文檔高層鋼結(jié)構(gòu)

粘彈性阻尼高層鋼結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法姓名：李文杰學(xué)號(hào)：12121088班級(jí)：碩1203班

摘要本文以安裝粘彈性阻尼器的高層鋼結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論與方法的研究。在基于性能抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論研究方面，將高層鋼結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)劃分為五個(gè)等級(jí)，進(jìn)而結(jié)合所確定的地震設(shè)防水準(zhǔn)，根據(jù)建筑物的重要性和使用功能，將高層鋼結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)劃分為四個(gè)等級(jí)，并闡明采用耗能減震技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的性能目標(biāo)。關(guān)鍵詞:基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法高層鋼結(jié)構(gòu)粘彈性阻尼器在設(shè)計(jì)地震下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、變形等是否滿足規(guī)范的要求，并為此階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供直接可靠的依據(jù)。彈塑性抗震設(shè)計(jì)可以防止結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下失效，相對(duì)于彈性抗震設(shè)計(jì)而言，可以體現(xiàn)出更多的結(jié)構(gòu)抗震性能，如更加真實(shí)地估算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)、更加準(zhǔn)確地判斷結(jié)構(gòu)的薄弱層和薄弱桿件、以及樓層剛度突變等信息。實(shí)現(xiàn)兩階段的抗震設(shè)計(jì)所涉及到的具體抗震分析方法主要有以下幾種:1.反應(yīng)譜法2.時(shí)程分析法3.靜力非線性分析法2.2高層鋼結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計(jì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)主要致力于保證結(jié)構(gòu)自身具有一定的強(qiáng)度、剛度和延性，以滿足一定的抗震設(shè)計(jì)要求。這種設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)處于被動(dòng)抵御地震作用的地位，因此，是一種消極的抗震方式。為使結(jié)構(gòu)更有效地抵抗地震作用，各國研究者一直在積極尋找新的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)途徑，以隔震、減震為技術(shù)特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)抗震新技術(shù)，便是這種努力的結(jié)果。高層建筑設(shè)計(jì)中，側(cè)向剛度是主要考慮的因素，能準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的參數(shù)為水平位移指標(biāo)，即建筑頂端最大位移與建筑總高度之比。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的剛度相對(duì)較小，其地震反應(yīng)控制按照傳統(tǒng)方法僅靠增加結(jié)構(gòu)自身的水平剛度和阻尼是很不經(jīng)濟(jì)的，有時(shí)甚至是無法做到的，所以難以達(dá)到既滿足安全性、使用性等要求又滿足社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等方面的要求，而結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制突破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，使僅依靠增加結(jié)構(gòu)本身性能來抵抗動(dòng)力荷載的方法發(fā)展為由結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制體系能動(dòng)地控制結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。耗能減振(震)技術(shù)作為一種有效的結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制方法在近二十年來得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。耗能減震器的類型也在不斷增多。目前，根據(jù)耗能機(jī)理的不同可以分為:金屬阻尼器、摩擦阻尼器、粘彈性阻尼器、粘滯阻尼器和復(fù)合型阻尼器。粘彈性阻尼高層鋼結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法研究這些耗能裝置在強(qiáng)烈地震作用下率先進(jìn)入非彈性狀態(tài)，產(chǎn)生較大的阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量。采用耗能減震裝置的高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算模型需對(duì)耗能減震裝置按結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)待，采取合適的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。一般情況下，宜采用非線性時(shí)程分析法和靜力非線性分析法，但當(dāng)主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作階段時(shí)，也可采用線性分析法簡(jiǎn)化估算，并根據(jù)結(jié)構(gòu)變形特征和高度等，分別采用底部剪力法，振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法進(jìn)行抗震計(jì)算。第二篇高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論的目的就是在未來抗震設(shè)計(jì)中，在不同強(qiáng)度水平地震作用下，能夠有效地控制建筑物的破壞狀態(tài)，使建筑物實(shí)現(xiàn)明確的不同性能水準(zhǔn)，從而使建筑物在整個(gè)生命周期內(nèi)，在遭受可能發(fā)生的地震作用下，總體費(fèi)用達(dá)到最小的目標(biāo)。2.1高層鋼結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的綜合描述根據(jù)結(jié)構(gòu)的破壞特征和我國《建筑地震破壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)》，同時(shí)參考國內(nèi)外結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)劃分標(biāo)準(zhǔn)[5]，把高層鋼結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)分為五個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)五個(gè)性能等級(jí)的結(jié)構(gòu)破壞程度的描述見下表2-1。這五個(gè)等級(jí)能夠比較全面地反映結(jié)構(gòu)在地震作用下破壞的性能狀況。表2-1中性能水準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的“基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、基本倒塌”五種破壞狀態(tài)與《建筑抗震規(guī)范》（2001）中的“不壞、可修、不倒”三個(gè)等級(jí)相比，五個(gè)等級(jí)劃分較細(xì)、應(yīng)用和評(píng)估比較容易，其中，“不壞”相當(dāng)于“基本完好”;“可修”相當(dāng)于“中等破壞”;“不倒”相當(dāng)于“嚴(yán)重破壞”。表2-1高層鋼結(jié)構(gòu)性態(tài)水準(zhǔn)及其綜合描述2.2高層鋼結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的量化為了使基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論能夠應(yīng)用于實(shí)際結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，需要在定性研究的基礎(chǔ)上使之達(dá)到定量化的程度。為此，在劃分了高層鋼結(jié)構(gòu)性能水平之后，需要進(jìn)一步確定采用什么參數(shù)對(duì)各性能等級(jí)的損壞極限狀態(tài)進(jìn)行量化。國內(nèi)外學(xué)者曾提出過許多參數(shù)來量化建筑結(jié)構(gòu)的震害水平，包括強(qiáng)度指標(biāo)、變形指標(biāo)、能量指標(biāo)、低周疲勞指標(biāo)、變形指標(biāo)和能量雙重指標(biāo)等，但目前許多學(xué)者認(rèn)為，盡管結(jié)構(gòu)性能由某個(gè)參數(shù)來劃分可能不盡完善，但是基于位移(變形)來劃分結(jié)構(gòu)性能水平是方便實(shí)用的。因?yàn)樽冃?或位移)比強(qiáng)度(或承載力)更能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下的性能;變形指標(biāo)不僅可以較好地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度，如同結(jié)構(gòu)性能有關(guān)的三個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)，強(qiáng)度、剛度(變形)、延性，一般都可以通過與變形相對(duì)應(yīng)的剛度來調(diào)整，而且變形指標(biāo)還能夠用以控制非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水平[72]。同時(shí)，在高層建筑設(shè)計(jì)中，側(cè)向剛度是主要考慮因素，而能準(zhǔn)確判斷建筑側(cè)向剛度的參數(shù)為水平位移指標(biāo)(建筑頂端最大位移與建筑總高度之比)。因此，從工程實(shí)用角度，采用變形指標(biāo)(轉(zhuǎn)角、位移角等)來對(duì)各種性能水平的損傷極限狀態(tài)進(jìn)行量化是比較合適的。1.變形限值所考慮的因素在基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論中，要考慮建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件在未來外荷載作用下的變形與破壞，也要考慮建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷以及裝修等級(jí)等因素。如果高層鋼結(jié)構(gòu)的變形過大，將會(huì)產(chǎn)生很大的p-△效應(yīng)，將引起建筑裝修材料的破損以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的嚴(yán)重破壞，這樣可能會(huì)造成修復(fù)費(fèi)用過高或人員傷亡。不同性能水準(zhǔn)的變形限值須同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能發(fā)生的損壞情況。如果結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形過大時(shí)，對(duì)于較高的性能水準(zhǔn)，一般必須同時(shí)控制結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞程度，而對(duì)于較低的性能水準(zhǔn)，如中等破壞和生命安全這兩個(gè)性能水準(zhǔn)，往往是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞程度起控制作用。2.目前國內(nèi)外規(guī)范對(duì)于變形限值的規(guī)定(1)中國規(guī)范1985年以前，我國高層建筑大都采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，故對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層間位移的計(jì)算和限值的研究較多[12.131，而對(duì)鋼結(jié)構(gòu)方面的研究較少。GBJ11-89《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中沒有鋼結(jié)構(gòu)部分。2001年修訂的GB50011-2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》加入了鋼結(jié)構(gòu)部分。其中彈性和彈塑性層間位移限值的取值參照了日本和美國加州規(guī)范。多、高層鋼結(jié)構(gòu)體系地彈性層間位移角限值的選取參照美國加州規(guī)范(1998)對(duì)基本自振周期大于0.75s的結(jié)構(gòu)的規(guī)定，取為1/300，彈塑性層間位移角限值的選取考慮到鋼結(jié)構(gòu)具有較好的延性，并參照美國規(guī)范，取為1/501側(cè)a1/50['3](2)美國規(guī)范有關(guān)變形驗(yàn)算的規(guī)定高層鋼結(jié)構(gòu)具有較高的變形能力，美國ATC-06規(guī)定，II類地區(qū)危險(xiǎn)性建筑(容納人數(shù)較多)，層間最大位移角限值為1/67;美國AISC房屋鋼結(jié)構(gòu)抗震規(guī)定(1997)中規(guī)定，與小震相比，大震時(shí)的位移角放大系數(shù)，對(duì)雙重抗側(cè)力體系中的框架一中心支撐結(jié)構(gòu)取5，對(duì)框架一偏心支撐結(jié)構(gòu)取4。如果彈性位移角限值為1/300，則對(duì)應(yīng)的彈塑性位移角限值分別為1/60和1/751'31。美國IBC2000規(guī)范中的位移限值為彈塑性位移限值，對(duì)一般鋼結(jié)構(gòu)要求不超過1/50，而對(duì)于不同鋼結(jié)構(gòu)體系(如中心支撐、偏心支撐等)的彈性層間位移限值均在1/200左右。大多數(shù)美國規(guī)范都明確表明他們提供的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是確保生命安全(Life-satelevel)的最低要求，而不是確保結(jié)構(gòu)免遭破壞。其采用的設(shè)計(jì)地震在50年內(nèi)的超越概率為10%(地震重現(xiàn)期為475年)，該地震的強(qiáng)度水平正好相當(dāng)于我國現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的基本烈度。在這個(gè)“中震”水平的地震作用下，美國規(guī)范允許結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。與設(shè)計(jì)原則相對(duì)應(yīng)，其規(guī)范規(guī)定用于設(shè)計(jì)地震下變形驗(yàn)算的層間位移為在設(shè)計(jì)地震作用下按照彈性分析所得到的層間彈性位移乘以彈塑性位移增大系數(shù)以考慮塑性變形的影響。可見美國規(guī)范在設(shè)計(jì)地震下的變形驗(yàn)算已經(jīng)是彈塑性變形驗(yàn)算，與我國規(guī)范小震下的彈性變形驗(yàn)算不同，其層間位移角容許值1/250或1/200會(huì)比我國規(guī)范所規(guī)定的限值大(3)日本有關(guān)規(guī)范的規(guī)定日本建筑標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)采用雙水準(zhǔn)的抗震設(shè)計(jì)原則，第一水準(zhǔn)抗震設(shè)防是以中等強(qiáng)度地震為對(duì)象，其對(duì)應(yīng)的地表有效加速度峰值大約為80-100ga1。該法規(guī)規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)的層間位移角限值為1/200，目的是防止非結(jié)構(gòu)構(gòu)件嚴(yán)重破壞或脫落而可能引起疏散口堵塞或直接對(duì)人員造成傷害。日本建筑學(xué)會(huì)的設(shè)計(jì)指南對(duì)罕遇地震下的彈塑性變形驗(yàn)算做出了建議。具體見表2一3表2-2日本有關(guān)規(guī)范對(duì)抗彎鋼框架所規(guī)定的層間位移角限值(4)歐洲規(guī)范的有關(guān)規(guī)定歐洲規(guī)范(Europcode8)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與美國規(guī)范UBC相似，也是采用重現(xiàn)周期為475年的地震作為設(shè)計(jì)地震，用于變形驗(yàn)算的層間位移也在彈性分析值的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)與結(jié)構(gòu)的延性能力有關(guān)的位移性能系數(shù)。不同國家規(guī)范對(duì)層間位移角限值的規(guī)定存在較大的差異，這主要是因?yàn)閷娱g位移限值是控制高層建筑結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要指標(biāo)，其取值是根據(jù)本國的設(shè)防目標(biāo)、計(jì)算方法、材料性能及施工構(gòu)造等因素綜合考慮的。表2-3列出了國內(nèi)全鋼結(jié)構(gòu)工程實(shí)例中不同結(jié)構(gòu)體系的層間位移角計(jì)算值。從表中可以看出彈性層間位移角基本能滿足彈性位移驗(yàn)算的限值1/300;罕遇地震作用下彈塑性層間位移角距規(guī)定的限值1/50尚有一定的距離。3.不同性能水準(zhǔn)下設(shè)計(jì)位移的建議取值根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外的規(guī)范中的對(duì)變形限值的規(guī)定以及工程實(shí)例的計(jì)算結(jié)果，本節(jié)將量化不同性能水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)的變形限值。表2-3全鋼結(jié)構(gòu)中不同結(jié)構(gòu)體系的水平位移計(jì)算值(1)性能水準(zhǔn)為“充分運(yùn)行”時(shí)變形限值的選取性能水準(zhǔn)為“充分運(yùn)行”，主要是為了保證震后設(shè)備繼續(xù)實(shí)行其功能，建筑構(gòu)件與非建筑構(gòu)件可能有輕微的破壞，但建筑結(jié)構(gòu)完好，功能不受影響。而目前我國的《建筑抗震規(guī)范》GB50011-2001中驗(yàn)算“小震”下結(jié)構(gòu)的層間位移是為了保證建筑物能完全履行其設(shè)計(jì)功能，結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不受損壞或只受到輕微損壞。該水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的“基本完好”破壞狀態(tài)與目前抗震規(guī)范規(guī)定的“小震不壞”是相當(dāng)?shù)?。因此，可以偏于安全地選取此水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的變形限值為驗(yàn)算小震下的層間彈性位移角限值，即1/300。另外，從表2.3中也可以看出，一些實(shí)際高層鋼結(jié)構(gòu)保持彈性工作狀態(tài)時(shí)的最大層間位移角均小于1/300。(2)性能水準(zhǔn)為“基本運(yùn)行”時(shí)變形限值的選取該水準(zhǔn)要求震后結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵和重要物品以及室內(nèi)物品免遭破壞，結(jié)構(gòu)可能損壞，但經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用，結(jié)構(gòu)的主要功能可以修復(fù)。這種“中等破壞”的狀態(tài)與我國抗震規(guī)范中設(shè)防目標(biāo)“中震可修”要求建筑物可能有一定損壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用的“可修”狀態(tài)基本相當(dāng)。前面在介紹國內(nèi)外規(guī)范對(duì)變形限值規(guī)定的過程中曾分析過，美國和日本的規(guī)范在地震強(qiáng)度水平正好相當(dāng)于我國現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的基本烈度也就是“中震”水平地震作用下所規(guī)定的鋼結(jié)構(gòu)層間位移角限值為1/200，本文對(duì)大量鋼框架模型進(jìn)行的Pushover分析和彈塑性時(shí)程分析的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)的最大層間位移角在1/200^-1/152時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生的破壞屬于“中等破壞”性能水準(zhǔn)的宏觀描述，建議將性能水準(zhǔn)為“基本運(yùn)行”時(shí)對(duì)應(yīng)的變形限值取為1/1500。(3)性能水準(zhǔn)為“生命安全”時(shí)變形限值的選取該性能水準(zhǔn)要求主體結(jié)構(gòu)有較重?fù)p壞但不影響承重，非結(jié)構(gòu)可能墜落，但不致傷人，生命安全仍能保障，此時(shí)，結(jié)構(gòu)的局部功能可能喪失。這種“嚴(yán)重破壞”的狀態(tài)與目前我國抗震規(guī)范規(guī)定的建筑物在遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震影響時(shí)，建筑物不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞的“大震不倒”的要求相當(dāng)，因此，可以取此性能水準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的變形限值為罕遇地震作用下彈塑性層間位移角限值1/50。表2-4顯示了高層鋼結(jié)構(gòu)的一些性能水準(zhǔn)與對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)層間位移角限值。表2-4高層鋼結(jié)構(gòu)性態(tài)水準(zhǔn)與變形限值建議值2.3地震設(shè)防水準(zhǔn)基于性能的抗震設(shè)計(jì)追求能控制結(jié)構(gòu)在可能發(fā)生的所有地震作用下的性能水準(zhǔn)，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要根據(jù)不同重現(xiàn)期確定所有可能發(fā)生的對(duì)應(yīng)不同水準(zhǔn)或等級(jí)的地震動(dòng)參數(shù)，這些具體的地震動(dòng)參數(shù)即成為“地震設(shè)防水準(zhǔn)”。它是指工程設(shè)計(jì)中如何根據(jù)客觀的設(shè)防環(huán)境和已定的設(shè)防目標(biāo)，并考慮具體的經(jīng)濟(jì)條件來確定采用多大的地震強(qiáng)度作為防御的對(duì)象，地震設(shè)防水準(zhǔn)與一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)以及傳統(tǒng)設(shè)計(jì)習(xí)慣等多學(xué)科因素相關(guān)，因此各國設(shè)防水準(zhǔn)不盡相同。本文選用我國目前抗震規(guī)范中的“小震”“中震”和“大震”三個(gè)設(shè)防水準(zhǔn)，它們是在全國基本烈度設(shè)防區(qū)劃圖的基礎(chǔ)上，采用概率的方法確定的(94l，具體見表2-5.表2-5三級(jí)地震設(shè)防水準(zhǔn)2.4高層鋼結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的建立結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)是指對(duì)所設(shè)計(jì)的建筑物在每一個(gè)設(shè)計(jì)地震水平下所要求達(dá)到的性能水準(zhǔn)的總和。性能目標(biāo)的建立應(yīng)根據(jù)建筑物的使用要求、功能要求的重要性、經(jīng)濟(jì)性(傷亡、財(cái)產(chǎn)損傷、業(yè)務(wù)中斷、震后修復(fù))和其它因素(如文化歷史遺跡)等綜合因素來考慮[[8s]。本文在上述結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)和地震設(shè)防水準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，參考國內(nèi)外對(duì)結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的劃分，根據(jù)建筑物的重要性和使用功能，建立高層鋼結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)，劃分為以下幾個(gè)層次，見表2-6.表2-6高層鋼結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)性能目標(biāo)A:小震和中震都滿足性能水準(zhǔn)“充分運(yùn)行”的要求，大震下滿足性能水準(zhǔn)“運(yùn)行”。該水準(zhǔn)代表結(jié)構(gòu)最高的性能要求，相當(dāng)于“大震不壞”的設(shè)防原則。對(duì)于目前《抗震規(guī)范》中的規(guī)定的甲類建筑，地震中和地震后其使用功能不能中斷或存放大量危險(xiǎn)品或有毒物品的建筑，可以用此性能目標(biāo)。性能目標(biāo)B:小震下滿足性能水準(zhǔn)“充分運(yùn)行”的要求，中震下滿足性能水準(zhǔn)“運(yùn)行”，大震下滿足性能水準(zhǔn)“基本運(yùn)行”的要求。該水準(zhǔn)代表了結(jié)構(gòu)較高的性能要求，相當(dāng)于“中震不壞，大震可修”的設(shè)防原則。對(duì)于乙類建筑，在震后短期內(nèi)恢復(fù)或?qū)φ鸷筮\(yùn)行起關(guān)鍵作用的重要建筑，可采用此性能目標(biāo)。性能目標(biāo)C:小震下滿足性能水準(zhǔn)“充分運(yùn)行”的要求，中震下滿足性能水準(zhǔn)“生命安全”，大震下滿足性能水準(zhǔn)“接近倒塌”的要求，該水準(zhǔn)代表了結(jié)構(gòu)較低性能要求，相當(dāng)于我國現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的“小震不壞，中震可修和大震不倒”的設(shè)防原則。對(duì)于丙類建筑，一般的工業(yè)與民用建筑可采用此類性能目標(biāo)。性能目標(biāo)D:小震下滿足性能水準(zhǔn)“基本運(yùn)行”的要求，中震下滿足性能水準(zhǔn)“生命安全”，大震下滿足性能水準(zhǔn)“接近倒塌”的要求，該水準(zhǔn)代表了結(jié)構(gòu)最低的性能要求，相當(dāng)于“小震可修和中震不倒”的設(shè)防原則。對(duì)于次要的建筑，如遇地震破壞時(shí)無生命危害和不易造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損傷的建筑可采用此類性能目標(biāo)。從性能目標(biāo)中可以看出:性能目標(biāo)A和性能目標(biāo)B代表了結(jié)構(gòu)最高和較高的性能要求，性能目標(biāo)C和性能目標(biāo)D則代表了結(jié)構(gòu)較低和最低的性能要求。因此，該性能目標(biāo)的劃分可以較為全面的反映結(jié)構(gòu)不同等級(jí)的性能水能。2.5耗能減震技術(shù)與高層鋼結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)基于性能抗震設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是使抗震設(shè)計(jì)從宏觀定性的目標(biāo)向具體量化的多重目標(biāo)過渡，業(yè)主可以按工程實(shí)際情況選擇所需的性能目標(biāo)，在抗震設(shè)計(jì)中更強(qiáng)調(diào)實(shí)施性能目標(biāo)的深入分析與論證，這樣有利于建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，使用新的結(jié)構(gòu)體系，采用改變結(jié)構(gòu)抗震功能的新材料和新技術(shù)。耗能減震技術(shù)便是這種新技術(shù)中的典型代表，它區(qū)別與傳統(tǒng)抗震技術(shù)、通過在結(jié)構(gòu)中設(shè)置耗能裝置，消耗了大量的地震能量，大大減輕了結(jié)構(gòu)的變形和損傷，因此，成為提高建筑結(jié)構(gòu)抗震安全性的新的更加靈活有效的途徑。近年來，耗能減震技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于世界多幢土木結(jié)構(gòu)中，己成為提高新建結(jié)構(gòu)抗震能力或已有結(jié)構(gòu)抗震加固的重要措施。實(shí)際工程均表明，耗能減震裝置將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能耗散，有效地降低了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，不僅能防止結(jié)構(gòu)自身的破壞，還可以保護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)施的安全。日本在阪神地震后十余年里建造的高層鋼結(jié)構(gòu)幾乎全部按制震方法設(shè)計(jì)，采用了各種減震耗能的技術(shù)，廣泛采用滯回型阻尼器如屈曲約束型支撐、承剪板、液壓阻尼器以及其它粘滯性阻尼器在結(jié)構(gòu)工程中推廣和應(yīng)用。耗能減震技術(shù)的運(yùn)用為實(shí)現(xiàn)性能目標(biāo)提供了切實(shí)可行的技術(shù)手段，可以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的性能目標(biāo)。因此，要真正實(shí)現(xiàn)基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，探索有效的結(jié)構(gòu)抗震性能控制措施是十分必要的。第三篇粘彈性阻尼高層鋼結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法本文第二篇曾論述了耗能減震技術(shù)與高層鋼結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)關(guān)系。如要實(shí)現(xiàn)較高等級(jí)的性能目標(biāo)A、性能目標(biāo)B，或達(dá)到普通的性能目標(biāo)c，均可以通過在結(jié)構(gòu)中加設(shè)粘彈性阻尼器來實(shí)現(xiàn)，而不同級(jí)別的性能目標(biāo)，又可以通過調(diào)整粘彈性阻尼器的參數(shù)和數(shù)量來控制。因此，粘彈性阻尼減震技術(shù)對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基于性能的抗震設(shè)計(jì)提供了切實(shí)可行的技術(shù)手段。目前基于性能的設(shè)計(jì)實(shí)際上是基于位移的抗震設(shè)計(jì)，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下的破壞程度與結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)和結(jié)構(gòu)的變形能力有關(guān)，因此，用位移控制結(jié)構(gòu)在大震作用下的行為(performance)更為合理，基于位移的抗震設(shè)計(jì)是指在一定水準(zhǔn)的地震作用下，以結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)達(dá)到該水準(zhǔn)地震作用下的性能要求。在具體實(shí)現(xiàn)途徑上，可大致歸納為三種方法:按延性系數(shù)設(shè)計(jì)的方法、能力譜方法和直接基于位移的方法。能力譜法是當(dāng)前研究較為深入和應(yīng)用較為普遍的方法。該方法對(duì)于提高結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)效率、考察結(jié)構(gòu)開裂或屈服過程、分析結(jié)構(gòu)倒塌過程、計(jì)算并評(píng)估結(jié)構(gòu)抗震能力、指導(dǎo)并改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要作用，是基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法的有力工具。本文第四章己經(jīng)研究了使用能力譜法分析粘彈性阻尼高層鋼結(jié)構(gòu)的一些關(guān)鍵問題，本章將以前述章節(jié)內(nèi)容為基礎(chǔ)，探討粘彈性阻尼高層鋼結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)基本要求粘彈性阻尼高層鋼結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)包括概念設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算與構(gòu)造措施三方面的內(nèi)容與要求。在概念設(shè)計(jì)上主要強(qiáng)調(diào)以性能目標(biāo)為基礎(chǔ)，在抗震計(jì)算上主要是以基于位移的方法作為結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析方法，而在構(gòu)造措施上則需要著重考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件與粘彈性阻尼支撐構(gòu)件之間的連接等問題。高層鋼結(jié)構(gòu)安裝粘彈性阻尼器后，可以更好地實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別的性能目標(biāo)，如第二章所述的性能目標(biāo)A,B和c。在上述性能目標(biāo)下，粘彈性阻尼高層鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下一些要求[14]1.結(jié)構(gòu)的基本要求I)由于粘彈性阻尼器不改變結(jié)構(gòu)的基本形式，除粘彈性阻尼裝置外的結(jié)構(gòu)構(gòu)件仍可以按《抗震規(guī)范》中相應(yīng)結(jié)構(gòu)類型的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其具備傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抵抗使用荷載的一切功能;2)粘彈性阻尼高層鋼結(jié)構(gòu)在基本設(shè)計(jì)地震烈度下應(yīng)保持彈性，除阻尼器外，其它構(gòu)件也應(yīng)具有較好的延性，滿足《抗震規(guī)范》的要求;3)粘彈性阻尼高層鋼結(jié)構(gòu)的平、立面布置以及主體結(jié)構(gòu)的材料和施工應(yīng)滿足《抗震規(guī)范》的要求;4)粘彈性阻尼高層鋼結(jié)構(gòu)的總高度和層數(shù)可按國家標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》的規(guī)定降低一度來考慮;5)粘彈性阻尼器與支撐構(gòu)件的連接，應(yīng)符合鋼構(gòu)件連接的構(gòu)造要求，并能承擔(dān)粘彈性阻尼器施加給連接節(jié)點(diǎn)的最大作用力。2.阻尼器及其支撐的基本要求1)由于粘彈性阻尼器受環(huán)境溫度和振動(dòng)頻率等因素的影響較大，因此，應(yīng)選擇在使用環(huán)境和結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率范圍內(nèi)性能良好的粘彈性材料，如材料的剪切儲(chǔ)能模量應(yīng)盡可能小，而剪切損耗模量和損耗因子應(yīng)盡可能大，損耗因子的峰值溫度應(yīng)盡量靠近環(huán)境溫度。2)粘彈性阻尼器應(yīng)構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便;具有優(yōu)良的耐久性能和較好的易維護(hù)性;還應(yīng)具有良好的變形跟蹤能力，以確保在強(qiáng)震作用下不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象;3)粘彈性阻尼器及支撐的布置需綜合考慮結(jié)構(gòu)類型、建筑功能、美學(xué)效果以及施工等方面的要求，應(yīng)對(duì)支撐形式及連接方式進(jìn)行專門設(shè)計(jì)和研究，使之成為合理有效的受力體系并且更加符合實(shí)際工程的需要。具體為:在建筑上，應(yīng)注重粘彈性阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)空間使用功能及立面造型的影響:在結(jié)構(gòu)受力上，宜在結(jié)構(gòu)層間變形較大的位置或薄弱部位設(shè)置，每一層布置時(shí)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)的剛度中心與質(zhì)量中心重合，以減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，并使粘彈性阻尼器充分發(fā)揮消能減震的作用;在施工要求上，應(yīng)盡可能降低支撐的數(shù)量，以減少其對(duì)建筑正常使用的影響。圖5-1顯示了一些工程中，粘彈性阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)體系中的不同型式圖5-1粘彈性阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)體系中的不同型式設(shè)計(jì)步驟基于性能的抗震設(shè)計(jì)一般以結(jié)構(gòu)的位移為指標(biāo)，在設(shè)計(jì)中主要采用層間位移角作為滿足性能目標(biāo)的控制函數(shù)，當(dāng)結(jié)構(gòu)的層間位移角滿足了結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的層間位移角限值，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)滿足了所要求的性能水平，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);否則，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)循環(huán)設(shè)計(jì)，直到滿足性能目標(biāo)為止。1.確定建筑物的性能目標(biāo)結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的選取，需要綜合考慮場(chǎng)地和建筑物的性能與重要性、投資與效益、震后損失與恢復(fù)重建、潛在的歷史或文化價(jià)值、社會(huì)效益與業(yè)主承受能力等諸多要素。本文第二章建立了高層鋼結(jié)構(gòu)的四級(jí)性能目標(biāo)，可以根據(jù)建筑物的重要性和使用功能來選擇合適的性能目標(biāo)。2.對(duì)主體結(jié)構(gòu)的進(jìn)行分析和初步設(shè)計(jì)一些實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)表明[1113,1114]，對(duì)于主體結(jié)構(gòu)可以按照降低一度的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)。初步設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行基于能力譜法的分析并進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，從得到的層間位移角和結(jié)構(gòu)的薄弱部位、破壞機(jī)制等信息來確定結(jié)構(gòu)當(dāng)前所屬的性能目標(biāo)，并與要達(dá)到的性能目標(biāo)進(jìn)行比較，進(jìn)而初步預(yù)估結(jié)構(gòu)所需的阻尼比和確定阻尼器的安放位置。3.確定達(dá)到性能目標(biāo)時(shí)所需的阻尼比目標(biāo)阻尼比可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。一些研究表明在嚴(yán)格的室溫25℃時(shí)，對(duì)于粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)，當(dāng)阻尼比設(shè)計(jì)成15%時(shí)，對(duì)于任何地震地面運(yùn)動(dòng)和任何結(jié)構(gòu)，都能有效地減小地震反應(yīng)。4．設(shè)計(jì)粘彈性阻尼器及支撐(1)粘彈性阻尼器的設(shè)計(jì)粘彈性阻尼器的設(shè)計(jì)包括位置參數(shù)和性能參數(shù)的設(shè)計(jì)。通常阻尼器的數(shù)量和分布需經(jīng)過多次循環(huán)計(jì)算和優(yōu)化調(diào)整來確定;而性能參數(shù)(阻尼器的剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)、面積和厚度等)的設(shè)計(jì)也是一個(gè)反復(fù)迭代的過程。粘彈性阻尼器的附加剛度kdi和主體結(jié)構(gòu)的樓層剛度氣，之間存在以下關(guān)系(5-1)當(dāng)選定設(shè)計(jì)溫度和頻率以及粘彈性阻尼器的材料參數(shù)—剪切儲(chǔ)能模量G’和剪切損耗模量G”或損耗因子n后，阻尼器的面積A可以由式(5-2)確定:(5-2)G其中粘彈性阻尼材料的厚度h由阻尼器的最大允許變形量來確定，而最大允許變形量與樓層的層間位移控制目標(biāo)有關(guān)。(2)粘彈性阻尼支撐的設(shè)計(jì)粘彈性阻尼支撐是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，為使阻尼器充分發(fā)揮最佳減震效果，與其相連的支承構(gòu)件在阻尼器耗能方向的剛度可按下式計(jì)算(5-3)式中Kb—為支承構(gòu)件在阻尼器方向的剛度;Cd—相應(yīng)于結(jié)構(gòu)基本自振周期的阻尼器的線性阻尼系數(shù);Ti—粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)的基本自振周期。5.對(duì)粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析靜力非線性分析方法在粘彈性阻尼高層鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用具有可行性，且在結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)價(jià)方面較非線性時(shí)程分析要方便直觀的多，因此，設(shè)計(jì)過程中可以第四章的內(nèi)容為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。通過幾種典型側(cè)向力加載模式得到結(jié)構(gòu)的能力曲線，再計(jì)算結(jié)構(gòu)的阻尼比就可以建立需求曲線，從而判斷結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)，當(dāng)能力曲線和需求曲線不相交或相交后求得的性能點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的層間位移角不滿足要求，則應(yīng)重新設(shè)計(jì)阻尼器(可以調(diào)整阻尼器的布置、阻尼器的尺寸)或設(shè)計(jì)主體結(jié)構(gòu)。這里需要說明的是，我國《抗震規(guī)范》對(duì)阻尼器提供的附加阻尼比的最大取值提出了限值，當(dāng)附加阻尼比大于20%時(shí)取20%，以避免過高估計(jì)阻尼器的耗能作用。因此，如果計(jì)算表明阻尼器附加的阻尼比大于或等于20%時(shí)，能力譜和需求譜還不能相交，則應(yīng)重新進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)流程以上設(shè)計(jì)過程和步驟可以用圖5-2的設(shè)計(jì)流程圖表示。圖5-2粘彈性阻尼高層鋼結(jié)構(gòu)基于能力譜法的設(shè)計(jì)流程圖參考文獻(xiàn)[1]李剛，程耿東.基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)—理論、方法與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2004[2]SEAOCVision2000Committee,Performance-BasedSeismicEngineeringofBuildings[R].ReportPreparedbyEngineersAssociationofCalifornia,1995,Sacramento,California,USA.[3]ATC-40.SeismicEvaluationandRetrofitofConcreteBuildings[R].AppliedTechnologyCouncil,RedwoodCity,California,1996.[4]FajfarPANonlinearAnalysisMethodforPerformance-BasedSeismicDesign[J].EarthquakeSpectra,2000,16(3):573-592.[5]FEMA273/274.NEHRPGuidelinesfortheRehabilitationofBuildings[R].FederalEmergencyManagementAgency,Washington,D.C.,1996.[6]NegraPaolo,Performance-BasedSeismicDesignofBuildings:CurrentStatusofPractice/ResearchinEur