某超限高层建筑基于性能的抗震设计

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随着全球经济及科技的不断进步和发展,现代建筑呈现出超高化、功能多样化、复杂化的特点,而抗震设计一直是建筑结构设计中的主要目标,也是重点、难点。现代建筑不仅要防止倒塌,还要考虑地震引起的经济损失的大小及其造成的影响。因此,抗震设计思想也从传统的三水准设防目标和二阶段抗震设计逐步向性能化抗震设计转变。在阅读大量文献的基础上,本文对基于性能的抗震设计思想的提出及背景、性能化设计的基本理论框架及要求、性能化设计在世界各国的应用及发展现状进行了简要的阐述。明确了基于性能的抗震设计思想、研究内容、与传统抗震设计思想的联系与区别。并通过工程实例作为研究对象,以基于性能的抗震设计理论为基础对工程实例进行了设计、分析、研究,论证其结构的安全性。具体的内容从以下几个方面展开:1.通过地震作用的产生、地震灾害造成的影响以及传统抗震设计理论的发展与不足,阐明基于性能的抗震设计思想提出的背景,性能化设计的基本理论框架、要求及其在世界各国的应用、发展,论证了该方法在今后抗震设计发展中的必要性。2.针对某超限高层工程实例进行分析与设计,对工程实例中的结构超限类型及程度进行分析,确定结构关键抗侧力构件的抗震性能目标。采用PKPM SATWE、PMSAP及GSSAP三个常用结构设计软件进行建模计算,对小震、中震作用下的弹性计算结果进行分析;对结构进行弹性时程分析,并与振型分解法进行了分析比较;中震作用下,除去非抗震次要的结构构件,对其承载力根据其抗震性能目标进行结构构件性能分析;针对建筑局部楼层楼板大开洞等楼板平面不规则的情况,进行中震作用下弹性楼板应力分析,确保中震作用下楼板能可靠地传递水平力;采用有限元软件PUSH&EPDA及ABAQUS对建筑物在罕遇地震作用下进行静力及动力弹塑性推覆分析;分析时考虑高度超限可能带来的附加P-Δ效应。3.通过上述分析结果得出,结构满足规范要求的周期、位移、刚重比、剪重比、刚度以及承载力等要求,对于扭转不规则、楼板不连续、尺寸突变、局部穿层柱、塔楼偏置等不规则项,通过性能目标的选定、结构在小震、中震作用下的弹性分析、弹性时程分析以及罕遇地震作用下的静力、动力弹塑性分析验算,对相应薄弱部位及构件采取加强措施以提高结构的延性和刚度,具体措施有:①减小边缘结构竖向构件轴压比、剪压比以及提高薄弱部位构件的配箍率、配筋率等;②为了保证地震作用下水平力的传递,在楼板凹凸角、弱连系楼板的部位采用增加楼板厚度,钢筋双层双向贯通配筋构造以保证强度及刚度要求;③在剪力墙内增设型钢,并同时提高配箍率、配筋率等措施,使结构边缘区域剪力墙的抗拉、抗弯强度和延性得到增强;④塔楼计算过程中,剪力墙按构造配筋进行推覆分析,个别墙柱拉弯屈服,对拉弯屈服墙柱按大震内力复核,全部框架柱及剪力墙均能达到大震性能目标。因此,可以认为建筑物可实现抗震性能目标,结构是可行且安全的。本文通过对基于性能的抗震设计理论的学习,在某一工程实例中加以应用,通过中震弹性分析结论对局部楼板进行加强,确保中震作用下楼板能可靠地传递水平力;通过大震静力弹塑性分析结论,对拉弯屈服墙柱按大震内力复核,全部框架柱及核心筒保证大震弹性;通过大震下的动力弹塑性分析结论,对加强层楼板及部分剪力墙翼缘位置提高抗震构造措施,满足“大震不倒”的设防要求。论证了其结构的安全性,目的在于表明性能化设计的先进性以及设计上的自由、灵活性。规范中的常规设计方法难以对建筑物进行可修复性评估,仅通过构造措施来提高中、大震作用下构件和结构的延性的方法存在很多不确定性。再者,现代建筑的多样性发展更需要建筑结构性能目标的“个性化”,设计师需要克服现有规范的局限性,有更大的自主权来根据结构的用途、业主和使用者的特殊要求进行不同性能目标的选定。这不仅强调了保证生命安全,同时也避免了财产损失。这些都是规范的常规设计方法所不能统一概括及用同一标准进行定量分析的。同时,性能化设计也对设计人员的技术水平和设计能力提出了更高的要求。
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