肖從真，李建輝，孫 超，魏 越，李寅斌

(中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司， 北京 100013)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，體型復(fù)雜、高度超高的建筑大量涌現(xiàn)，其中有相當(dāng)一部分建筑在高度以及規(guī)則性等方面均存在顯著超出規(guī)范適用范圍的情況。采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法在各類(lèi)超限建筑發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵的指導(dǎo)作用，已經(jīng)成為超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要手段。

中國(guó)勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)批準(zhǔn)發(fā)布了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(T/CECA 20024—2022)[1](簡(jiǎn)稱(chēng)性能化標(biāo)準(zhǔn))，作為指導(dǎo)超限建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施將對(duì)超限建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的影響。

本文根據(jù)性能化標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，總結(jié)了超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)方法，針對(duì)該類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最小剪重比、最小框剪比、中震墻肢拉應(yīng)力3個(gè)重要指標(biāo)，提出了相應(yīng)的解決措施，并闡述了基于預(yù)設(shè)屈服模式的抗震性能化設(shè)計(jì)新方法，可為超限高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和審查工作提供參考。

1 超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)方法

抗震性能化設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是根據(jù)預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而使結(jié)構(gòu)抗震性能滿(mǎn)足各項(xiàng)性能水準(zhǔn)指標(biāo)要求，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)期性能目標(biāo)。抗震性能化設(shè)計(jì)的主要流程如圖1所示。

1.1 結(jié)構(gòu)選型與布置

結(jié)構(gòu)選型與布置應(yīng)遵循抗震概念設(shè)計(jì)基本原則，結(jié)合建筑功能、結(jié)構(gòu)高度、抗震設(shè)防烈度等情況選定結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)體系特點(diǎn)，采用能保證結(jié)構(gòu)整體性及協(xié)同工作性的樓蓋體系。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程情況，確定嵌固層位置、基礎(chǔ)類(lèi)型、主要構(gòu)件尺寸及材料強(qiáng)度、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及細(xì)部構(gòu)造、是否需要設(shè)置加強(qiáng)層以及加強(qiáng)層的數(shù)量和形式。

1.2 結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)

性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)是指在一組指定地震動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)，抗震性能化設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是顯式地設(shè)定并驗(yàn)證不同地震作用下的性能目標(biāo)。合理的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)可以體現(xiàn)不同構(gòu)件、細(xì)部在結(jié)構(gòu)體系中的重要程度，以此進(jìn)行設(shè)計(jì)將使結(jié)構(gòu)具有良好的屈服機(jī)制、破壞模式和耗能能力。抗震性能化設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)最大的不同之處在于性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)的個(gè)性化、定量化和細(xì)化[2]。常規(guī)設(shè)計(jì)采用的“三水準(zhǔn)兩階段”設(shè)計(jì)方法也是一種廣義的“性能化設(shè)計(jì)”，但是“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準(zhǔn)目標(biāo)僅給出了結(jié)構(gòu)層面的宏觀(guān)性能目標(biāo)要求，過(guò)于籠統(tǒng)、粗糙，缺乏全面定量的驗(yàn)證，也就無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜、多樣化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求。因此，選擇合理的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)于抗震性能化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)的確定，首先應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的特殊性，結(jié)合場(chǎng)地類(lèi)別、建筑功能、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、工程造價(jià)、震后損傷及修復(fù)難易程度等因素綜合選定結(jié)構(gòu)的宏觀(guān)性能目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上應(yīng)劃分構(gòu)件類(lèi)型，明確結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件、耗能構(gòu)件與普通構(gòu)件，再結(jié)合具體工程情況有針對(duì)性地分別對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、附屬及機(jī)電設(shè)備提出細(xì)化、定量的性能水準(zhǔn)要求。

1.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

1.3.1 小震彈性設(shè)計(jì)

在小震彈性分析設(shè)計(jì)階段，應(yīng)采用反應(yīng)譜法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體性能分析，并進(jìn)行配筋計(jì)算。通過(guò)調(diào)整構(gòu)件截面及布置，使位移比、剪重比、周期比、最大層間位移角等結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)、構(gòu)件承載力和變形滿(mǎn)足規(guī)范要求，使結(jié)構(gòu)具備良好的抗震性能基礎(chǔ)。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3](簡(jiǎn)稱(chēng)高規(guī))第5.1.13條規(guī)定，對(duì)于豎向剛度和承載力變化大、受力復(fù)雜、易形成薄弱部位的結(jié)構(gòu)，除采用反應(yīng)譜法外，還應(yīng)采用彈性時(shí)程分析方法進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算。

1.3.2 中、大震構(gòu)件性能化設(shè)計(jì)

抗震性能化設(shè)計(jì)需要根據(jù)具體的性能目標(biāo)，對(duì)中、大震作用下構(gòu)件的性能進(jìn)行驗(yàn)證，目前普遍采用等效彈性的方法或考慮彈塑性影響的等效線(xiàn)性化方法。等效線(xiàn)性化方法考慮構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)后剛度退化、阻尼比增大等情況，進(jìn)行結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震、罕遇地震下的反應(yīng)譜分析，并進(jìn)行構(gòu)件性能化設(shè)計(jì)，驗(yàn)算其是否滿(mǎn)足預(yù)設(shè)的性能化設(shè)計(jì)要求?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[4](簡(jiǎn)稱(chēng)抗規(guī))附錄M中給出了具體的設(shè)計(jì)方法，包括彈性設(shè)計(jì)與不屈服設(shè)計(jì)。

采用等效線(xiàn)性化方法進(jìn)行構(gòu)件性能化設(shè)計(jì)時(shí)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析前需要預(yù)先按構(gòu)件類(lèi)型設(shè)定剛度折減系數(shù)及附加阻尼比。參數(shù)設(shè)定全憑設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)預(yù)判，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)很難準(zhǔn)確判斷，與實(shí)際受力情況有較大差異，只有針對(duì)塑性程度不高的結(jié)構(gòu)，等效線(xiàn)性化分析方法有較好的準(zhǔn)確度。

1.3.3 大震彈塑性分析

為更準(zhǔn)確地分析結(jié)構(gòu)抗震性能，進(jìn)行抗震性能評(píng)估，掌握結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的屈服機(jī)制、變形能力及構(gòu)件耗能能力，驗(yàn)證耗能是否發(fā)生在預(yù)設(shè)區(qū)域以及預(yù)期的性能目標(biāo)是否實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)行大震彈塑性分析。主要包括靜力彈塑性分析與彈塑性時(shí)程分析方法[4]。高規(guī)第3.11.4條中規(guī)定了以上兩種分析方法的適用范圍，表明建筑高度150m以下的結(jié)構(gòu)可以使用靜力彈塑性分析方法；對(duì)于建筑高度150～200m且基本自振周期大于4s或特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)以及建筑高度超過(guò)200m的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用彈塑性時(shí)程分析方法。性能化標(biāo)準(zhǔn)中補(bǔ)充了幾種需要進(jìn)行彈塑性分析的情況：性能水準(zhǔn)4或以上時(shí)的罕遇地震抗震分析；消能減震結(jié)構(gòu)的地震作用分析；隔震結(jié)構(gòu)的地震作用分析。

此外，性能化標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)采用彈塑性時(shí)程分析進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算的情況進(jìn)行了細(xì)化，除常見(jiàn)的超限類(lèi)別外，還增加了屋頂塔冠、桅桿等次結(jié)構(gòu)的地震作用分析以及采用速度型阻尼器的消能減震及隔震結(jié)構(gòu)。

1.4 抗震性能評(píng)估

抗震性能評(píng)估是抗震性能化設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。根據(jù)大震彈塑性時(shí)程分析結(jié)果，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的性能指標(biāo)是否滿(mǎn)足目標(biāo)要求，評(píng)估結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的損傷程度及抗震性能。其中結(jié)構(gòu)層面的驗(yàn)算內(nèi)容包括層間位移角、基底剪力，構(gòu)件層面的驗(yàn)算內(nèi)容包括構(gòu)件彈塑性位移角、材料應(yīng)變或材料損傷系數(shù)。

性能化標(biāo)準(zhǔn)中給出了可量化的構(gòu)件評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，并根據(jù)具體損壞程度及損壞等級(jí)給出了對(duì)應(yīng)的應(yīng)變、位移角指標(biāo)限值。

2 超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)重要指標(biāo)探討

對(duì)于超限高層建筑，往往存在多項(xiàng)實(shí)質(zhì)性指標(biāo)超過(guò)規(guī)定或某一項(xiàng)指標(biāo)大大超過(guò)規(guī)定，可能具有明顯的抗震薄弱環(huán)節(jié)，存在明顯的安全隱患。可以通過(guò)抗震性能化設(shè)計(jì)方法，判斷結(jié)構(gòu)在特定地震水平下關(guān)于破壞模式和變形能力的控制目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)，在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下調(diào)整結(jié)構(gòu)方案和設(shè)計(jì)指標(biāo)，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

2.1 剪重比

2.1.1 最小剪重比基本情況

(1)場(chǎng)地類(lèi)別對(duì)地震分組的影響

我國(guó)的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜由抗震設(shè)防烈度、場(chǎng)地類(lèi)別、設(shè)計(jì)地震分組和阻尼比等多種因素共同確定，如圖2所示。

由圖2可知：長(zhǎng)周期段的地震影響系數(shù)主要受場(chǎng)地特征周期的影響，而場(chǎng)地特征周期由場(chǎng)地類(lèi)別和設(shè)計(jì)地震分組決定。然而，抗規(guī)規(guī)定的剪重比限值主要與結(jié)構(gòu)基本自振周期和抗震設(shè)防烈度相關(guān)，而與場(chǎng)地類(lèi)別無(wú)關(guān)。因此，按照抗規(guī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)以下不合理現(xiàn)象：1)同一棟建筑建造在場(chǎng)地土較差的場(chǎng)地上比建造在場(chǎng)地土較好的場(chǎng)地上更容易滿(mǎn)足最小剪重比要求；2)同一棟建筑建造在抗震設(shè)防烈度高的地區(qū)比抗震設(shè)防烈度低的地區(qū)更容易滿(mǎn)足最小剪重比要求。

抗規(guī)中加速度反應(yīng)譜無(wú)法有效地考慮長(zhǎng)周期地震影響，長(zhǎng)周期地震動(dòng)可能與長(zhǎng)周期建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，使其遭受比較嚴(yán)重的破壞[5]。因此，針對(duì)上述問(wèn)題設(shè)置結(jié)構(gòu)最小剪重比是十分必要的，各國(guó)均有結(jié)構(gòu)在地震作用下的最小剪力控制，保證了長(zhǎng)周期建筑結(jié)構(gòu)的抗震可靠性，提高了結(jié)構(gòu)的安全性。但是震害調(diào)查顯示軟土場(chǎng)地更容易產(chǎn)生長(zhǎng)周期地震動(dòng)[6]，最小剪重比的規(guī)定卻在某種程度上放寬了對(duì)于軟土場(chǎng)地的要求，這與最小剪重比的設(shè)置初衷是違背的。

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中調(diào)整剪重比的方法

目前，許多長(zhǎng)周期超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要受最小剪重比限制，主要通過(guò)提高結(jié)構(gòu)剛度、減小結(jié)構(gòu)自重和合理選擇阻尼比等計(jì)算參數(shù)來(lái)提高超高層建筑結(jié)構(gòu)的最小剪重比。然而，通過(guò)對(duì)剪重比的力學(xué)本質(zhì)進(jìn)行推導(dǎo)可得，剪重比更多地由單元質(zhì)量的結(jié)構(gòu)效率控制，宜首先通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)布置盡可能去滿(mǎn)足最小剪重比要求。對(duì)于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度對(duì)基底剪力的影響不敏感，當(dāng)結(jié)構(gòu)第一周期超過(guò)8s后，很難滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)最小剪重比的要求[7]，宜通過(guò)對(duì)反應(yīng)譜長(zhǎng)周期段的更多研究，采用更加合理的反應(yīng)譜參數(shù)。

(3)超限審查技術(shù)要點(diǎn)對(duì)最小剪重比的控制

2015年住房城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布了新修訂的《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查技術(shù)要求點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67號(hào))[8](簡(jiǎn)稱(chēng)技術(shù)要點(diǎn))，針對(duì)剪重比的相關(guān)規(guī)定內(nèi)容如下：

1)結(jié)構(gòu)總地震剪力以及各層的地震剪力與其以上各層總重力荷載代表值的比值，應(yīng)符合抗規(guī)的要求，Ⅲ、Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地時(shí)尚宜適當(dāng)增加。當(dāng)結(jié)構(gòu)底部計(jì)算的總地震剪力偏小需調(diào)整時(shí)，其以上各層的剪力、位移也均應(yīng)適當(dāng)調(diào)整。

2)基本周期大于6s的結(jié)構(gòu)，計(jì)算的底部剪力系數(shù)比規(guī)定值低20%以?xún)?nèi)，基本周期3.5～5s的結(jié)構(gòu)比規(guī)定值低15%以?xún)?nèi)，即可采用抗規(guī)關(guān)于剪力系數(shù)最小值的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)?；局芷谠?～6s的結(jié)構(gòu)可以插值采用。

3)6度(0.05g)設(shè)防且基本周期大于5s的結(jié)構(gòu)，當(dāng)計(jì)算的底部剪力系數(shù)比規(guī)定值低但按底部剪力系數(shù)的0.8%(相當(dāng)于地震力放大了30%)換算的層間位移滿(mǎn)足抗規(guī)要求時(shí)，即可采用抗規(guī)關(guān)于剪力系數(shù)最小值的規(guī)定進(jìn)行抗震承載力驗(yàn)算。

2.1.2 建議的控制方法

結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下計(jì)算得到的基底剪力不滿(mǎn)足最小剪力限值時(shí)，可借鑒抗震性能化設(shè)計(jì)的思路，按下面步驟進(jìn)行調(diào)整：

(1)通過(guò)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在特定長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下的位移是否小于規(guī)范規(guī)定的限值來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的剛度是否滿(mǎn)足要求，旨在防止超高層建筑遭受長(zhǎng)周期成分顯著的地震時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的位移而破壞。

(2)按(1)中所指的特定長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用計(jì)算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)，對(duì)于少數(shù)不能滿(mǎn)足規(guī)范最小剪力要求的樓層，將該樓層地震剪力放大到滿(mǎn)足規(guī)范要求，進(jìn)行構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)。旨在提高結(jié)構(gòu)抗傾覆和抗剪能力，確保結(jié)構(gòu)能夠承受一定程度的地震作用。

驗(yàn)算超高層建筑結(jié)構(gòu)在特定長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下的位移，可以有兩種方案：1)給出驗(yàn)算用的通用地震波或特定的設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜。由于我國(guó)場(chǎng)地情況復(fù)雜，提出特定的長(zhǎng)周期地震動(dòng)參數(shù)和驗(yàn)算的地震波還需要一定的時(shí)間和數(shù)據(jù)積累，難以滿(mǎn)足當(dāng)前工程建設(shè)的要求，因此本文建議在目前階段采用一定的簡(jiǎn)化。2)參考文獻(xiàn)[9]的處理方式，適當(dāng)提高設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜在長(zhǎng)周期段的譜值，進(jìn)行位移的驗(yàn)算，控制結(jié)構(gòu)的剛度，防止超高層建筑結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下發(fā)生過(guò)大的位移。這樣的調(diào)整，在一定程度上，相當(dāng)于把近震的加速度大的反應(yīng)譜和遠(yuǎn)震的加速度稍小但平臺(tái)段更長(zhǎng)的反應(yīng)譜疊加，進(jìn)行綜合考慮。

2.2 框剪比

2.2.1 框剪比限值的基本情況

對(duì)于框架-核心筒結(jié)構(gòu)，小震作用下結(jié)構(gòu)總體處于彈性狀態(tài)，核心筒剛度大，承擔(dān)了絕大部分的剪力，是抗震的第一道防線(xiàn)，在中、大震作用下連梁先進(jìn)入塑性導(dǎo)致核心筒整體剛度下降，框架的相對(duì)剛度提高導(dǎo)致內(nèi)力重分布，因此框架作為抗震的第二道防線(xiàn)，需要具備一定的承載力，保證能承擔(dān)內(nèi)力重分布引起的剪力增量變化，這在歷次實(shí)際震害中得到了證實(shí)。從雙重體系協(xié)同工作的概念出發(fā)，在水平荷載作用下，框架與核心筒的相對(duì)剛度決定了各自分擔(dān)的剪力，故國(guó)內(nèi)外規(guī)范均采用對(duì)框架剪力進(jìn)行控制的方法來(lái)保證框架剛度。

隨著建筑高度的不斷攀升，在超高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，最小框剪比的規(guī)定往往成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的約束性控制條件。為了滿(mǎn)足框架剪力分擔(dān)比的要求，外框構(gòu)件截面會(huì)不斷調(diào)整加大，不僅影響建筑使用功能，而且會(huì)有較大的經(jīng)濟(jì)成本。框剪比相關(guān)規(guī)定不僅困擾著許多設(shè)計(jì)人員，業(yè)內(nèi)的一些專(zhuān)家學(xué)者也存在不同的看法，關(guān)注的焦點(diǎn)包括：1)采用外框剪力分擔(dān)比作為框架側(cè)向剛度的控制參數(shù)的理論依據(jù)以及外框剛度控制的必要性；2)規(guī)范和技術(shù)要點(diǎn)中框剪比限值的適用性及其依據(jù)[10]。

根據(jù)已有研究成果表明，框剪比指標(biāo)可以定量反映框架與核心筒(剪力墻、聯(lián)肢墻)之間相對(duì)剛度的大小，與結(jié)構(gòu)的剛度特征值之間存在明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，框架與核心筒之間的相對(duì)剛度越大則框剪比越大；規(guī)范控制最小框剪比實(shí)質(zhì)為限定框架剛度與核心筒相對(duì)剛度的比值(剛度特征值)不宜過(guò)小。理論分析表明規(guī)范采用框剪比這一指標(biāo)是合理、有效的。

當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度沿高度逐漸減小時(shí)，框剪比與高度的關(guān)系曲線(xiàn)“中部大、兩端小”，抗規(guī)、高規(guī)通過(guò)規(guī)定“最大框剪比”的最小值來(lái)限定框架的剛度是合適的，符合變剛度條件下框剪比沿結(jié)構(gòu)高度的分布特點(diǎn)。

2.2.2 框架剪力調(diào)整方法建議

文獻(xiàn)[11]提出以下兩種建議方法，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震彈塑性分析，可以得到結(jié)構(gòu)從彈性到彈塑性發(fā)展過(guò)程中的內(nèi)力重分布，從而對(duì)小震彈性設(shè)計(jì)的框架剪力進(jìn)行調(diào)整。

(1)基于彈塑性時(shí)程分析的調(diào)整系數(shù)方法

根據(jù)抗規(guī)、高規(guī)規(guī)定，選擇符合規(guī)范要求的三條地震波或七條地震波，通過(guò)大震彈塑性時(shí)程分析計(jì)算得到各樓層大震下的框剪比，然后除以小震彈性時(shí)的框剪比，從而得到各樓層的框架剪力調(diào)整系數(shù)。對(duì)于三條地震波，應(yīng)取調(diào)整系數(shù)的包絡(luò)值；對(duì)于七條地震波，可取調(diào)整系數(shù)的平均值。

(2)基于等效線(xiàn)性化的調(diào)整系數(shù)方法

彈塑性時(shí)程分析方法存在地震輸入和計(jì)算分析工作量大兩個(gè)問(wèn)題，因此借鑒抗震性能化設(shè)計(jì)的思路，提出等效線(xiàn)性化的方法。在大震下結(jié)構(gòu)損傷主要集中在核心筒連梁，核心筒墻肢和外框架也會(huì)出現(xiàn)一定的損傷，因此可以采用反應(yīng)譜法，通過(guò)折減構(gòu)件剛度實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)大震下的等效線(xiàn)性化分析，得到各樓層的框剪比，然后除以小震彈性的框剪比，從而得到各樓層的框架剪力調(diào)整系數(shù)。對(duì)于框剪比較小的模型(框架部分地震剪力小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的15%)，連梁剛度折減系數(shù)可取0.1；對(duì)于框剪比較大的模型(框架部分地震剪力大于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的20%)，連梁剛度折減系數(shù)可適當(dāng)提高。剪力墻剛度折減系數(shù)取 0.65，框架梁、柱的折減系數(shù)取0.85。

2.3 中震下墻肢拉應(yīng)力

2.3.1 剪力墻拉應(yīng)力問(wèn)題

在高烈度地區(qū)的中震作用下，結(jié)構(gòu)底部部分剪力墻的內(nèi)部出現(xiàn)凈拉力的情況十分常見(jiàn)。當(dāng)平均拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk時(shí)，墻肢剛度快速退化，結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生重分布，受壓側(cè)墻肢承擔(dān)了較多內(nèi)力，最終受壓側(cè)墻先于受拉側(cè)墻達(dá)到極限承載狀態(tài)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)無(wú)法繼續(xù)抵抗外力而破壞，無(wú)法實(shí)現(xiàn)“中震可修”的抗震設(shè)防目標(biāo)[12]。

為了控制這種破壞，同時(shí)考慮到工程設(shè)計(jì)具體情況、計(jì)算不確定性等因素。技術(shù)要點(diǎn)規(guī)定中震時(shí)，雙向水平地震下墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)宜設(shè)置型鋼承擔(dān)拉力，且平均名義拉應(yīng)力不宜超過(guò)兩倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(可按彈性模量換算，考慮型鋼和鋼板的作用)，全截面型鋼和鋼板(統(tǒng)稱(chēng)型鋼)的含鋼率超過(guò)2.5%時(shí)，可按比例適當(dāng)放松。平均名義拉應(yīng)力σt0計(jì)算公式為：

(1)

式中：Nt為墻肢拉力；A0為墻肢凈截面積；Ac和As分別為混凝土和型鋼的截面積；Ec和Es分別為混凝土和型鋼的彈性模量。

2.3.2 中震下墻肢拉應(yīng)力的解決措施

(1)剪力墻含鋼率超過(guò)2.5%時(shí)可按比例適當(dāng)放松拉應(yīng)力要求

對(duì)技術(shù)要點(diǎn)中墻肢拉應(yīng)力問(wèn)題的理解，重點(diǎn)在于“按比例”，即以2.5%含鋼率為基準(zhǔn)來(lái)考慮放松的比例。當(dāng)含鋼率超過(guò)2.5%時(shí)，平均名義拉應(yīng)力宜滿(mǎn)足式(2)時(shí)，可采用比平均名義拉應(yīng)力上限值稍微嚴(yán)格一些的指標(biāo)進(jìn)行控制。

(2)

式中ρs為型鋼含鋼率。

之所以以2.5%為基準(zhǔn)，是因?yàn)槌惺芾Φ膲χ孛媪芽p寬度是與鋼筋的應(yīng)力水平直接相關(guān)的。根據(jù)規(guī)范要求，混凝土構(gòu)件的裂縫寬度一般不超過(guò)0.3mm，此時(shí)鋼筋或型鋼的平均拉應(yīng)力σs一般不超過(guò)200MPa，該應(yīng)力值對(duì)應(yīng)剪力墻豎向分布筋配筋率取0.5%、含鋼率2.5%的情況。σs達(dá)到200MPa時(shí)鋼筋和型鋼的應(yīng)變約為1 000με，此時(shí)混凝土已開(kāi)裂，拉力基本由鋼筋和型鋼承擔(dān)，而鋼筋和型鋼所能承擔(dān)的拉力是與含鋼率呈一定比例的。

(2)考慮組合墻肢共同工作

在剪力墻結(jié)構(gòu)及框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系中，L形、T形、Z形等是常見(jiàn)的墻肢布置方式，其“腹板”剪力墻與“翼緣”剪力墻相互作用。在技術(shù)要點(diǎn)中提及墻肢拉應(yīng)力時(shí)用了“墻肢全截面”一詞，但對(duì)“墻肢全截面”沒(méi)有詳細(xì)的注解?，F(xiàn)有部分計(jì)算軟件中，對(duì)于將墻肢劃分為一字形單元從而進(jìn)行拉應(yīng)力的驗(yàn)算是不合理的，根據(jù)力學(xué)概念和工程經(jīng)驗(yàn)，相連的墻肢可作為一個(gè)整體，即以組合墻肢來(lái)考慮各種工況下的拉應(yīng)力驗(yàn)算。對(duì)于組合墻肢的判斷應(yīng)以規(guī)范為主、具體圖形為輔。

3 超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)新方法

規(guī)范的抗震設(shè)計(jì)思路主要是基于規(guī)則結(jié)構(gòu)，耗能構(gòu)件在罕遇地震作用下均勻進(jìn)入塑性，對(duì)于存在明顯薄弱部位的結(jié)構(gòu)并不適用，針對(duì)上述問(wèn)題，肖從真等[13]提出了基于預(yù)設(shè)屈服模式的抗震性能化設(shè)計(jì)新方法，其基本流程如圖3所示。小震下仍然采用彈性分析方法，與“三水準(zhǔn)兩階段”方法不同的是，基于小震彈性的構(gòu)件設(shè)計(jì)無(wú)需考慮內(nèi)力調(diào)整；中震設(shè)計(jì)階段，應(yīng)首先預(yù)設(shè)中震屈服模式，該模式應(yīng)以“中震可修”為最低標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)允許屈服的構(gòu)件，應(yīng)首先確定剛度退化程度，通過(guò)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行中震彈塑性分析，獲得這些可屈服構(gòu)件的剛度折減系數(shù)，再對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行中震反應(yīng)譜法設(shè)計(jì)，直接確定需要保持彈性構(gòu)件的配筋。與中震設(shè)計(jì)階段類(lèi)似，大震設(shè)計(jì)階段也首先預(yù)設(shè)屈服模式，以“大震不倒”為最低標(biāo)準(zhǔn)，然后確定允許屈服構(gòu)件的剛度折減系數(shù)，通過(guò)反應(yīng)譜分析確定構(gòu)件配筋。

該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)通過(guò)預(yù)設(shè)屈服模式的思路，逐步控制結(jié)構(gòu)破壞順序，同時(shí)設(shè)計(jì)過(guò)程更簡(jiǎn)單、合理，避免了較繁瑣的內(nèi)力調(diào)整；2)通過(guò)結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析方法獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度折減系數(shù)，可反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)，提高計(jì)算準(zhǔn)確性；3)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜法分析，既便于設(shè)計(jì)人員理解和應(yīng)用，也可以避免直接進(jìn)行彈塑性時(shí)程設(shè)計(jì)必須面對(duì)的選波難題。

文獻(xiàn)[13]以一座體型收進(jìn)的超限高層建筑為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)采用普通設(shè)計(jì)方法無(wú)法保證體型收進(jìn)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的安全；采用抗震性能化設(shè)計(jì)方法雖然可以提升結(jié)構(gòu)的抗震性能，但尚不能保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的安全；而采用基于預(yù)設(shè)屈服模式的抗震性能化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)則具有良好的抗震性能和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

(1)控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的最小剪力，起到了提高結(jié)構(gòu)安全性的作用。因此，保留結(jié)構(gòu)最小剪力系數(shù)的規(guī)定是十分必要的。當(dāng)自振周期較長(zhǎng)的超限高層建筑不滿(mǎn)足剪重比限值時(shí)，可通過(guò)適當(dāng)提高設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜在長(zhǎng)周期段的譜值，驗(yàn)算側(cè)向位移，控制結(jié)構(gòu)的剛度，防止超限高層建筑遭受長(zhǎng)周期成分顯著的地震時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的位移而破壞。

(2)框剪比指標(biāo)可以定量反映框架與核心筒之間相對(duì)剛度的大小，現(xiàn)行規(guī)范通過(guò)控制最小框剪比來(lái)限定框架的剛度。建議基于彈塑性時(shí)程分析或者等效線(xiàn)性化分析，根據(jù)大震下的內(nèi)力重分布規(guī)律對(duì)小震彈性設(shè)計(jì)的框架剪力進(jìn)行調(diào)整。

(3)對(duì)于中震下剪力墻拉應(yīng)力問(wèn)題，可以以剪力墻含鋼率超過(guò)2.5%為基準(zhǔn)，按比例放松墻肢拉應(yīng)力限值，同時(shí)可考慮組合墻肢共同工作。

(4)對(duì)于超限結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，采用基于預(yù)設(shè)屈服模式的抗震性能化設(shè)計(jì)新方法，可實(shí)現(xiàn)由現(xiàn)行規(guī)范對(duì)不規(guī)則項(xiàng)的控制轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)破壞模式的控制。同時(shí)，能夠有效避免超限結(jié)構(gòu)在罕遇地震下因薄弱部位失效而提前喪失承載能力的隱患，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備得到提升。