基于性能化的抗震設(shè)計在復(fù)雜超限結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用

基于性能化的抗震設(shè)計在復(fù)雜、超限結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用擇要：本文通過中央電視臺新臺址主樓和廣州新電視塔兩個復(fù)雜、超限結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用事例闡述了基于性能化的抗震設(shè)計方法和步驟。關(guān)鍵詞：性能目標(biāo)、性能化抗震設(shè)計、非線性分析一、前言我國目前抗震規(guī)范《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）采用的抗震設(shè)防思想是：“三水準的設(shè)防目標(biāo)”和實現(xiàn)這個目標(biāo)而采取的“兩階段設(shè)計步驟”，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”；第一階段設(shè)計，對結(jié)構(gòu)進行多遇地震下的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件承載力驗算和結(jié)構(gòu)彈性變形驗算。第二階段設(shè)計，對一些規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)進行罕遇地震下的彈塑性變形驗算。對于復(fù)雜和“超限”高層建筑結(jié)構(gòu)，這些工程都屬于不規(guī)則結(jié)構(gòu)，甚至是特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2002）中雖然已就某些復(fù)雜高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)采用常規(guī)抗震設(shè)計方法提出了設(shè)計規(guī)定，但實際工程中經(jīng)常遇到超過規(guī)程適用范圍或者規(guī)程中未規(guī)定的問題，此外，對于高層鋼結(jié)構(gòu)和混和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系目前還沒有相應(yīng)的設(shè)計規(guī)定。這些工程的抗震設(shè)計不能套用現(xiàn)行標(biāo)準，缺少明確具體的目標(biāo)、依據(jù)和手段[1]。同時目前的抗震設(shè)計還存在以下局限性[2]：抗震設(shè)計沒有明確的抗震性能；業(yè)主和使用者不能了解建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能是否完全滿足其要求；建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能沒有用來進行經(jīng)濟評估?；谛阅芑目拐鹪O(shè)計方法是解決上述問題的有效方法?；谛阅芑目拐鹪O(shè)計是20世紀90年代初由美國學(xué)者提出，它是使設(shè)計出的結(jié)構(gòu)在未來的地震災(zāi)害下能夠保證所要求的性能水平。從結(jié)構(gòu)安全角度，它從規(guī)范的宏觀定性的單一目標(biāo)向量化的多重目標(biāo)轉(zhuǎn)換；從整體和構(gòu)件兩個層次上量化來滿足性能要求，并采用復(fù)雜的非線性程序加以實現(xiàn)。基于性能化抗震設(shè)計國外、國內(nèi)的現(xiàn)狀如下：美國應(yīng)用技術(shù)委員會（ATCAppliedTechnologyCouncil）1996年發(fā)表的ATC-40、美國聯(lián)邦緊急事務(wù)管理署（FEMAFederalEmergencyManagement）發(fā)表的FEMA-350（2002）、美國加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會（SEAOC）的SEAOCVision2000、美國國際規(guī)范委員會（ICC，InternationalCodeCouncil）2003年發(fā)布的《建筑物及設(shè)施的性能規(guī)范》都提出和涉及到性能設(shè)計建議和設(shè)計的方法。日本建筑研究所（BRI）在設(shè)計和加固標(biāo)準中提出了一個性能標(biāo)準；歐洲混凝土協(xié)會（CEB）2003年出版了“鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)基于位移的抗震設(shè)計”報告；澳大利亞提出了相應(yīng)建筑規(guī)范BCA1996?；谛阅芑目拐鹪O(shè)計國內(nèi)還在發(fā)展中，沒有成文規(guī)定。我國自然科學(xué)基金“九五”項目中的重大項目《大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵科學(xué)問題及設(shè)計理論》已包含了“基于性能設(shè)計”的子課題。在工程應(yīng)用上，奧雅納工程咨詢公司（ARUP）在國內(nèi)大型項目中，如中央電視臺新臺址主樓（CCTV）、國家體育館、北京新機場、廣州新電視塔、廣州西塔等，綜合國際廣泛應(yīng)用的基于性能化的抗震設(shè)計方法的指導(dǎo)文件和國內(nèi)抗震規(guī)范，進行了基于性能化的抗震設(shè)計，推進了基于性能化的抗震設(shè)計在國內(nèi)工程中的應(yīng)用。二、基于性能化抗震設(shè)計的步驟基于性能設(shè)計的步驟主要由三部分組成：性能目標(biāo)的確定、根據(jù)性能目標(biāo)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、對結(jié)構(gòu)進行性能評估，其流程圖見圖1所示[2]。確定性能目標(biāo)確定性能目標(biāo)根據(jù)性能目標(biāo)進行設(shè)計滿足性能要求明確說明結(jié)構(gòu)的實際性能水平對結(jié)構(gòu)進行性能評估不滿足性能要求脈圖鬼1廁辭性能化設(shè)劃計步驟流百程圖性能目標(biāo)的確定是根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的重要性、復(fù)雜性、功能、投資經(jīng)濟效益等要求由業(yè)主、設(shè)計者討論并提出經(jīng)專家組會議討論、修改、確認。性能目標(biāo)首先要滿足多遇地震和罕遇地震下的國內(nèi)規(guī)范的要求，同時根據(jù)不同要求提出其他性能目標(biāo)，如設(shè)防烈度下的性能指標(biāo)，罕遇地震下關(guān)鍵構(gòu)件的性能目標(biāo)等。食根據(jù)性能渾目標(biāo)進行禿結(jié)構(gòu)設(shè)計偵時，其關(guān)護鍵問題和搞難點是對狠結(jié)構(gòu)進行而基于幾何到非線性、脈材料非線勺性的分析狀。由于建院筑結(jié)構(gòu)設(shè)獄計的歷史楚，現(xiàn)有的虜建筑結(jié)構(gòu)造專業(yè)軟件世很難實現(xiàn)跳上述分析邀的要求，缸必須引入糖航空、航般天及機械轎類廣泛應(yīng)鄭用的大型戶通用商業(yè)暫軟件央。雙ARU鍬P叼采用大型割通用軟僵件朗LS-D賤YNA黨[3]廁并結(jié)合土每木工程的燙特點，編塘制了適合楊土木工程景的材料模駕塊，實現(xiàn)間了上述工脅程的非線跡性分析。什對結(jié)構(gòu)性拴能的評估疲，特別是小罕遇地震助下的評估優(yōu)《建筑抗師震設(shè)計規(guī)膜范》汁（察GB50溝011-龍200層1如）是通過丑最大彈塑抹性層間位立移角來判陷斷，但限斜制結(jié)構(gòu)的秩最大彈塑送性層間位餡移角還不厚足以保證煮達到防倒系塌的抗震口設(shè)計目的騎。結(jié)構(gòu)構(gòu)腫件的破壞益(匪以結(jié)構(gòu)構(gòu)器件的彈塑捕性變形來標(biāo)衡量仗)喪也必須被撲限制在可拉接受的規(guī)累定限值以府內(nèi)，以保祥證結(jié)構(gòu)構(gòu)荒件仍有能域力承受地癥震結(jié)束后濁作用在結(jié)蜓構(gòu)上的重皂力荷載。臉因此需引槳入構(gòu)件變跨形和結(jié)構(gòu)亂總體變形然的雙控制溪。在構(gòu)件肆變形的限貢制值件上彼FEMA獨35德6笨和效ATC4饞0顧給出了詳特細的指標(biāo)粒。并按照顯四個等級禾進行評判述：不屈服太(溫Elas瘦tic)埋、立即入僚住逝(撿IO,普Imme培diat民eOc嘴cupa章ncy)鞭、生命安粉全速(糖LS,私Life純Saf某ety)涌、防止倒晴塌糾（旨C干P煤，座Coll薯apse吳Pre冶vent知ion情）。竹結(jié)構(gòu)抗震辟性能最終甘可根據(jù)詳尤細的非線繁性有限元停分析分析睬結(jié)果和上缸述的指標(biāo)鐵對比進行兵評判：建穩(wěn)筑結(jié)構(gòu)是忘否達到性頸能目標(biāo)的本要求。鉗三、復(fù)雜得工程基于熊性能化的愧抗震設(shè)計蘿下面通過馬列厭舉岔ARU綢P哨在國內(nèi)兩園個大型、袋復(fù)雜工程面來闡述以止抗震性能辛為基準的金設(shè)計思想裂和以位移劃為基準的川抗震設(shè)計乞方法。招中央電視栽臺新臺址蛇主樓謠（梁CCT撓V塌）藥[4]嘴中央電視鬼臺（戴CCTV聾）主樓的抄最高點為勿234煎米，建筑悠面積約蝶40肚萬平方米園，當(dāng)中包遙括地下室賞及裙樓。腿主樓包括虧兩座斜塔往，連接兩這座斜塔頂滔部的奏14膠層高的懸放臂結(jié)構(gòu)，親以及貢9阿層裙樓與攪三層地下陣室。按照睡國內(nèi)規(guī)范何，本塔樓另屬于乙級耽建筑。史由水平梁古、失SR瓣C蘋柱及斜支高撐組成的祝三角表面甜形成斜塔坦、懸臂與龍裙樓的鋼燃結(jié)構(gòu)外筒禽體，該結(jié)帖構(gòu)系統(tǒng)是垂主要的抗倍側(cè)力體系戶，保證塔勢樓的整體傍穩(wěn)定性。丹其中部份搖鋼結(jié)構(gòu)外垮筒體表面映延續(xù)至筒多體內(nèi)部，雄以加強大橋樓角部及泉保持鋼結(jié)督構(gòu)外筒體時作用的連腫續(xù)性。外察筒體結(jié)構(gòu)騾伸至塔樓坐懸臂（轉(zhuǎn)價換桁架）夫及裙樓部補份將承擔(dān)壇懸臂和裙等樓的重力垮，形成豎層向傳力途綢徑。趣圖叛2猛磨傳力體系馬由于該結(jié)壇構(gòu)屬于特掩別不規(guī)則卡結(jié)構(gòu)（超來限結(jié)構(gòu)，飾需進行抗押震專項審喬查），特思別苗是置Z緣型上部的蠅懸臂與塔姐樓連接區(qū)浙域在地震毯作用下的退性能如何賀是決定該昂結(jié)構(gòu)安全糊與否的關(guān)疫鍵，因此群設(shè)防烈度危下只允許豐支撐和梁睬進入塑性美，但塑性地變形控制要在忽“穴生命安雀全栗”爺范圍以內(nèi)更，同時轉(zhuǎn)檢換層、柱陵不屈服；健罕遇地震雹下，控制汪塑性變形杰，并且保害證轉(zhuǎn)換層僚不屈服。辱其性能目敢標(biāo)如下對表咽1銅，節(jié)點在絲滿足性能書目標(biāo)同時脈，還保美證孟“耐強節(jié)點弱享構(gòu)絮件笨”辭的抗震阿要求。辯結(jié)構(gòu)的非菜線性分析油采用軟教件株LS-D印YN鐵A湯，進行了警彈塑性推蚊覆分析、幼彈塑性動誕力時程分銜析，并以跨彈塑性動聲力時程分積析為主。過分析中的溫關(guān)鍵問題咱是確添定嫌SR簽C稿（鋼－混述凝土組合喇）柱的恢弟復(fù)力模型減和變形限至制值、支束撐的恢復(fù)航力模型。委圖唱3押顯示的紙是坐SR開C筐柱和支撐拐的恢復(fù)力豬模型。零這里沒有謎列舉小震狹下的結(jié)果治，小震分頌析表明該滲結(jié)構(gòu)體系暑，以及構(gòu)梁件尺寸、棵強度設(shè)計時可滿足小鹿震作用下經(jīng)不出現(xiàn)結(jié)勿構(gòu)性破壞菌的要求。福表局1寇守性能目標(biāo)除地震烈度近多遇愈設(shè)防烈度甩罕遇蒼抗震性能罷沒有破壞半有破壞娘，紛但可修補蕩不可倒塌營允許層間品位移聯(lián)h/30民0徹h/10忙0巡h/50吊層間延性橡<1鴨(脊彈眨性帶)旅<2束<4棉梁性能斧彈性囑允許進入還塑性，控酒制塑性變停形值裝允許進入絕塑性，控鴨制塑性變碎形值電支撐性能窩彈性岔允許進入除塑性，控溉制塑性變撲形值償允許進入域塑性，控括制塑性變著形值汽柱性能歉彈性綢不屈服章允許進入遮塑性，控碗制塑性變鏟形值解轉(zhuǎn)換層尤彈性睡不屈服橡不屈服奉節(jié)點呀彈性蓬不屈服括不屈服鍵圖掌3虎構(gòu)件的恢行復(fù)力模型酸圖赤4梁是中震下艷的鋼斜撐秘、鋼梁、蔽鋼柱的塑球性變形圖郵，瓣SR地C太柱沒有屈線服或屈曲濕（旨圖速4短中沒有顯析示）。嘩圖現(xiàn)4惰說明中震圓作用下結(jié)百構(gòu)所受破援壞很輕微覽。只有少仆數(shù)幾個斜斯撐、少數(shù)抽幾個鋼梁怨和少數(shù)幾鐘個鋼柱進曾入彈塑性射階段工作穩(wěn)狀態(tài)。所業(yè)有換SR渣C顛柱保持彈扣性。因此講，中震作糧用下結(jié)構(gòu)修性破壞可聰認為是很信輕微并受跑到控制。射可以認為屠中震作用稀下的抗震濱性能目標(biāo)傭得到了滿咸足。野圖杠5效是大震下怖的彈塑性偵層間位移寇角，軋表久2罩是構(gòu)件的址彈塑性變嬌形結(jié)果。得可以看出趴在大震作件用下結(jié)構(gòu)淺整體抗震溫性能和構(gòu)連件抗震性游能都是滿修意的。非煌線性靜力料推覆分析清結(jié)果和非寬線性動力念時程分析驢結(jié)果都顯擺示，在大怕震作用下閉，結(jié)構(gòu)仍尼具有顯著韻強度與變襪形能力儲緣備。結(jié)構(gòu)汽在大震作插用下的抗亞震性能要蜜優(yōu)撤于夜“箱大震不猜倒堅”就的抗震性欲能目標(biāo)?；D其3島粗塑性區(qū)分寬布港圖貫4患好最大塑性減層間位移撈角杠表雨2產(chǎn)壁塑性變形何匯總護構(gòu)件辱變形參數(shù)乎5秧0重年超越概概率無2%劃10屈0討年超越概鞋率墾3%滿防倒塌可駁接受限值買斜撐乒最大壓縮撞應(yīng)變聰0.00鍬6腸5倘0.00登75棵0.00乞91妙斜撐嘴最大拉伸抖應(yīng)變暗0.00萌4鹽9頓0.00提69飼0.01壽44理SRC取柱恭最大壓縮袖應(yīng)變諷0.00穴3污5策0.00朋34錢0.02掌SRC括柱蹲最大拉伸陜應(yīng)變最0.00賺1然8拍0.00幣22轎0.00撇8喚鋼柱殲最大壓縮惡應(yīng)變角0.00綁43聞0.00疲36平0.00鵲91槍鋼柱膏最大拉伸闊應(yīng)變栽0.00榜18棄0.00閣26兄0.00挨8奧鋼梁咸最大塑性逮轉(zhuǎn)角鄭0.0鏈18畫0.04噴0.04狡邊廣州新電遷視塔耳[5]慈電視塔結(jié)暴構(gòu)包括一盤個鋼結(jié)構(gòu)沃外筒，一塔個橢圓形鎮(zhèn)混凝土核陵心筒，連徹接這兩者催的組合結(jié)逃構(gòu)樓面和志塔體頂部休的鋼結(jié)構(gòu)瞧桅桿天線水。電視塔姓塔體結(jié)構(gòu)漸高度為源45品4宴米，桅桿讓天線的高包度尸為繭15補6艷米，總高證度為顏610洋米。偵組合樓面肚沿整個塔母體高度按倆功能層分埋組，共有畝約前3山7槐個樓層。登在這些功谷能層之間俱的乞關(guān)鋼結(jié)構(gòu)外尋筒和核心趟筒，除在尊標(biāo)生高濟+194蘆.0恰0般米皆，槍+240遣.8凝0色米釣和著+287梅.6叛0兵米處設(shè)置困了水平連親接外，其毫余范圍內(nèi)羨無連接。衰鋼結(jié)構(gòu)外驚筒是從上濃下兩個橢該圓平面衍公生出來的景不規(guī)則網(wǎng)屋狀結(jié)構(gòu)，脆橢圓橫截里面沿整個激建筑高度俯是連續(xù)變診化，并且毫橢圓橫截孝面中心沿站豎向不在村同一條直畢線上。煌鋼結(jié)構(gòu)外愉筒是結(jié)構(gòu)館主要的抗港側(cè)力構(gòu)件桑，包括三糠種類型的翁構(gòu)件：立怨柱，環(huán)和墾斜撐，如高圖橫6擴所示：圖6圖6鋼結(jié)構(gòu)外筒示意圖鋼結(jié)構(gòu)外筒=立柱+環(huán)+斜撐愛核心筒內(nèi)猾部設(shè)置了漿觀光電梯舟、消防疏例散樓梯和熄機電豎向類管井，核糠心筒橢圓根平面尺寸箏為勻1做7燥m琴×羽14m捐（橢圓外燭墻的內(nèi)壁外尺寸）。零該筒不同廉于一般鋼耀筋混凝土盲框－筒、吧筒中筒結(jié)陽構(gòu)，不是投主要的抗舍側(cè)力構(gòu)件淚。登桅桿天線吐高度衛(wèi)達航15狂6病米，位于情塔體頂部妻標(biāo)書高局+4五54.0搭米轉(zhuǎn)換桁攤架上，在覺下部采用開格構(gòu)式鋼晶結(jié)構(gòu)制作鴨，在上部苦采用全鋼男板焊接而溉成。由于央桅桿剛度棒遠小于塔珠體剛度，滔地震作用宮下鞭梢效澇應(yīng)較明顯啊。復(fù)雖然該塔本是尺“聽高聳結(jié)張構(gòu)煩”跡，由于該館塔功能層為較多，不改同于一般武的電視塔燭；因此即怖不能完全司套用塔桅俊相應(yīng)規(guī)范繪，也不能法完全套用鵲建筑結(jié)構(gòu)案規(guī)范，需玩進行專項潑研究想。降A(chǔ)RU腿P撞根據(jù)自己糟的國外工湯程案例經(jīng)賓驗并進行尿大量的文堂獻跟蹤，盲對該塔設(shè)蓮計采用了嚼性能設(shè)計爭的方法，愁從工程原意理出發(fā)解艇決問題。芳對于該塔肚分項設(shè)計折的性能化童抗震設(shè)計持，其位移透角在多遇因地震下的吹控制根據(jù)和建筑、機手電、消防凍等功能和來電釣視發(fā)射工銅藝要求確遮定；在設(shè)該防烈度和矮罕遇地震蔑下，業(yè)主彼對電視發(fā)熟射工藝及蜂使用功能蝦沒有特別捉要求，因感此該塔設(shè)妻防烈度下傘按冤“革有破壞，珠但可修叉補帶”朋；罕遇地清震下僚按幼“悲塔體不倒只塌、天線收不折坡斷時”飾為準則制揪定性能目降標(biāo)。詳細絕性能目標(biāo)六見乞表豎3侍。派表竄3毀粘性能目標(biāo)辨地震烈度混多遇搭設(shè)防烈度目罕遇彩抗震目標(biāo)卵沒有破壞跌有破壞，社但可修補領(lǐng)不可倒塌犯梁性能妹彈性誼允許進入殘塑性，控摔制塑性變鄉(xiāng)形值透允許進入鄰塑性，控著制塑性變炸形值蒙支撐性能脈彈性折允許進入剖塑性，控張制塑性變孤形值存允許進入舌塑性，控鬼制塑性變蝶形值踐柱性能衣彈性滿彈性葬允許進入害塑性，控胃制塑性變乏形值仔核心筒蹲彈性敵彈性遍允許進入幼塑性，控座制塑性變姻形值擺內(nèi)外筒的陜橫向連接柔彈性創(chuàng)彈性巧允許進入敲塑性，控另制塑性變腎形值姥多遇地震汽作用下（濤含線彈性欲分析其他厭工況）超想擴頂部位移擋角控制在顛1/總25榨0魄~讀 此1/30援0玻觸鋤桅桿位移玻角控制在辦≤涌1/10混0跳在微波天檔線位置的狐旋轉(zhuǎn)控制塊在逼≤悔0.4廈度甘層間位移嗎角控制在穴1/字25底0旬~倉 湊1/30羽0遵罕遇地震枝作用下段桅桿位移植角控制裙在西拌≤胞1/聚5蕩0神塔體層間痕位移角控格制在映≤拍1/重5訪0意滿足強節(jié)降點弱構(gòu)件扇抗震要求偏圖典7錄倉鋼管混凝仗土柱塑性挨較、軸向正受壓骨架個曲線禽圖潑8娃餃塑性變形不與變形限寇值比頃表維4握備位移和底伯部剪力紅塔頂析X蠶向最大相劈對位移異桅桿厘頂厲X息方向最大燃相對位移足塔頂撿Y昆向最大相霧對位移篩桅桿秧頂點Y怠方向最大輔相對位移漂X象向最大基畝底剪力威Y垂向最大基諒底剪力文2.74布m暗9.6哭m沸2.87啄m盆10.5捆m啟257劈MN超304匠MN伏塔頂禁X鼻向最大相貍對位移角勺桅桿劈頂疲X做方向最大糠相對位移屆角五塔頂席Y屬向最大相鈔對位移角踩桅桿副頂股Y宵方向最大躍相對位移防X遲向剪重比臣Y暗向剪重比王1/16貌4陽1/64棚1/15謎6識1/58罷13.1嫂%素15.5飄%掠塔體最大憤彈塑性層殖間位移角附1式/飄58釋抗震設(shè)計姑中的結(jié)構(gòu)劇非線性分牧析也采用昆大型通用滑軟件軟副件據(jù)LS-D恰YN劣A栽，進行了烘彈塑性動冊力時程分近析。驗分析中需遇要解決的限關(guān)鍵問題遙是確定鋼用管混凝土下柱的恢復(fù)睜力模型和張變形限制莫值。影圖芹7敗顯示的是王鋼管混凝鍛土柱恢復(fù)科力模型的廟骨架曲線勢。寺這里沒有廢一一列舉宿小震、中輕震下的結(jié)搭果。小震妹分析表明失該結(jié)構(gòu)體猛系，以及四構(gòu)件尺寸味、強度設(shè)貪計可滿足購小震作用差下不出現(xiàn)盒結(jié)構(gòu)性破呼壞；中震費分析表明經(jīng)所有結(jié)構(gòu)修構(gòu)件保持詠彈性，很毒顯然中震換下結(jié)構(gòu)的恢抗震性能邀優(yōu)于性能售目標(biāo)。駛表俊4大、豎圖矩8耀分別是罕中遇地震下舅整體變形足、構(gòu)件塑躲性變形與夢變形限值益關(guān)系圖，桑可以看出牛結(jié)構(gòu)不僅龜滿足性能喊指標(biāo)，而拴且優(yōu)于性劃能指標(biāo)，樓尤其是塔壟體結(jié)構(gòu)和亭對應(yīng)構(gòu)件紗。哪圖階9家～商圖職1貼3蕩是構(gòu)件塑絞性分布圖寫，可以看補出內(nèi)筒混餓凝土開裂尸主要在細愿腰部；斜余撐屈服或衫屈曲在細蓮腰部以下毅；天線底技部部分桿牙件進入塑霸性，這些喉結(jié)果與振嶺動臺試驗榴結(jié)果基本軟吻合歌[6]址。閑圖贊9博備鋼管混凝媽土柱餅圖始10忌跪斜撐塑性借變形區(qū)域飼圖口圖免11顫目