随着建筑结构抗震设计理论的发展, 及人们对地震特性和结构动力特性理解的不断深入, 基于性能的抗震设计理论成为建筑结构抗震设计的一个新的重要发展。基于性能的抗震设计方法使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡, 强调性能目标的深入分析和论证, 有利于针对不同设防烈度、场地条件及建筑的重要性采用不同的性能目标和抗震措施。与此同时, 结构弹塑性分析可以较为真实地模拟结构在地震作用下的响应, 可以获得结构在强震作用下的损伤情况和薄弱环节, 为结构基于性能的抗震设计提供重要手段^[1]。

　　 本工程位于成都市新都区, 地上42层, 地下3层, 裙房6层, 结构总高度为176.10m, 地上总建筑面积约为6.9万m²。抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度值为0.1g, 设计地震分组为第二组, 场地类别为Ⅱ类, 场地特征周期为0.4s, 属于标准设防类, 丙类建筑。塔楼标准层平面布置图及裙房层平面布置图如图1, 2所示。结构特性如下:

　　 (1) 塔楼位于裙房的西南角, 略有偏置, 塔楼与裙房之间不设缝, 造成裙房下部楼层的刚心相对于塔楼上部楼层质心的偏置, 裙房楼层的质心与其本身的刚心偏置。这些刚心、质心的偏离会对结构造成不利的扭转影响。

　　 (2) 由于建筑立面要求, 结构顶部内收, 需进行转换。41层 (166.50m) 外圈框架柱内收, 40层层高为4.8m, 内收尺寸为1.5m, 采用劲性框架加钢斜撑转换, 如图3所示。其中, 钢支撑采用两端铰接, 保证只传递轴向力作用, 钢支撑下端节点与39层梁柱节点相交, 上端节点位于内收框架柱正下端, 使得钢支撑的水平推力由上、下层楼盖承担。另外, 43层大屋面 (176.10m) 外圈构架柱内收, 42层层高为4.8m, 内收尺寸为1.8m, 采用劲性托梁转换。高位转换层对结构安全较为重要, 应采取有效措施保证转换层的安全性能。

　　 该结构存在的超限情况主要有:高度超限以及扭转不规则、高位转换等多种不规则。

　　 (1) 高度超限:本工程上部结构采用框架-核心筒结构, 结构总高度为176.10m。根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[2] (简称抗规) 和《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[3] (简称高规) , 本工程结构高度为B级高度。

　　 (2) 不规则项判别:对照《上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则》[沪建 (2003) 702号]附录1判别结构的不规则项, 具体如表1所示。

　　 本次设计针对结构的以上特点, 提出以下主要应对措施:

　　 (1) 针对扭转不规则:控制第1扭转周期与第1平动周期比, 使之小于0.85。

　　 (2) 针对转换竖向不规则:1) 对于塔楼顶部44层 (大屋面上层) 外圈构架柱内收, 采用型钢转换梁转换;2) 对于41层外框柱内收, 采用劲性框架加钢斜撑转换, 转换节点如图3所示;3) 转换层楼板加厚为150mm, 钢筋双层双向拉通配置;4) 转换层相关构件采用MIDAS/Gen软件进行中震、大震作用下的结构性能复核。

　　 (3) 针对高度超限:1) 主楼75.30m标高以下框架柱, 采用型钢混凝土柱加强;2) 核心筒的4个角部通高设置型钢。

　　 (4) 对结构柱、剪力墙截面及混凝土强度等级的变化进行合理调配, 力求结构侧向刚度及抗侧承载力由下至上均匀递减。

　　 (5) 对刚度及抗侧承载力变化较大的部位适当加强, 如楼板加厚, 配筋增大。

　　 (6) 由于结构高度超限且核心筒外墙中的小墙肢较多, 采用MIDAS/Gen软件进行底部剪力墙的抗剪及抗拉承载力验算。

　　 基于上述情况, 本结构属于“房屋高度超过A级高度, 不规则的程度超过现行标准的限值较少”的情况, 综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型和不规则性、建筑使用功能和附属设施功能的要求、震后损失和修复难易程度等各项因素, 选用高规第3.11.1项中的性能目标D (同时参照抗规性能4) 进行设计。为明确该工程各项设计指标, 对于本工程, 除了按照上述原则进行设计外, 增加中震水准下的结构性能要求, 对抗震设防性能目标进行细化, 如表2所示。

　　 中震分析一般针对关键构件或局部部位, 采用SATWE程序按中震不屈服或中震弹性对地震参数及调整系数进行调整, 采用CQC方法进行计算及配筋复核, 以达到预设的性能目标。同时, 也可采用静力弹塑性分析 (Pushover Analysis) 方法, 进行中震下的推覆分析, 再根据结构的地震响应、位移、出铰情况及出铰顺序, 判别中震下的结构性能。分析中建立的有限元模型如图4所示。

　　 本项目中, 中震推覆分析计算方法及设计过程基本与大震下静力弹塑性分析方法一致, 将在第4节进行详细叙述, 此处不再赘述, 本节就设防烈度地震作用下转换层的验算结果进行介绍。通过分析, 分别得到转换层 (39~41层) 各构件在中震下的塑性铰分布及单元屈服状态, 从整体结构的中震计算结果可以看出, 结构上部转换层在中震作用下基本不屈服, 仅有少量 (约2%) 剪力墙及连梁出现屈服, 转换层可以基本实现不屈服。

　　 在推覆分析中, 当结构构件受力超过其屈服强度时, 即认为产生塑性铰。根据结构构件的受力和破坏特性, 对结构的框架梁、连梁、柱、剪力墙分别定义塑性铰特征值, 如表3所示。塑性破坏的判别基于ATC-40报告^[4], 将结构可能出现的状态分为IO (Immediate Occupancy) , LS (Life Safety) , CP (Structure Stability) 等状态, 分别表示立即使用、生命安全及建筑物不倒塌^[5]。

　　 结合本工程的结构特点, 对该结构模型进行单调加载的推覆分析。根据ATC-40报告^[4]以及国内外相关文献的论证, 模态分布的分析结果通常更接近实际情况^[6]。因而, 本次分析的侧向力分布模式采用模态分布进行加载;并采用倒三角分布加载对结果进行复核^[7,8]。取重力荷载代表值 (1.0恒载+0.5活载) 作为初始荷载, 在此基础上对结构进行侧向加载, 并对目标位移进行控制。

　　 限于篇幅, 这里仅介绍X向模态 (Y向在两种荷载作用下符合较好) 分布推覆方式下的分析结果。通过分析, 得到结构模型在X向模态分布侧向推覆下的能力谱及需求谱曲线, 如图5所示。X向模态分布及倒三角分布侧向推覆下性能点时刻 (Performance Point, 以下简称PP) 的结构响应及动力特性如表4所示。

　　 由表4可以看出, 两种加载模式下结构的响应相差不大, 表明假定的荷载分布形式与地震作用的实际情况较为符合, 能较好地反映结构在实际地震作用下的惯性力分布形式及动力响应。

　　 由图5可以看出, 结构能力谱具有明显的屈服平台, 并与需求谱存在交点, 即性能点。说明该结构在大震下, 具有较好的抗震性能。此外, 该结构在罕遇地震性能点时刻处的顶点位移分别为D=0.922 6m, 1.227m<176.10m/100=1.761m (此时结构总高度取混凝土结构大屋面高度) , 因而满足顶点位移弹塑性变形的极限要求。

　　 通过计算得到, 该结构在X向模态分布、倒三角分布推覆下的最大层间位移角分别为1/147 (18层) , 1/122 (47层) , 均小于预设的弹塑性层间位移角限值1/100;结构底层最大层间位移角分别为1/949, 1/1 071, 均小于所设定的1/350的性能目标。表明该结构的层间位移角满足弹塑性极限要求。

　　 参照FEMA塑性特征 (表3) , 结构性能点时刻各构件塑性铰的出铰深度分布情况如表5所示, 转换层及底部加强区剪力墙等关键部位的塑性铰分布及单元屈服状态情况如图6, 7所示。

　　 通过分析可知, 在罕遇地震性能点时刻, 主要结构构件处于下述性能水准:

　　 (1) 剪力墙仅小部分进入屈服, 均为受弯屈服及受压屈服, 未出现受剪屈服, 且出铰深度较浅, 塑性铰的出铰深度均处于B~IO阶段。

　　 (2) 框架柱仅有部分进入屈服, 均为受弯屈服, 未出现受剪屈服。

　　 (3) 一定数量的连梁及框架梁出现不同程度的屈服, 均为受弯屈服, 连梁出铰深度多处于B~LS阶段。连梁和框架梁形成了铰机制, 符合屈服耗能的抗震工程学概念。

　　 综合以上分析结果, 大部分核心筒剪力墙、框架柱在大震作用下处于弹性阶段, 少量屈服;一定数量的连梁及框架梁能进入屈服阶段耗散地震能量, 结构的整体性能满足防止倒塌 (CP) 的要求。

　　 本文结合某超高层框架-核心筒结构项目, 探讨了抗震性能化设计的基本方法。根据现行规范、设防类别、场地条件、结构类型和不规则性等因素, 确定了结构的抗震性能目标及设计指标, 并运用有限元分析程序, 分别进行了弹性反应谱, 中震、大震下的静力推覆等分析, 各项指标均能满足预设的结构抗震性能设计指标。分析结果表明, 本工程结构布置合理, 抗震措施恰当, 达到了预定的抗震性能目标。

　　 同时, 通过采用基于性能的抗震设计方法, 使得超限高层建筑的设计有了更具体的总体分析目标, 使不同重要级别的构件在各三水准阶段的受力有了更详细的要求, 有助于准确把握超限高层建筑实际的受力状态和变形性能, 避免设计误区, 使结构具有合适的承载力、良好的延性和可靠性。