从抗震视角审视高层建筑设计

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引　言

由于地震的多发性,对体型复杂的超高层建筑,抗震设计也变得更加重要。世界范围内最高的一批建筑物的设计和分析超出了规范中的传统设计方法,如按常规设计有可能作出偏弱和不经济的结构设计。因此基于性态的设计原理在工程设计中来越得到重视,基于性态的方法要求设计者对建筑物在地震作用下可能形成的性态反应做出评价。对于超高层的建筑则必须采用基于性态的方法以证实该建筑满足抗震性能,且其设计必须经专家组审查[1]。

1　性态准则

基于性态的设计包括:1)选择多个重现期水准;2)以选定的性态水准相对应的界限值为标准,对构件和建筑物的变形进行评价;3)计算与这些重现期对应的地震地面运动下的结构反应;4)利用"能力设计原理"对构件进行评价,保证不出现非延性失效方式。

分析方法、模型化方法与结构性态本身的随机性会在预测建筑物反应的过程中引入不确定性。基于性态的设计考虑以下三个因素:1)对输入的地震地面运动进行组合;2)经分析预测结构的反应;3)建筑物的真实性态之间所作的协调将会取得阶段性的持续改进。相对于传统的规范方法,高层建筑的性态设计方法是一个重要改进,能使设计者和业主更深入了解建筑物在地面运动下可能形成的反应[2]。

2　设计目标及建议

高层建筑基于性态的设计应突破传统规范设计方法,除满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设防目标时,尚应考察两个评价水准,即:1)正常使用水准评价:在重现期约为50 a的地震下只出现可忽略的损伤。要求结构基本处于弹性反应状态。2)倒塌水准评价:在重现期接近2 500 a的地震水准预计会发生的最大地震振动下防止倒塌。并能证实:a·所有延性结构构件中的非弹性变形需求均小于其变形能力;b·在具有非延性破坏模式的部件中,力的需求不小于其名义强度。同时对超高建筑物和复杂建筑物可能要求设计者证实起控制作用的构件在中等地震振动下仍保持弹性。

经济地完成高层建筑结构设计是一项复杂的技术,包括在风和地震作用下的侧向刚度要求、变形要求和强度要求,且每项要求中都混合有施工可行性等问题。

3　场地反应

对于硬、软岩石场地,基岩运动的场地放大效应通常较小,在危险性评价中可忽略不计。对于密实土和软土场地,确定地震需求的更完善的方法是完成一项场地反应考察。其中,基岩振动靠竖向传播的剪切波经非线性土层向上传递。当前,正在形成模拟从断裂到场地的整个波动传播过程的精细全面的三维方法。

对于建在较软土层上的具有深埋实体基础或基础结构的高层建筑设计,关键是在给出地震动在地基层中随深度的变化规律后,找出更适合用于建筑物的设计的地震动。另外“基础地震动”有可能明显不同于地震危险性评价所预测的自由场地地面运动。场地反应研究还应识别边坡的稳定性、土壤液化的可能性及其它地震地质危险等[3]。

4　地基及基础效应

场地的土层和建筑物的基础形式能通过不同途径影响建筑物的地震反应和性态,包括:1)改变在自由场地处或某深度处预测的对建筑物的地震输入;2)对土-基础-建筑物体系形成附加柔度和阻尼,这将延长建筑物的周期并减弱地震需求。这些效应在软土场地上更加明显。

此外,由于建筑物下面土层中总存在不确定因素。因此在评价土壤性能时总要考虑变异的影响。对一幢高层建筑而言,地基变形对上部结构反应具有显著作用。建筑物在一次地震中的侧向挠度会比其基础的平移大很多,故基础体系的水平变形常可忽略不计。但是,因土壤-基础的可变形性在建筑物基底形成的较小转动,却能导致建筑物顶端的显著侧移。故在分析和设计中应考虑这种可变形性。

土-结构相互作用用来描述基础和土层对结构性能的影响。一般来说,这种影响包括三个方面:1)土壤-基础体系在滑动和转动中具有一定的质量和可变形性;2)地震能量经地基基础传入上部结构,同时结构中的震动能量会传入地基,并由地基以及从基础经应力波的形式外幅射而耗散;3)传入建筑物的地震地面运动受基础的埋深和刚度的影响。在结构抗震实践中,有时土壤的非线性性能有时会成为一个起控制作用的因素,并应考虑到土壤在大应变下的应变软化和附加滞回阻尼。

对于高层建筑,基础通常是实体的,并具有相当大的埋深,而且在主塔建筑的基础和周围裙房基础还可能设在不同的深度,此时经基础传至上部结构的地震动可能会存在比较大的差异。在某些层状土中,这种特点有可能会对传入建筑物的地震运动产生明显影响。因此建筑物被这种环境下的基础运动所激励,应恰当估计结构不同基础下的地面运动。当表层土不佳且软时,基底运动和自由场地运动的差异将最为突出。由于土的离散性比较大,以及在定义土壤参数和如何把它们与模型化假定等问题上存在很大不确定性,故结构工程师应谨慎考虑土-结相互作用,采用正确的土-结构相互作用分析模型[4]。

5　基于变形的设计原理

在基于性态的抗震设计中,变形是起控制作用的参数。由于性态以损伤程度为标志,损伤又与构件和体系的变形程度相关,必须提供足够的强度来防止过度的非弹性变形。另外,那些在达到最大强度时不具备屈服后变形能力的构件则不允许经历非弹性变形。因此对这类构件应使用基于力的验算方法。

建筑物的总位移只能对建筑物的性态作定性评价。层间位移角是在一个给定的时间步长内两个相邻楼盖的相对水平位移角,但在高层建筑中是把每层的这些相对运动看作刚体位移和剪切变形角引起的分量来评价。同时应弹性层间位移角限值与弹塑性层间位移角限值的要求。

非弹性的构件变形是评价延性构件的结构性损伤及结构性倒塌趋势的基础。评价一般是通过在一个时点比较逐个单一部件的变形需求与容许值来完成的。而容许值应以所提供的结构性构造以及并存的构件力为依据。

6　结构分析及模型化方法

在此引入高层建筑结构构件模型化的基本原理,对每一类构件的分析都要建立一个三维有限元模型,以便表征结构的平动和扭转效应。建筑物的数值模型应细化到足够的程度,以考虑影响建筑物反应的结构性构件和非结构性构件的交互作用。此外,对“正常使用水准评价”和“倒塌水准评价”可以建立不同的模型。

在建筑物的数学模型中,应包括其刚度和质量对建筑物的动力反应作出贡献的所有结构性构件和非结构性构件。对只承担重力荷载的结构体系,特别是在钢筋混凝土结构中,将明显影响高层建筑的抗震性态,也应包括在数学模型中。设计者应在"抗震设计基本资料"中记录下分析中使用的构件模型的基本技术信息。并应能重现构件在相关物理试验中的力-变形关系。

7　弹性分析及非线性分析

7·1　弹性分析

振型分解反应谱法和时程分析法是高层建筑常用的两种弹性分析方法。弹性分析适用于每个结构构件的需求都小于它的名义强度。弹性分析通常用于“正常使用水准评价”。

使用反应谱法分析时,必须有足够多的振型参与,以便至少让地震动沿每个主轴输入建筑物的总质量的90%参与进来。地震荷载的方向效应通过以下两种分析方法之一来考虑:1)沿建筑物的每个主轴同时使用最大值谱(或最小值谱)和最小值谱(或最大值谱);2)沿建筑物的每个主轴同时作用最大值谱(或30%最大值谱)和30%最大值谱(或最大值谱)。通过以上分析方法所得的最大(最不利)需求,对结构构件逐个构件进行评价来完成性态评价。

反应时程分析时,构件应验算保证在分析的每个时间步长内,从未乘系数的重力荷载和地震荷载效应获得的需求都小于名义抗力。在一个时间步长内对于一个给定的作用计算名义抗力时应考虑同时存在的其它作用。

7·2　非线性反应时程分析及评价

反应谱法不是完全的动力法,地震动对结构的作用是一个随时间变化的过程,反应谱法求出的只是变化过程中的最大值,同时只能用于线弹性结构分析,不适用于非线性结构分析。地震作用产生的强烈响应,往往会使结构进入弹塑性状态,需要采用非线性分析,对于倒塌水准一般是非线性分析。非线性分析对于倒塌水准评价是必要的。分析中应考虑二阶效应,不需要考虑偶然性扭转。采用非线性时程分析时,在地震地面运动作用前就必须先行引入建筑物承重结构在重力荷载下的初始应力状态。

在分析的每个时间步长内,应通过验算保证构件从不乘系数的重力效应和地震荷载效应得到的需求均小于对应的抗力。延性作用的抗力用构件的变形表达;非延性作用的抗力用力的形式表达。不论哪一类作用,在给定时间步长内对一个给定作用(例如弯曲)计算抗力时,都应考虑在该时间步长内同时存在的作用(例如轴力与剪力)。

8　评审专家审查及性态监控

在中、高地震危险性地区,越来越需要针对某个工程项目建筑物设计的专家组审查。高度明显偏大的建筑物要经过专家组或者有抗震性态控制和高层建筑分析、设计经验的咨询公司的仔细审查。专家队伍须包括高层建筑物设计、基于性态的地震工程、非线性动力分析、各种材料、构件和体系的非弹性性能、岩土工程以及地震危险性分析等方面的专家。对于高层和超高层建筑的分析与设计,应强制性通过专家或独立的评审专家组。

此外,鼓励装设量测仪器对建筑物的风效应和地震反应进行监控。这种监控为业主和结构工程师提供有价值的数据,以便在地震后立即评价可能形成的损伤,并为设计界提供有价值的数据来校准和进一步改进设计方法。

9　结　论

在建筑工程中高层或超高层建筑使用不常用的高性能材料和结构体系,或超出了现行规范的高度限制。由于现行建筑规范的传统性条款限制性过强,导致超出了规范传统性条款限制条件的设计。可行的方法是使用基于性态的设计,现有的技术及经验也为设计提供了一定的依据。基于性态的设计突破了传统的规范设计方法,能够设计出更好的截面尺寸及构造要求,从而能够深入的把握高层建筑的性态,对其性能和安全性有更大的把握。基于性态的设计将会随工程设计的实践而不断完善。