析、罕遇地震下的静力推覆分析, 来使结构达到规范要求的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准建筑抗震设防目标。

3.1 安评报告的地震反应谱曲线与抗震规范的相应比较

《广州万科万景德项目工程场地地震安全性评价报告》提供的场地地面设计地震动参数与抗震规范的相应参数比较结果表明, 小震、中震作用下, 按安评报告计算的基底剪力均大于按规范反应谱的结果, 且安评报告计算的基底剪力约为规范反应谱的1.06倍, 因此小震和中震作用均按照规范的地震反应谱曲线进行放大1.06倍计算。

3.2 小震及风作用下的弹性分析

本工程采用中国建筑科学研究院编制的多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE对主体结构进行小震及风作用下的弹性整体计算分析, 并用土木建筑通用结构分析及优化设计软件MIDAS/Gen及ETABS软件进行校核对比分析。小震作用下结构的计算结果见表1。

弹性动力时程分析时分别采用地震安评报告中所提供的一条多遇地震人工波 (user1) 以及两条Ⅱ类场地的实际记录地震波 (TAF-2、ELC-3) , 并对分析结果进行放大调整, 以确保平均底部剪力不小于振型分解反应谱法结果的80%, 每条地震波底部剪力不小于反应谱法结果的65%。结果表明, 在多遇地震作用下, 人工波的各项指标基本大于CQC法, 而实际记录波的各项指标则基本小于CQC法, 但CQC法的结果均大于三条波时程分析结果的平均值。在进行施工图设计时, 按CQC法的计算结果进行配筋设计。

以上考虑小震组合的弹性计算分析结果表明, 本工程各项整体指标均能满足相关规范的有关要求或未超出规范规定的最大限值;墙柱的轴压比和各构件的强度及变形也均能满足规范的要求, 完全能达到小震作用下“结构处于弹性状态, 各构件完好、无损伤”的第一阶段的抗震性能目标。

3.3 弹性中震作用下结构构件的屈服判别分析

按“屈服判别法”进行中震不屈服验算 (验算时荷载分项系数取1.0, 材料强度取标准值) , 分别按小震 (αmax=0.08) , 屈服判别地震作用1 (αmax=0.16) , 屈服判别地震作用2 (αmax=0.20) , 中震 (αmax=0.23) 进行验算, 以判别在此四种情况下, 结构构件是否屈服, 何时屈服及属何种屈服, 从而检查和掌握本工程在中震作用时的抗震能力。验算结果表明, 在上述四种情况下, 本工程竖向构件均不出现屈服;在上述四种情况下, 所有梁不出现屈服。故本工程能满足中震重要构件不屈服, 所有构件不发生剪切破坏的抗震性能目标要求。

3.4 罕遇地震作用下静力弹塑性 (Pushover) 分析及结构抗震性能评价

Pushover方法是对结构在罕遇地震作用下进行弹塑性变形分析的一种简化方法与反应谱法类似, 本质上是一种用静力来模拟地震力的分析方法。具体地说, 就是在结构计算模型上施加按某种规则分布的水平侧向力 (例如按振型分解反应谱法计算得出的水平地震力) , 单调加载并逐级加大;一旦有构件开裂 (或屈服) 则修改其刚度 (或使其退出工作) , 进而修改结构总刚度矩阵, 进行下一步计算, 依次循环直到结构达到预定的状态 (成为机构、位移超限或达到目标位移) , 从而判断是否满足相应的抗震能力要求。计算结果见表2。

Pushover分析结果表明, 在性能控制点处, 各栋剪力墙均未出现剪力铰, 即剪力墙抗剪能力足够, 不会发生剪切破坏。可见, 在罕遇地震作用下, 结构的抗震性能满足防倒塌的抗震设计目标。

4 特殊或关键构件的相关验算

4.1 楼板应力分析析

有限元分析程序PMSAP分析结果表明, 在常遇地震作用下, 标准层过道处楼板薄弱部位拉应力最大值为1.171MPa, 其数值未超过砼楼板的抗拉强度标准值ftk=2.01MPa, 所以在小震作用下楼板处于弹性状态;偏于安全的乘上放大系数0.50/0.08=6.25作为罕遇地震作用下的拉应力, 将该处楼板加厚至140mm厚后, 配Φ12@100双层板筋即可承受其拉力;楼板薄弱部位剪应力最大值为0.389MPa, 偏于安全的乘上放大系数0.50/0.08=6.25作为罕遇地震作用下的剪应力, 楼板配Φ12@100双层板筋, 即能满足楼板的抗剪承载力要求。在常遇地震作用下, 转换层楼板薄弱部位拉应力最大值为1.899MPa, 其数值未超过砼楼板的抗拉强度标准值ftk=2.39MPa, 所以在小震作用下楼板处于弹性状态;偏于安全的乘上放大系数0.50/0.08=6.25作为罕遇地震作用下的拉应力, 配Φ14@100双层板筋即可承受其拉力;楼板薄弱部位剪应力最大值为0.448MPa, 偏于安全的乘上放大系数0.50/0.08=6.25作为罕遇地震作用下的剪应力, 楼板配Φ14@100双层板筋, 即能满足楼板的抗剪承载力要求。

4.2 框支柱承载力分析

以轴压比最大的框支柱为例, 在常遇水平地震作用下, 框支柱在重力荷载代表值作用下轴力标准值为8307KN, 地震作用下轴力标准值为1287KN, 偏于安全的把地震力乘上放大系数0.50/0.08=6.25作为罕遇地震作用下的轴力标准值, 则近似估算柱子在罕遇地震作用下的轴力标准值为8307+6.25×1287=16350KN, 相应截面抗压承载力标准值为38500KN, 满足要求。其余框支柱强度也可以满足在弹性罕遇地震作用下, 不出现强度破坏。

4.3 转换梁承载力分析

为使在设计罕遇地震作用下转换梁不出现剪切破坏, 按下式验算转换梁截面抗剪承载力

以H轴交1~6轴的1400×2000框支梁为例, 在常遇水平地震作用下, 重力荷载代表值作用下梁剪力为5392k N, 地震作用下梁剪力为1102KN, 则近似估算梁在罕遇地震作用下的剪力标准值为5392+6.25×1102=12280KN, 相应截面抗剪承载力标准值13207k N, 满足要求。经验算其他框支梁也可以满足在弹性罕遇地震作用下, 不出现强度破坏。

5 结论

分析结果表明:在多遇地震作用下本工程结构的第一扭转与平动周期比、侧向刚度、竖向规则性、扭转位移比等指标均符合现行规范的相关要求;中震作用下能满足“重要构件不屈服, 所有构件先行不发生剪切破坏”的抗震性能目标;罕遇地震作用下能满足不倒塌, 重要构件不发生严重损坏的设防要求, 因此可以期望本工程的结构体系在遭遇地震作用时, 能达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标, 同时亦能最大限度地满足建筑功能的要求。

参考文献

[1]GB50011-2001.建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2001.

[2]JGJ3-2002.高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社, 2002.

结构基于性能的抗震设计分析讨论 篇9

基于性能的抗震设计理论是20世纪90年代初由美国学者提出,旨在使结构在未来的地震灾害下能够维持一定的性能水平。是一种更合理的设计理念,将是未来结构抗震设计的发展方向,目前已引起了各国的广泛重视。

日本在1995年开始进行了“建筑结构的新设计框架开发”项目研究,为期3年,并总结了研究成果。在此基础上实施了新的基于性能的建筑基准法。

中国建筑科学研究院工程抗震研究所联合国内部分高校和研究所开展了“我国2000年工程抗震设计模式规范”的研究,并在《建筑结构学报》中介绍了研究成果。目前正在修订的国家标准《混凝土结构设计规范》《建筑抗震设计规范》拟纳入基于性能的抗震设计方法。

2 基于性能的抗震设计的基本概念及设计方法

2.1 基于性能的抗震设计的基本概念

我国抗震设计规范提出“三水准,两设防”的设计方法。地震设防水准是指在未来一段时间内可能作用于场地的地震作用的大小,或者说,应选择多大强度的地震作为防御的对象。中国地震风险水平见表1。

对应的“小震不坏,中震可修,大震不倒”三水准,相应的地震最大影响系数的比值1∶2.8∶(4.5～6)。这种设计方法虽然在大震情况下不至于倒塌,避免了人们的生命安全的损失,但是结构倒塌造成的各种经济损失以及重新修复等措施,会给社会灾后重建带来更重的负担。而改进这种抗震设计方法使损失降至可控范围,这就需要对结构进行基于性能的抗震设计。

2.2 基于性能的抗震设计方法

1)承载力设计方法。

承载力设计方法是在实际工程应用中比较常见的一种设计方法,通过非线性静力分析(Push-over)进行设计验算,可以对结构非线性变形进行控制,并能达到预期的性能目标,但是对于结构进入弹塑性阶段时,该方法需要对结构进行折减,故在一定程度上失真。

2)基于位移进行抗震的设计方法。

将位移作为整个结构抗震设计的起点,假定位移或层间位移是抗震性能的控制因素,以位移作为设计变量。根据预期位移计算地震作用,进行结构设计,使构件达到预期的变形,结构达到预期的位移。

[θ]→Δui=[θ]hi→ui=ui-1+Δui。

结构的侧移形状按满足性能水平的层间侧移角来控制。直接基于位移的抗震设计方法仅考虑了结构第1振型,仅对中低层建筑结构的抗震设计适用,对于高层及复杂结构会产生较大误差。

3)能力谱法。

基本思想:在同一图上绘制两条谱曲线,一条是将力—位移曲线转化为能力谱曲线,另一条为将加速度反应谱转化为需求谱曲线,两条曲线的交点为“目标位移点”,亦称“性能点”。 建立能力曲线和需求曲线是能力谱法的关键。其交点对应的位移为等效单自由度体系的等效位移,再将其转化为原结构的顶点位移,即“目标位移”。

4)基于位移延性系数的设计方法。

也称作截面变形能力设计方法,是根据对截面的屈服曲率确定位移延性比需求,从而计算出需达到的曲率延性比。

3 实际工程中的应用

本文对结构的非线性分析,采用弹塑性静力或弹塑性动力分析方法,而动力分析中合理的选取地震波比较困难,故实际应用中弹塑性静力分析(Push-over)被广泛应用。

弹塑性静力分析方法可以通过对需求谱曲线与能力谱曲线的交点,也就是性能点来参考结构在地震作用下的效应,分析的结果主要根据性能点处所对应的结构变形,如层间位移角是否满足抗震设计规范规定的层间位移角限值、梁柱的塑性铰出现塑性变形是否超出某一水准下地变形要求等。

4 结语

基于性能的抗震设计是以结构抗震性能分析为基础的,使结构在未来不同的抗震等级的地震作用下达到预期的抗震性能目标,克服了基于承载力抗震设计不能预估结构屈服后抗震性能的缺陷。但基于性能的抗震设计仍存在一些问题,有待于今后工作中作进一步研究。

参考文献

[1]叶燎原,潘文.结构静力弹塑性分析(Pushover Analysis)的基本原理和计算实例[J].建筑学报,2000,2(1):37-43.

[2]汪大绥,贺军利,张凤新.静力弹塑性分析(Pushover Analy-sis)的基本原理和计算实例[J].世界地震工程,2004,20(1):45-53.

[3]GB50011-2010,建筑设计抗震规范[S].

[4]马宏旺,吕西林.建筑结构基于性能抗震设计的几个问题[J].同济大学学报(自然科学版),2002,30(12):1429-1434.

某超限高层建筑抗震性能设计 篇10

1 工程概况

本工程建设地点位于太原市杏花岭区,建筑主要功能为沿街商铺及高层住宅,地上33层,地下2层,建筑总高度99.650 m,室内外高差0.3 m。地下2层为人防层,地下1层为设备夹层,嵌固层顶标高为±0.000。结构形式为框支剪力墙结构,转换层为地上2层顶板,标高为9.350。建筑结构安全等级为二级,设计使用年限为50年,建筑抗震设防类别为丙类,建筑地基基础设计等级为乙级,基本风压按100年一遇为0.45 kN/m2,抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.2g,设计地震分组为第一组,建筑场地类别为Ⅲ类。结构总高度为99.650 m,大于抗震烈度为8度时 A级高度钢筋混凝土部分落地框支剪力墙结构的最大适用高度80 m,属于B级高层建筑,属于超限工程,底部加强区框架及剪力墙抗震等级为特一级,非加强区剪力墙抗震等级为一级。

2 结构抗震性能目标

根据本工程的超限程度以及业主的要求,该结构在不同水平地震作用下的抗震性能目标见表1。

1)变形控制值。a.高度不大于150 m的部分落地框支剪力墙结构在多遇地震标准值作用弹性方法计算下楼层层间最大位移与层高之比限值:1/1 000;b.在罕遇地震作用下,进行弹塑性变形验算,楼层层间最大弹塑性位移与层高之比限值:1/120。2)转换层上、下结构等效侧向刚度比γe1。底部大空间层数大于1层时,γe1宜接近1,且不应大于1.3。3)框支转换构件配筋按中震不屈服计算结果与多遇地震弹性计算结果较大值配筋。4)落地剪力墙配筋按中震不屈服计算结果与多遇地震弹性计算结果较大值配筋。5)框支转换构件考虑竖向地震作用。6)对次梁托墙的相关部位进行应力分析。7)对框支层楼板定义弹性楼板进行应力分析。8)对框支层单元分隔墙端进行应力分析。9)加强地上两层底部大空间的侧向刚度,在合理部位增加屈曲约束支撑,较好地改善了结构的竖向刚度突变。在中震和罕遇地震作用下,屈曲约束支撑可以耗散地震能量,起到结构消能器的作用,能够很大程度地提高结构的抗震性能,保护结构主要构件在中震和大震下不破坏,达到抗震设防“大震不倒”的性能目标。

3 结构整体抗震分析及设计

3.1 多遇地震下结构弹性分析、弹性时程分析

JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程5.1.12要求B级高度高层建筑结构应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算。本工程多遇地震下整体计算采用中国建筑科学研究院SATWE(结构空间有限元分析设计软件)和PMSAP(复杂空间结构分析与设计软件)两个软件,并且采用弹性时程分析法进行补充计算。计算结果表明,建筑的有效质量系数、层间位移角、周期比、剪重比、轴压比、转换层上、下结构侧向刚度比、整体稳定性等均满足规范要求。由弹性动力时程分析曲线结果可知,动力时程反应值指标均小于振型分解反应谱法的计算值,因此采用振型分解反应谱法下的结构内力进行设计,结构体系无薄弱层。

本工程高度超限(B级),平面一项超限(位移比>1.2),其余不存在超限问题。1)针对扭转不规则的措施:合理的结构布置,适当加大外圈剪力墙截面或配筋。2)针对竖向不规则的措施:在合理部位增加屈曲约束支撑以提高侧向刚度,同时地震时可以起到耗能作用。屈曲约束支撑结构延性性能好,耗能能力增强,且屈曲约束支撑施工方法与普通钢结构支撑相同,施工进度快,质量可靠。

3.2 罕遇地震下结构弹塑性分析

罕遇地震下的弹塑性分析采用中国建筑科学研究院EPDA/PUSH软件,为准确反映结构的弹塑性性能和屈服机制,结构整体采用空间模型。PUSH的加载过程:在结构竖向力作用的初始状态下,施加侧推静力荷载,直到满足停机控制条件。加载过程均采用弧长法控制的逐步加载的弹塑性静力非线性分析方法。罕遇地震作用下结构塑性铰主要分布于连梁、框架梁以及屈曲约束支撑上,说明这些构件为结构的主要屈服耗能构件,满足抗震设防的要求。X,Y向的抗倒塌能力—需求曲线表明层间位移角均满足罕遇地震作用下规范规定的变形限值,满足规范“大震不倒”的抗震设防标准。

3.3 次梁托墙的相关部位及框支层单元分隔墙有限元分析

由于框支层单元分隔墙墙端南侧(以下简称墙1)墙顶与框支梁连接,墙端受力较为复杂;KZL19承托二次转换框支梁,受力亦相对复杂,现对此两处构件进行应力分析。利用ANSYS软件采用分离式方法建立其有限元计算模型。材料选用Concret,材料参数按照GB 50010-2010混凝土结构设计规范中C40的材料常数取值;钢筋采用Link8单元,材料采用双线性等向强化材料模型,材料参数按照GB 50010-2010混凝土结构设计规范中HRB400的材料常数取值。经有限元计算,墙1和KZL19中钢筋均未屈服,构件强度满足设计要求。

3.4框支转换构件配筋分析

框支转换构件在小震弹性、中震不屈服(SATWE在分析与设计参数补充定义中将多遇地震影响系数最大值改为0.46)以及考虑竖向地震作用下(SATWE在分析与设计参数补充定义中地震作用计算选择计算水平和竖向地震)配筋简图比较,经过分析对比,框支转换构件按以上三种情况下的较大配筋结果配置钢筋,以达到结构性能设计目标。

3.5转换层弹性楼板分析

转换层弹性楼板计算采用PMSAP软件,模型中将转换层楼板全部设为弹性板6(程序真实计算楼板平面内和平面外刚度)进行分析计算,结果表明楼板的最大主应力均小于混凝土轴心抗拉强度标准值,在多遇地震下,楼板不会开裂,配筋满足规范要求。

4结语

本工程属于B级高层建筑,设计中结构布置合理,采用了屈曲约束支撑耗散地震能量,加强了重要部位性能设计,满足了“强柱弱梁”抗震设计的基本要求,并达到了规范要求的“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准二阶段的设防目标。在抗震设防区,对超限高层结构设计的抗震设防质量、可靠性、安全性提出了严格规定。超限高层建筑结构设计内容不仅局限于结构的计算分析,因为大多数计算模型是在各种假定前提下简化处理后实现的,其计算结果不能真实反映结构的受力状态。现有的计算模型无法在实际工程的各种复杂结构形式中适用。因此在高层结构设计中,不能盲目依赖模型计算和其计算结果,但也不能忽视结构计算,应把结构的抗震性能和受力状态作为前提,同时重视结构概念设计和工程实践经验,合理运用模型的计算结果。在结构的整体设计中应该突出概念设计,在结构体系中设置多道抗震防线,结合规范针对薄弱层、薄弱部位的加强措施和耗能构件的合理布置,最终实现三个水准的抗震设防目标。

参考文献

[1]JGJ3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

[3]黄斌.超限高层住宅建筑的抗震设计[J].广东土木与建筑,2008,14(13):51.

[4]徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.