关键词：试析 高层建筑 结构性能化设计 存在的问题 解决方案
随着城市现代化发展进程不断加快，土地资源日趋紧张，迫使建筑日渐朝着高层以及超高层发展。与此同时，结构计算理论日渐成熟，软件计算手段深化完善，高层建筑结构性能化设计提上日程，要深化把握高层建筑结构性能化设计中呈现的问题，巧用可行的解决方案，保证质量的同时实现高层建筑结构性能设计目标。
一、高层建筑结构性能化设计及其存在的问题
1、高层建筑结构性能化设计
结构抗震性能化设计是《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）的主要内容之一，以原有的三个地震水准为基点，增加了结构抗震性目标、结构性能水准概念。就不同高层建筑结构而言，围绕结构重要程度、震后损失、修复难易性等，可以明确结构抗震设防的具体目标，从高到低性能目标分为四个等级，即A、B、C、D，但都高于原来所有地震水准要求，进而，明确大震、中震、小震各自作用下高层建筑结构性能水准要求。以重要程度为导向，高层建筑结构的构件可以分为三大类，即关键构件、耗能构件、普通竖向构件[1]，即使有着相同的性能水准，各类构件的抗震性能要求也不会相同，高层建筑结构抗震设计方法主要包括两大类，即弹性设计法、不屈服设计法。
2、高层建筑结构性能化设计问题
现有性能化设计方法主要是利用PKPM软件，结合高层建筑各类结构性能目标，明确结构性能化设计方法，比如，大震弹性设计法、中震不屈服设计法，再根据各类设计模型，定义好高层建筑结构的连梁刚度折减系数、阻尼比。之后，根据定义好的大震以及中震设计模型，指定各个子模型中不同构件性能目标，软件程序会根据指定好的这些构件性能目标呈现性能设计结果。该方法存在的问题主要体现在这几个方面。首先，在没有分析高层建筑结构弹塑性之前，难以准确估计在大震、中震各自作用下各类构件刚度降低状况，还要考虑各类构件的塑性耗能之后被附加的阻尼比，只能借助以往的设计经验。其次，在地震影响下，高层建筑各个部位的耗能构件的刚度折减系数、损伤程度都不相同。最后，在地震影响下，高层建筑结构的连梁、框架梁都会处于屈服耗能状态，甚至是某些普通竖向构件，设计中还要考虑其刚度折减。在这些问题相互作用下，大震以及中震等效性分析中获取的内力数据准确度不高，影响高层建筑结构配筋的精准性。
二、高层建筑结构性能化设计中存在的问题解决方案
1、高层建筑结构性能化设计实例
以某高层建筑为例，地上有30层，地下有2层，建筑的总高度为96.1米。建筑结构的设防烈度为八度，结构的抗震性能目标是C级。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》具体规定，该高层建筑结构的大震抗震性能水准是4，其关键构件满足正截面以及斜截面的不屈服要求，中震抗震性能水准是3，其关键构件、普通竖向构件都满足正截面的不屈服要求以及斜截面的弹性要求，将该高层建筑底部加强区的竖向构件定义为关键构件，底部的三层框架柱、剪力墙二者的性能目标是大震正截面以及斜截面的不屈服。
2、高层建筑结构性能化设计问题解决方案
该高层建筑结构性能化设计存在上述问题，在利用非线性刚度折减性能设计法基础上借助SAUSG-Design软件[2]，计算构件的刚度折减系数以及不同等级地震影响下附加阻尼比。
2.1非线性刚度折减性能设计法
将有着指定性能目标的各类构件材料属性定义成弹性，针对指定性能目标不明确的各类构件，在细化分析弹塑性基础上明确其在大震以及中震各自影响下呈现的刚度折减系数。由于这些构件在不同等级地震影响下会出现塑性耗能情况，根据对应的阻尼比，在弹性设计软件中呈现相关的参数，再进行结构性能设计，把握高层建筑结构的关键构件内力以及配筋。
2.2 SAUSG-Design软件计算及其结果
利用SAUSG-Design软件计算大震以及中震各自影响下框架梁、剪力墙的损伤，包括构件刚度折减系数、附加阻尼比[3]。在大震影响下，该高层建筑结构的构件损伤程度较高，墙梁的刚度折减系数范围为0到1，其分布相对均匀，框架梁的刚度折减系数范围为0.5到1；在中震影响下，该高层建筑结构的构件损伤程度低于大震，墙梁的刚度折减系数范围为0到1，主要集中在0.8到1之间，框架梁的刚度折减系数范围也为0.8到1。在大震、中震各自影响下，该高层建筑结构的附加阻尼比为2.5%、0.6%。
2.3参数统一设置以及对比SAUSG-Design软件计算的结果
在统一设置该高层建筑结构相关参数的基础上对比、分析SAUSG-Design软件计算下的结果。一是：对比周期。统一设置大震、中震各自影响下构件的刚度折减系数，将其导入到SAUSG-Design软件中计算对应的刚度折减系数，构件刚度减小的同时周期增加。大震影响下该高层建筑结构X向、Y向各自周期增加9.35%、9.75%，中震影响下该高层建筑结构损伤程度并不高，X向、Y向各自周期增加不是特别多。二是：对比楼层剪力。在大震影响下，该高层建筑的基底剪力X向、Y向的相差分别为27%、17%，在中震影响下，该高层建筑楼层的剪力相差大约为5%。三是：对比配筋结果。由于高层建筑底部的三层竖向构件属于关键构件，配筋对比的关键点在框架柱、剪力墙。和现有的方法相比，在SAUSG-Design软件计算作用下，该高层建筑底部的三层框架柱、剪力墙二者的配筋都有所节省，三层框架柱的配筋节省率分别为13.7%、11.1%、11.1%，三层剪力墙的配筋节省率分别为6.8%、5.6%、-0.8%。相应地，下面是大震以及中震各自影响下该高层建筑楼层剪力对比图。
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图二中震影响下楼层剪力对比图
三、结语
总而言之，高层建筑结构性能化设计有着重要的现实意义，在工程实践的基础上具体分析现有方法、主要问题，联系实际的同时巧用现代设计软件，准确把握高层建筑结构弹塑性、刚度折减系数、附加阻尼比等，在优化、完善的基础上提升性能化设计效果，确保设计的高层建筑结构满足当下抗震性能要求，具备较高的安全性、稳定性与经济性。
参考文献：
[1]赵金鹏.装饰性、结构性及实用性在建筑设计中的应用[J].建材与装饰,2018(08):111-111.
[2]赵宏康.框架-双核心筒高层建筑结构性能研究及设计建议[J].建筑结构,2017,47(11):53-60.
[3]袁烽,柴华,谢亿民.走向数字时代的建筑结构性能化设计[J].建筑学报,2017(11):1-8.
论文作者:谢绪军
论文发表刊物:《城镇建设》2020年1月第2期
论文发表时间:2020/4/14
标签：建筑结构论文; 性能论文; 构件论文; 高层论文; 刚度论文; 大震论文; 系数论文; 《城镇建设》2020年1月第2期论文;