摘要：现行规范中引用多项计算指标用于描述高层结构的不规则程度，刚重比与周期比，相邻楼层刚度比等，分析其指标的实用性与存在的局限性，有时在计算其性能指标时会存在很多问题。在大震动力弹塑性分析时，本工程中结构连梁出现较大损坏。针对这种情况给出了一种新型连梁在结构中的应用，可作为工程中一种新的抗震加强措施。通过对此种连梁的分析可以得出，新型构造的连梁在小、中震设计时不仅能够满足承载力的要求，并且与普通连梁相比，相同应变情况下，普通连梁已经破坏，而新型连梁仍具有较高承载力，能将连梁由严重损伤降低为中度损伤。将其作为一种新的工程加强措施能够很好的改善结构的抗震性能，其他构件发生严重破坏时也可采用这种构造形式，为抗震加强措施提供了一种新思路。２０世纪９０年代美国工程界提出ＰＢＳＤ方法，在复杂超限高层结构抗震设计中逐步得到应用。针对复杂超限高层建筑结构的特点，提出抗震性能目标的选用原则，结合超限高层建筑抗震设计，介绍基于性能抗震设计方法的应用。
关键词：超限高层结构，抗震性能，性能设计，弹塑性分析
一、复杂超限高层计算中存在的问题
超限结构主要有平面不规则超限和高度超限。近年来这些超限结构如雨后春笋般越来越多。震害表明，以下一些建筑在地震时破坏最严重：侧向刚度突变的建筑，特别是底层特别小的上大下小的鸡腿式建筑，上刚下柔的底层为大开间商场的底商住宅，往往整体倒塌，下部墙柱缺失带转换构件的建筑，往往支撑转换结构的柱产生破坏；平面布局不规则造成偏心太大的，还有一些大悬挑结构等结构，一旦破坏就局部倒塌。上述一些类型的结构都在超限结构中经常遇到，地震时很容易发生破坏，规范采用“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设计方法。但是还是出现了不能满足业主要求的一些情况。现代建筑结构中不仅要保证生命安全，更加要注重财产安全，使其在地震发生时不仅不倒塌，还能保证有较好的使用功能。所以为保证其正常使用，对其抗震要求也进一步得到提高，需保证其在中震乃至大震下都不被破坏，因此抗震设计在考虑保障人生命安全的基础上，如何保障地震中财产的安全，满足不同功能需求，保证建筑物使用功能的延续是一个重要问题，针对这些超限结构，基于性能的抗震设计能够弥补抗震设计规范的局限性，运用这种基于性能的抗震设计能够在地震来临之时更加有效的保障人们的生命财产安全。并且由于每一栋超限结构的独特性，目前来说并没有统一的方法来对超限结构做一个准确的判断，只能通过超限分析来确定一栋建筑物的安全性，能够为类似的超限结构提供可靠的参考。下表1给出了常规设计方法与基于性能设计方法有以下区别这一比较说明，基于性能的抗震设计方法是一个重要发展方向，此种方法在超限结构中能够较好的应用，并且还能弥补规范中的一些不足之处，非常具有研究价值。
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二、基于性能的设计方法与常规法的差异
目前常规的抗震设计方法应用最为广法，局限性小，不同于基于性能的抗震设计方法，其针对高层及超限高层项目的应用较为成熟，其他差异性如表2.1所示。
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由此可见，基于性能要求的抗震设计方法具有很大的潜在价值和发展，其对超限高层的抗震设计提供了科学的依据，保证了结构的安全和稳定。其实际分析方法和理论依据，以及定量分析的要求还有待设计研究人员进一步分析。结构的抗震性能由多种因素共同影响，能够同时控制这些因素才能实现结构抗震性能目标。当控制参数不同时，对结构的承载力和变形的要求也不同，所以基于性能的抗震设计方法可以由很多不同的参数进行控制，并由此产生了许多不同的设计方法。目前基于性能的抗震设计方法主要由以下几种。
1基于承载力的设计方法基于承载力的设计方法就是按照规范所采用的方法，通过小震弹性分析确定内力，通过经验和概念在软件中设置调整参数和增大系数，验算结构承载力和位移能否满足规范要求。然后采取一定的构造措施和设置增大系数确保结构在中震和大震下的抗震性能。
2基于能量的设计方法
判断出结构所能消耗的能量，将地震对结构输入的能量控制在结构能消耗的范围内，这就是基于能量的设计方法。基于能量的方法是从结构整体耗能能力出发的，结构整体耗能能力差和关键构件承载力不足都能使结构在地震作用时发生严重破坏。关键构件的延性和承载力十分重要，要建立一个以能量为控制参数的表达式使其满足设计要求还十分困难，需要我们做更多工作
3基于损伤的设计方法
1985年Park和Ang提出各种损伤指数D的计算公式，并且用此来量化制定损伤性能目标。基于损伤的抗震设计方法有以下几个特点：（1）.考虑了结构在地震时程过程中，低周疲劳累积的滞回耗能，以及大震不倒以后结构的可修复性。（2）.提出损伤指数的概念，量化结构破坏损伤的控制指标，具有可操作性。
4基于位移的设计方法基于位移的设计方法分为三类：按延性系数设计的方法、直接基于位移的设计方法以及能力谱法，主要特点：（1）.按延性系数设计的方法按延性系数设计的方法就是将延性系数作为抗震设计的控制指标，将结构的延性需求转化为构件的变形需求。（2）.直接基于位移的设计方法直接基于位移的设计方法是根据抗震规范中给出的层间弹塑性变形角限值，确定结构的各层的目标位移，验算在地震作用下结构位移是否在限值内。（3）.能力谱法主要是通过将需求谱曲线和能力谱曲线在坐标轴中进行叠加，没有交点时表示结构无法满足抗震性能要求，反之则满足。
三、动力弹塑性分析法
地震运动具有很大的不确定性。在不同的地震作用下，结构所处的状态不同，一旦结构发生塑性变形，其原本的本构关系会引起内力重分布，而静力弹塑性法无法基于这种情况给出合理的结果，因此，依照实际情况，运用积分运算法来求解动力弹塑性分析的结果。
动力弹塑性分析方法所具备的优势十分明显，高效且准确，对后续的设计和优化具有科学的依据，但因为其计算过程的复杂，反复迭代运算，使计算工作量十分庞大，因而耗时长。同时，在选择地震波进行分析时，地震波的选择对计算结构的影响也十分明显，因此，对于高层或超限结构的设计，该方法被广泛应用。动力弹塑性时程分析的难度在于考虑因素多，以及原理复杂，例如以下三点：
（1）地震作用的不确定性
每一条地震都有其独特的性质，目前通过收集的方法也无法在其来临前对其作出准确的预测，因此，在结构设计分析时，只能通过波库已有的波型对结构进行分析，且选择需考究和证实。
（2）结构性能描述的复杂性
当结构处于弹性状态时，结构的本构关系是线性的，同时结构的反应与加载的次序是无关的，结构分析较为简单。而当结构处于弹塑性状态时，本构关系就不呈线性，同时还受加载次序影响。在一维的本构关系中，要同时表达出材料的初始状态，还要体现材料在反复荷载作用下滞回性能。
（3）计算过程的繁琐性
动力弹塑性时程分析同时涉及到几何非线性、材料非线性和动力问题，这使得解决问题变得相当困难。在计算时，在追求计算精度的同时，也要通过优化求解方程来达到优化计算效率的目标，这对于增加该方法的实用性具有重大意义。
分析的步骤可以分为六点：
（1）根据场地基本情况、设防烈度等，选至少3条具有代表性的地震波，其中有天然波数至少占总波数的2/3；（2）建立合适的分析模型；（3）根据不同的本构关系、受力状态、构件类型，选择合适的恢复力滞回曲线，求出相应的恢复力参数和折曲线的刚度参数；4）建立振动微分方程，确保结构变形协调特性；（5）通过积分迭代过程，得到结构在地震作用下的时程反应；（6）依照规范要求，验证结构是否达到在大震作用下的变形要求。由分析可知，动力弹塑性时程分析能够准确的反应结构在地震作用下随时间变化的响应，但由于它自身的复杂性，在实际工程中，只是在高层或者超限结构中以该方法为主。
四、基于性能的抗震性能目标
规范规定，对于超限高层建筑结构必须进行大震下的弹塑性分析，并理论计算符合要求后，经专家会审才能出稿。设计初期，对结构体系中各关键部位和薄弱部位需设立合适的抗震性能水准和目标。各地震性能水准下的结构抗震性能目标和水准图，如下图4所示
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针对本工程的特点，拟定各关键构件的抗震等级，以及构件在不同地震强度下的的抗震性能目标，根据项目的整体分析，结构体系选用钢筋混凝土剪力墙结构，地震作用和风荷载均以X、Y双向加载布置，计算选择模拟施工工况3。对楼板不采用刚性楼板假定，梁柱重叠部分也不简化为刚域，选择梁活荷载不利布置，考虑P-Δ效应及偶然偏心。
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在多遇地震作用下，首先采用弹性模拟分析，对高层及超限结构还应附加时程分析。根据规范要求，拟在时程分析时挑选3条合适的波，选用的地震波均来自PKPM软件自带的波库，其中两条为天然地震波；另一条为人工波。分别基于PKPM和ETABS做弹性时程分析的计算。
五、设防烈度地震下的计算分析计算参数
结构体系在设防烈度地震作用下，主要是对薄弱部位进行分析校核，其中需要对SATWE和ETABS软件中部分参数进行修改，以确保软件分析结果的准确性。如下表4所示。
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由上表计算结果可以得出以下结论：
（1）在中震作用下，PKPM和ETABS的计算结果均显示最大层间位移角约为1/3000，符合规范要求，说明结构未发生塑性变化；（2）采用中震弹性方法和中震不屈服方法对结构分别进行计算，同时对结构关键部位进行详细验算，结果表明：框架柱底部和剪力墙关键部位均未发生屈服，普通梁柱抗剪不屈服，同时满足压弯弹性要求，截面符合抗剪承载力的验算，结构属于轻度破坏；（3）用双向地震分别进行计算时，得出结构薄弱区相近，说明结构布置良好，偏心作用较小；（4）分别用PKPM和ETABS计算出的结果基本相同，相对误差幅度为1.64%～5.03%，验证了该结果的可靠性。
结束语：
混凝土作为一种新的工程加强措施在连梁中的应用，区域约束混凝土连梁不仅在小，中震作用下能够满足承载力的要求，而且在大震作用下表现出极好的延性性能，在有较大变形的情况下仍有较好的承载力，能够满足构件损伤性能的要求，极大的提高了结构的抗震性能。其他构件也同样适用这种结构形式，为以后的超限结构关键部位的加强措施提供了一种新的方法。超高韧性水泥基复合材料，并将其应用在建筑结构中，这种整楼应用的实例目前还没有，也因实验条件的限制，缺乏实验与该模拟分析的对比，后续有条件可做进一步的尝试，比如在震动台上进行缩小比例的实验，使模拟分析所得的结论更具有指导意义。
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论文作者:范家明
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/18
标签：结构论文; 方法论文; 性能论文; 塑性论文; 承载力论文; 延性论文; 位移论文; 《基层建设》2019年第27期论文;