基于性能化的抗震设计在复杂、超限结构工程的应用.doc

基于性能化的抗震设计在复杂、超限结构工程的应用择要：本文通过中央电视台新台址主楼和广州新电视塔两个复杂、超限结构工程的应用事例阐述了基于性能化的抗震设计方法和步骤。关键词：性能目标、性能化抗震设计、非线性分析一、前言我国目前抗震规范《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）采用的抗震设防思想是：“三水准的设防目标”和实现这个目标而采取的“两阶段设计步骤”，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”；第一阶段设计，对结构进行多遇地震下的结构、构件承载力验算和结构弹性变形验算。第二阶段设计，对一些规范规定的结构进行罕遇地震下的弹塑性变形验算。对于复杂和“超限”高层建筑结构，这些工程都属于不规则结构，甚至是特别不规则结构。高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）中虽然已就某些复杂高层建筑混凝土结构采用常规抗震设计方法提出了设计规定，但实际工程中经常遇到超过规程适用范围或者规程中未规定的问题，此外，对于高层钢结构和混和结构的复杂结构体系目前还没有相应的设计规定。这些工程的抗震设计不能套用现行标准，缺少明确具体的目标、依据和手段[1]。同时目前的抗震设计还存在以下局限性[2]：抗震设计没有明确的抗震性能；业主和使用者不能了解建筑结构的抗震性能是否完全满足其要求；建筑结构的抗震性能没有用来进行经济评估。基于性能化的抗震设计方法是解决上述问题的有效方法。基于性能化的抗震设计是20世纪90年代初由美国学者提出，它是使设计出的结构在未来的地震灾害下能够保证所要求的性能水平。从结构安全角度，它从规范的宏观定性的单一目标向量化的多重目标转换；从整体和构件两个层次上量化来满足性能要求，并采用复杂的非线性程序加以实现。基于性能化抗震设计国外、国内的现状如下：美国应用技术委员会（ATCAppliedTechnologyCouncil）1996年发表的ATC-40、美国联邦紧急事务管理署（FEMAFederalEmergencyManagement）发表的FEMA-350（2002）、美国加州结构工程师协会（SEAOC）的SEAOCVision2000、美国国际规范委员会（ICC，InternationalCodeCouncil）2003年发布的《建筑物及设施的性能规范》都提出和涉及到性能设计建议和设计的方法。日本建筑研究所（BRI）在设计和加固标准中提出了一个性能标准；欧洲混凝土协会（CEB）2003年出版了“钢筋混凝土建筑结构基于位移的抗震设计”报告；澳大利亚提出了相应建筑规范BCA1996。基于性能化的抗震设计国内还在发展中，没有成文规定。我国自然科学基金“九五”项目中的重大项目《大型复杂结构的关键科学问题及设计理论》已包含了“基于性能设计”的子课题。在工程应用上，奥雅纳工程咨询公司（ARUP）在国内大型项目中，如中央电视台新台址主楼（CCTV）、国家体育馆、北京新机场、广州新电视塔、广州西塔等，综合国际广泛应用的基于性能化的抗震设计方法的指导文件和国内抗震规范，进行了基于性能化的抗震设计，推进了基于性能化的抗震设计在国内工程中的应用。二、基于性能化抗震设计的步骤基于性能设计的步骤主要由三部分组成：性能目标的确定、根据性能目标进行结构设计、对结构进行性能评估，其流程图见图1所示[2]。确定性能目标根据性能目标进行设计满足性能要求明确说明结构的实际性能水平对结构进行性能评估不满足性能要求图1性能化设计步骤流程图性能目标的确定是根据建筑结构的重要性、复杂性、功能、投资经济效益等要求由业主、设计者讨论并提出经专家组会议讨论、修改、确认。性能目标首先要满足多遇地震和罕遇地震下的国内规范的要求，同时根据不同要求提出其他性能目标，如设防烈度下的性能指标，罕遇地震下关键构件的性能目标等。根据性能目标进行结构设计时，其关键问题和难点是对结构进行基于几何非线性、材料非线性的分析。由于建筑结构设计的历史，现有的建筑结构专业软件很难实现上述分析的要求，必须引入航空、航天及机械类广泛应用的大型通用商业软件。ARUP采用大型通用软件LS-DYNA[3]并结合土木工程的特点，编制了适合土木工程的材料模块，实现了上述工程的非线性分析。对结构性能的评估，特别是罕遇地震下的评估《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）是通过最大弹塑性层间位移角来判断，但限制结构的最大弹塑性层间位移角还不足以保证达到防倒塌的抗震设计目的。结构构件的破坏(以结构构件的弹塑性变形来衡量)也必须被限制在可接受的规定限值以内，以保证结构构件仍有能力承受地震结束后作用在结构上的重力荷载。因此需引入构件变形和结构总体变形的双控制。在构件变形的限制值上FEMA356和ATC40给出了详细的指标。并按照四个等级进行评判：不屈服(Elastic)、立即入住(IO,ImmediateOccupancy)、生命