基于性能化的抗震设计在复杂超限结构工程的应用

基于性能化的抗震设计在复杂、超限结构工程的应用择要：本文通过中央电视台新台址主楼和广州新电视塔两个复杂、超限结构工程的应用事例阐述了基于性能化的抗震设计方法和步骤。关键词：性能目标、性能化抗震设计、非线性分析一、前言我国目前抗震规范《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）采用的抗震设防思想是：“三水准的设防目标”和实现这个目标而采取的“两阶段设计步骤”，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”；第一阶段设计，对结构进行多遇地震下的结构、构件承载力验算和结构弹性变形验算。第二阶段设计，对一些规范规定的结构进行罕遇地震下的弹塑性变形验算。对于复杂和“超限”高层建筑结构，这些工程都属于不规则结构，甚至是特别不规则结构。高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）中虽然已就某些复杂高层建筑混凝土结构采用常规抗震设计方法提出了设计规定，但实际工程中经常遇到超过规程适用范围或者规程中未规定的问题，此外，对于高层钢结构和混和结构的复杂结构体系目前还没有相应的设计规定。这些工程的抗震设计不能套用现行标准，缺少明确具体的目标、依据和手段[1]。同时目前的抗震设计还存在以下局限性[2]：抗震设计没有明确的抗震性能；业主和使用者不能了解建筑结构的抗震性能是否完全满足其要求；建筑结构的抗震性能没有用来进行经济评估。基于性能化的抗震设计方法是解决上述问题的有效方法。基于性能化的抗震设计是20世纪90年代初由美国学者提出，它是使设计出的结构在未来的地震灾害下能够保证所要求的性能水平。从结构安全角度，它从规范的宏观定性的单一目标向量化的多重目标转换；从整体和构件两个层次上量化来满足性能要求，并采用复杂的非线性程序加以实现。基于性能化抗震设计国外、国内的现状如下：美国应用技术委员会（ATCAppliedTechnologyCouncil）1996年发表的ATC-40、美国联邦紧急事务管理署（FEMAFederalEmergencyManagement）发表的FEMA-350（2002）、美国加州结构工程师协会（SEAOC）的SEAOCVision2000、美国国际规范委员会（ICC，InternationalCodeCouncil）2003年发布的《建筑物及设施的性能规范》都提出和涉及到性能设计建议和设计的方法。日本建筑研究所（BRI）在设计和加固标准中提出了一个性能标准；欧洲混凝土协会（CEB）2003年出版了“钢筋混凝土建筑结构基于位移的抗震设计”报告；澳大利亚提出了相应建筑规范BCA1996。基于性能化的抗震设计国内还在发展中，没有成文规定。我国自然科学基金“九五”项目中的重大项目《大型复杂结构的关键科学问题及设计理论》已包含了“基于性能设计”的子课题。在工程应用上，奥雅纳工程咨询公司（ARUP）在国内大型项目中，如中央电视台新台址主楼（CCTV）、国家体育馆、北京新机场、广州新电视塔、广州西塔等，综合国际广泛应用的基于性能化的抗震设计方法的指导文件和国内抗震规范，进行了基于性能化的抗震设计，推进了基于性能化的抗震设计在国内工程中的应用。二、基于性能化抗震设计的步骤基于性能设计的步骤主要由三部分组成：性能目标的确定、根据性能目标进行结构设计、对结构进行性能评估，其流程图见图1所示[2]。确定性能目标确定性能目标根据性能目标进行设计满足性能要求明确说明结构的实际性能水平对结构进行性能评估不满足性能要求脉图鬼1厕辞性能化设划计步骤流百程图性能目标的确定是根据建筑结构的重要性、复杂性、功能、投资经济效益等要求由业主、设计者讨论并提出经专家组会议讨论、修改、确认。性能目标首先要满足多遇地震和罕遇地震下的国内规范的要求，同时根据不同要求提出其他性能目标，如设防烈度下的性能指标，罕遇地震下关键构件的性能目标等。食根据性能浑目标进行秃结构设计侦时，其关护键问题和搞难点是对狠结构进行而基于几何到非线性、脉材料非线勺性的分析状。由于建院筑结构设狱计的历史楚，现有的虏建筑结构造专业软件世很难实现跳上述分析邀的要求，缸必须引入糖航空、航般天及机械轿类广泛应郑用的大型户通用商业暂软件央。双ARU锹P叼采用大型割通用软僵件朗LS-D贱YNA党[3]厕并结合土每木工程的烫特点，编塘制了适合杨土木工程景的材料模驾块，实现间了上述工胁程的非线迹性分析。什对结构性拴能的评估疲，特别是小罕遇地震助下的评估优《建筑抗师震设计规膜范》汁（察GB50沟011-龙200层1如）是通过丑最大弹塑抹性层间位立移角来判陷断，但限斜制结构的秩最大弹塑送性层间位馅移角还不厚足以保证煮达到防倒系塌的抗震口设计目的骑。结构构肿件的破坏益(匪以结构构器件的弹塑捕性变形来标衡量仗)丧也必须被扑限制在可拉接受的规累定限值以府内，以保祥证结构构荒件仍有能域力承受地症震结束后浊作用在结蜓构上的重皂力荷载。脸因此需引桨入构件变跨形和结构乱总体变形然的双控制溪。在构件肆变形的限贡制值件上彼FEMA独35德6笨和效ATC4馋0顾给出了详特细的指标粒。并按照显四个等级禾进行评判述：不屈服太(温Elas瘦tic)埋、立即入僚住逝(捡IO,普Imme培diat民eOc嘴cupa章ncy)鞭、生命安粉全速(糖LS,私Life纯Saf某ety)涌、防止倒晴塌纠（旨C干P煤，座Coll薯apse吴Pre冶vent知ion情）。竹结构抗震辟性能最终甘可根据详尤细的非线繁性有限元停分析分析睬结果和上缸述的指标铁对比进行兵评判：建稳筑结构是忘否达到性颈能目标的本要求。钳三、复杂得工程基于熊性能化的愧抗震设计萝下面通过马列厌举岔ARU绸P哨在国内两园个大型、袋复杂工程面来阐述以止抗震性能辛为基准的金设计思想裂和以位移划为基准的川抗震设计乞方法。招中央电视栽台新台址蛇主楼谣（梁CCT挠V塌）药[4]嘴中央电视鬼台（戴CCTV聋）主楼的抄最高点为勿234煎米，建筑悠面积约蝶40肚万平方米园，当中包遥括地下室赏及裙楼。腿主楼包括亏两座斜塔往，连接两这座斜塔顶滔部的奏14胶层高的悬放臂结构，亲以及贡9阿层裙楼与搅三层地下阵室。按照睡国内规范何，本塔楼另属于乙级耽建筑。史由水平梁古、失SR瓣C苹柱及斜支高撑组成的祝三角表面甜形成斜塔坦、悬臂与龙裙楼的钢燃结构外筒禽体，该结帖构系统是垂主要的抗倍侧力体系户，保证塔势楼的整体傍稳定性。丹其中部份摇钢结构外垮筒体表面映延续至筒多体内部，雄以加强大桥楼角部及泉保持钢结督构外筒体时作用的连肿续性。外察筒体结构骡伸至塔楼坐悬臂（转价换桁架）夫及裙楼部补份将承担坛悬臂和裙等楼的重力垮，形成竖层向传力途绸径。趣图叛2猛磨传力体系马由于该结坛构属于特掩别不规则卡结构（超来限结构，饰需进行抗押震专项审乔查），特思别苗是置Z缘型上部的蝇悬臂与塔姐楼连接区浙域在地震毯作用下的退性能如何贺是决定该昂结构安全糊与否的关疫键，因此群设防烈度危下只允许丰支撑和梁睬进入塑性美，但塑性地变形控制要在忽“穴生命安雀全栗”爷范围以内更，同时转检换层、柱陵不屈服；健罕遇地震雹下，控制汪塑性变形杰，并且保害证转换层僚不屈服。辱其性能目敢标如下对表咽1铜，节点在丝满足性能书目标同时脉，还保美证孟“耐强节点弱享构絮件笨”辞的抗震阿要求。辩结构的非菜线性分析油采用软教件株LS-D印YN铁A汤，进行了警弹塑性推蚊覆分析、幼弹塑性动诞力时程分衔析，并以跨弹塑性动声力时程分积析为主。过分析中的温关键问题咱是确添定嫌SR签C稿（钢－混述凝土组合喇）柱的恢弟复力模型减和变形限至制值、支束撑的恢复航力模型。委图唱3押显示的纸是坐SR开C筐柱和支撑拐的恢复力猪模型。零这里没有谜列举小震狭下的结果治，小震分颂析表明该渗结构体系暑，以及构梁件尺寸、棵强度设计时可满足小鹿震作用下经不出现结勿构性破坏菌的要求。福表局1寇守性能目标除地震烈度近多遇愈设防烈度甩罕遇苍抗震性能罢没有破坏半有破坏娘，纷但可修补荡不可倒塌营允许层间品位移联h/30民0彻h/10忙0巡h/50吊层间延性橡<1鸭(脊弹眨性带)旅<2束<4棉梁性能斧弹性嘱允许进入还塑性，控酒制塑性变停形值装允许进入绝塑性，控鸭制塑性变碎形值电支撑性能窝弹性岔允许进入除塑性，控溉制塑性变扑形值偿允许进入域塑性，控括制塑性变著形值汽柱性能歉弹性绸不屈服章允许进入遮塑性，控碗制塑性变铲形值解转换层尤弹性睡不屈服橡不屈服奉节点呀弹性蓬不屈服括不屈服键图掌3虎构件的恢行复力模型酸图赤4梁是中震下艳的钢斜撑秘、钢梁、蔽钢柱的塑球性变形图邮，瓣SR地C太柱没有屈线服或屈曲湿（旨图速4短中没有显析示）。哗图现4惰说明中震圆作用下结百构所受破援坏很轻微览。只有少仆数几个斜斯撑、少数抽几个钢梁怨和少数几钟个钢柱进曾入弹塑性射阶段工作稳状态。所业有换SR渣C颠柱保持弹扣性。因此讲，中震作粮用下结构修性破坏可聪认为是很信轻微并受跑到控制。射可以认为屠中震作用稀下的抗震滨性能目标佣得到了满咸足。野图杠5效是大震下怖的弹塑性侦层间位移寇角，轧表久2罩是构件的址弹塑性变娇形结果。得可以看出趴在大震作件用下结构浅整体抗震温性能和构连件抗震性游能都是满修意的。非煌线性静力料推覆分析清结果和非宽线性动力念时程分析驴结果都显摆示，在大怕震作用下闭，结构仍尼具有显著韵强度与变袜形能力储缘备。结构汽在大震作插用下的抗亚震性能要蜜优撤于夜“箱大震不猜倒坚”就的抗震性欲能目标。虎图其3岛粗塑性区分宽布港图贯4患好最大塑性减层间位移捞角杠表雨2产壁塑性变形何汇总护构件辱变形参数乎5秧0重年超越概概率无2%划10屈0讨年超越概鞋率垦3%满防倒塌可驳接受限值买斜撑乒最大压缩撞应变聪0.00锹6肠5倘0.00登75棵0.00乞91妙斜撑嘴最大拉伸抖应变暗0.00萌4盐9顿0.00提69饲0.01寿44理SRC取柱恭最大压缩袖应变讽0.00穴3污5策0.00朋34钱0.02掌SRC括柱蹲最大拉伸陕应变最0.00赚1然8拍0.00币22轿0.00撇8唤钢柱歼最大压缩恶应变角0.00绑43闻0.00疲36平0.00鹊91枪钢柱膏最大拉伸阔应变栽0.00榜18弃0.00阁26兄0.00挨8奥钢梁咸最大塑性逮转角郑0.0链18画0.04喷0.04狡边广州新电迁视塔耳[5]慈电视塔结暴构包括一盘个钢结构沃外筒，一塔个椭圆形镇混凝土核陵心筒，连彻接这两者催的组合结逃构楼面和志塔体顶部休的钢结构瞧桅杆天线水。电视塔姓塔体结构渐高度为源45品4宴米，桅杆让天线的高包度尸为茧15补6艳米，总高证度为颜610洋米。侦组合楼面肚沿整个塔母体高度按俩功能层分埋组，共有亩约前3山7槐个楼层。登在这些功谷能层之间俱的乞关钢结构外寻筒和核心趟筒，除在尊标生高济+194芦.0恰0般米皆，枪+240遣.8凝0色米钓和着+287梅.6叛0兵米处设置困了水平连亲接外，其毫余范围内羡无连接。衰钢结构外惊筒是从上浓下两个椭该圆平面衍公生出来的景不规则网屋状结构，脆椭圆横截里面沿整个激建筑高度俯是连续变诊化，并且毫椭圆横截孝面中心沿站竖向不在村同一条直毕线上。煌钢结构外愉筒是结构馆主要的抗港侧力构件桑，包括三糠种类型的翁构件：立怨柱，环和垦斜撑，如高图横6扩所示：图6图6钢结构外筒示意图钢结构外筒=立柱+环+斜撑爱核心筒内猾部设置了浆观光电梯舟、消防疏例散楼梯和熄机电竖向类管井，核糠心筒椭圆根平面尺寸筝为匀1做7燥m琴×羽14m捐（椭圆外烛墙的内壁外尺寸）。零该筒不同廉于一般钢耀筋混凝土盲框－筒、吧筒中筒结阳构，不是投主要的抗舍侧力构件泪。登桅杆天线吐高度卫达航15狂6病米，位于情塔体顶部妻标书高局+4五54.0搭米转换桁摊架上，在觉下部采用开格构式钢晶结构制作鸭，在上部苦采用全钢男板焊接而溉成。由于央桅杆刚度棒远小于塔珠体刚度，滔地震作用宫下鞭梢效涝应较明显啊。复虽然该塔本是尺“听高耸结张构烦”迹，由于该馆塔功能层为较多，不改同于一般武的电视塔烛；因此即怖不能完全司套用塔桅俊相应规范绘，也不能法完全套用鹊建筑结构案规范，需玩进行专项泼研究想。降ARU腿P撞根据自己糟的国外工汤程案例经宾验并进行尿大量的文堂献跟踪，盲对该塔设莲计采用了嚼性能设计争的方法，愁从工程原意理出发解艇决问题。芳对于该塔肚分项设计折的性能化童抗震设计持，其位移透角在多遇因地震下的吹控制根据和建筑、机手电、消防冻等功能和来电钓视发射工铜艺要求确遮定；在设该防烈度和矮罕遇地震蔑下，业主彼对电视发熟射工艺及蜂使用功能虾没有特别捉要求，因感此该塔设妻防烈度下伞按冤“革有破坏，珠但可修叉补带”朋；罕遇地清震下僚按幼“悲塔体不倒只塌、天线收不折坡断时”饰为准则制揪定性能目降标。详细绝性能目标六见乞表竖3侍。派表窜3毁粘性能目标辨地震烈度混多遇搭设防烈度目罕遇彩抗震目标卵没有破坏跌有破坏，社但可修补领不可倒塌犯梁性能妹弹性谊允许进入残塑性，控摔制塑性变乡形值透允许进入邻塑性，控着制塑性变炸形值蒙支撑性能脉弹性折允许进入剖塑性，控张制塑性变孤形值存允许进入舌塑性，控鬼制塑性变蝶形值践柱性能衣弹性满弹性葬允许进入害塑性，控胃制塑性变乏形值仔核心筒蹲弹性敌弹性遍允许进入幼塑性，控座制塑性变姻形值摆内外筒的陕横向连接柔弹性创弹性巧允许进入敲塑性，控另制塑性变肾形值姥多遇地震汽作用下（涛含线弹性欲分析其他厌工况）超想扩顶部位移挡角控制在颠1/总25榨0魄~读 此1/30援0玻触锄桅杆位移玻角控制在办≤涌1/10混0跳在微波天档线位置的狐旋转控制块在逼≤悔0.4厦度甘层间位移吗角控制在穴1/字25底0旬~仓 凑1/30羽0遵罕遇地震枝作用下段桅杆位移植角控制裙在西拌≤胞1/聚5荡0神塔体层间痕位移角控格制在映≤拍1/重5访0意满足强节降点弱构件扇抗震要求偏图典7录仓钢管混凝仗土柱塑性挨较、轴向正受压骨架个曲线禽图泼8娃饺塑性变形不与变形限寇值比顷表维4握备位移和底伯部剪力红塔顶析X蚕向最大相劈对位移异桅杆厘顶厉X息方向最大燃相对位移足塔顶捡Y昆向最大相雾对位移筛桅杆秧顶点Y怠方向最大辅相对位移漂X象向最大基亩底剪力威Y垂向最大基谅底剪力文2.74布m暗9.6哭m沸2.87啄m盆10.5捆m启257劈MN超304匠MN伏塔顶禁X鼻向最大相狸对位移角勺桅杆劈顶疲X做方向最大糠相对位移届角五塔顶席Y属向最大相钞对位移角踩桅杆副顶股Y宵方向最大跃相对位移防X迟向剪重比臣Y暗向剪重比王1/16貌4阳1/64棚1/15谜6识1/58罢13.1嫂%素15.5飘%掠塔体最大愤弹塑性层殖间位移角附1式/飘58释抗震设计姑中的结构剧非线性分牧析也采用昆大型通用滑软件软副件据LS-D恰YN劣A栽，进行了烘弹塑性动册力时程分近析。验分析中需遇要解决的限关键问题遥是确定钢用管混凝土下柱的恢复睁力模型和张变形限制莫值。影图芹7败显示的是王钢管混凝锻土柱恢复科力模型的庙骨架曲线势。寺这里没有废一一列举宿小震、中轻震下的结搭果。小震妹分析表明失该结构体猛系，以及四构件尺寸味、强度设贪计可满足购小震作用差下不出现盒结构性破呼坏；中震费分析表明经所有结构修构件保持咏弹性，很毒显然中震换下结构的恢抗震性能邀优于性能售目标。驶表俊4大、竖图矩8耀分别是罕中遇地震下舅整体变形足、构件塑躲性变形与梦变形限值益关系图，桑可以看出牛结构不仅龟满足性能喊指标，而拴且优于性划能指标，楼尤其是塔垄体结构和亭对应构件纱。哪图阶9家～商图职1贴3荡是构件塑绞性分布图写，可以看补出内筒混饿凝土开裂尸主要在细愿腰部；斜余撑屈服或衫屈曲在细莲腰部以下毅；天线底技部部分杆牙件进入塑霸性，这些喉结果与振岭动台试验榴结果基本软吻合歌[6]址。闲图赞9博备钢管混凝妈土柱饼图始10忌跪斜撑塑性借变形区域饲图口图免11颤目