韓 杰

鹽城市規(guī)劃市政設(shè)計院有限公司，江蘇 鹽城 224001

0 引言

基于性能的抗震設(shè)計是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的一個重要發(fā)展，與傳統(tǒng)的“三水準(zhǔn)、二階段”設(shè)計相比，基于性能的抗震設(shè)計從宏觀定性的目標(biāo)轉(zhuǎn)為具體量化的多重目標(biāo)，對不同的設(shè)防烈度、場地條件及建筑的重要性可采用不同的性能目標(biāo)和抗震措施，業(yè)主(設(shè)計師)選擇所需的性能目標(biāo)，并對性能目標(biāo)作深入分析和認(rèn)證。這里的性能目標(biāo)是針對結(jié)構(gòu)體系的，是綜合考慮社會的經(jīng)濟(jì)水平、建筑物的重要性以及建筑物造價、保養(yǎng)、維修和可能遭受地震作用下的直接和間接損失來優(yōu)化確定的，目標(biāo)就是在結(jié)構(gòu)的整個生命周期內(nèi)總費(fèi)用最小。性能目標(biāo)確定后，設(shè)計師可創(chuàng)造性的進(jìn)行設(shè)計，利用新技術(shù)、新材料，結(jié)合新工藝、新方法，最終完美實現(xiàn)預(yù)定設(shè)計目標(biāo)。代表未來設(shè)計方向的基于性能的抗震設(shè)計思想正逐步在我國超限高層建筑中嘗試運(yùn)用[2]。毋庸置疑，帶轉(zhuǎn)換層高層建筑工程設(shè)計適宜采用基于性能的抗震設(shè)計方法。

1 帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)采用基于性能抗震設(shè)計思想的設(shè)計方法

1.1 建筑結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的性能目標(biāo)指某一設(shè)定的地震地面運(yùn)動下建筑結(jié)構(gòu)的預(yù)期性能水準(zhǔn)。通常，結(jié)構(gòu)的抗震性能可分為表1所示幾個水準(zhǔn)。

性能水準(zhǔn) 人員安全與使用情況、結(jié)構(gòu)破壞情況1a 人員安全可立即使用，結(jié)構(gòu)完好無損傷1b 人員安全，個別構(gòu)件稍加修理即可使用，結(jié)構(gòu)基本完好2 重要構(gòu)件完好，部分選定的延性構(gòu)件出現(xiàn)明顯裂縫，修理后使用3 重要構(gòu)件輕微損傷，部分選定的延性構(gòu)件屈服，修理并采取安全措施后使用4多數(shù)構(gòu)件屈服，部分構(gòu)件嚴(yán)重?fù)p壞，但結(jié)構(gòu)不倒塌，不危及生命多數(shù)構(gòu)件輕微破壞，部分構(gòu)件屈服，經(jīng)修理加固后使用，人員不能安全出入5

對于每個建筑物，可根據(jù)具體的設(shè)防烈度、場地條件、房屋高度、不規(guī)則的部位和程度以及業(yè)主的經(jīng)濟(jì)實力，選擇結(jié)構(gòu)在3個水準(zhǔn)地震下的性能水準(zhǔn)，從而實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。表2為一些可供選擇的性能目標(biāo)方案。

地震水準(zhǔn) 結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)1a 1b 2 3 4 5第一（小震） ABCDE - - - - -第二（小震） A B C D E -第三（小震） - A B C D E

性能目標(biāo)A，小震和中震均滿足性能水準(zhǔn)1a，大震滿足性能水準(zhǔn)1b，整體結(jié)構(gòu)完好。

性能目標(biāo)B，小震滿足性能水準(zhǔn)1a，中震滿足性能水準(zhǔn)1b，大震滿足性能水準(zhǔn)2，整體結(jié)構(gòu)基本完好。

性能目標(biāo)C，小震滿足性能水準(zhǔn)1a，中震滿足性能水準(zhǔn)2，大震滿足性能水準(zhǔn)3，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞。

性能目標(biāo)D，小震滿足性能水準(zhǔn)1a，中震滿足性能水準(zhǔn)3，大震滿足性能水準(zhǔn)4，結(jié)構(gòu)中等破壞。

性能目標(biāo)E，小震滿足性能水準(zhǔn)1a，中震滿足性能水準(zhǔn)4，大震滿足性能水準(zhǔn)5，結(jié)構(gòu)損壞但不危及生命安全。

1.2 帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)的選取

選擇合適的性能目標(biāo)是基于性能的抗震設(shè)計理論的核心內(nèi)容。性能目標(biāo)選取的依據(jù)是“投資-效益”準(zhǔn)則，即在社會的經(jīng)濟(jì)水平、地區(qū)差異、建筑物重要性及其造價、保養(yǎng)、維修和可能遭受地震作用下的直接和間接損失、可接受人員的傷亡程度等多種因素綜合考慮的基礎(chǔ)上費(fèi)用最小，其關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和經(jīng)濟(jì)性的合理平衡。震害經(jīng)驗及試驗和理論研究表明，在中震、大震下，結(jié)構(gòu)既具有合適的承載力又能發(fā)揮一定的延性性能是比較合適的，對于帶轉(zhuǎn)換層的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)，一般情況下可選用性能目標(biāo)“C”、“D”、“E”，這3種目標(biāo)的具體選用還應(yīng)結(jié)合前述多種因素，結(jié)合選用的結(jié)構(gòu)體系本身的合理性和結(jié)構(gòu)新材料、新技術(shù)的應(yīng)用等等因素綜合考慮。

1.3 帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)采用基于性能抗震設(shè)計思想的設(shè)計方法

在基于“投資-效益”準(zhǔn)則的結(jié)構(gòu)最優(yōu)目標(biāo)性能水平確定的基礎(chǔ)上，控制結(jié)構(gòu)造價是結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)化設(shè)計的第二個關(guān)鍵。具有很高冗余度的建筑結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系的特性要比結(jié)構(gòu)構(gòu)件的特性重要的多。因此，在具體設(shè)計中如何考慮結(jié)構(gòu)體系的特性是一個非常關(guān)鍵的問題。作者認(rèn)為，對于諸如帶轉(zhuǎn)換層等復(fù)雜高層建筑，可按下述3個步驟來進(jìn)行抗震性能優(yōu)化設(shè)計：

1）結(jié)構(gòu)總體方案的優(yōu)化選擇。在與建筑充分協(xié)商配合，保證建筑功能、建筑效果的基礎(chǔ)上，采取合理的結(jié)構(gòu)體系，盡可能使結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置在平面內(nèi)均勻、豎向連續(xù)。因建筑功能需要而豎向必須轉(zhuǎn)換的，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系應(yīng)充分保證其豎向承載力，保證足夠的延性，避免剛度突變。

2）轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系確定后，根據(jù)所采用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的特點，分析確定該部位結(jié)構(gòu)抗震性能和總體結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)系，保證轉(zhuǎn)換部位抗震性能優(yōu)于整體結(jié)構(gòu)抗震性能。兩者的失效概率應(yīng)處于一個合適的比例，不會因轉(zhuǎn)換構(gòu)件先失效而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)破壞。

3）各構(gòu)件性能設(shè)計，包括承載力設(shè)計和延性設(shè)計，也即配筋計算和構(gòu)造措施。怎樣把基于性能抗震設(shè)計理念合理并且簡單實用地應(yīng)用到實際設(shè)計中，目前理論界主要有兩種方法，一是基于位移的抗震設(shè)計方法；二是基于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，不論是哪一種，相對于傳統(tǒng)抗震設(shè)計，基于性能的抗震設(shè)計對于結(jié)構(gòu)計算分析要求更為詳盡，從結(jié)構(gòu)總體承載力、變形、屈服機(jī)制、屈服后性能到各構(gòu)件尤其是轉(zhuǎn)換構(gòu)件承載力、變形等均應(yīng)建立在合理分析精確計算的基礎(chǔ)上。

2 工程實例

2.1 工程概況

本市某高層雙塔住宅樓，地下一層，地上二十一層。一、二層為大底盤商場及會所，夾層為非機(jī)動車停車庫，二層以上為高層住宅。該工程始建于2003年，設(shè)計采用了大柱網(wǎng)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。因規(guī)劃調(diào)整等原因，工程進(jìn)展至地下室完工后擱置。2005年，開發(fā)商根據(jù)市場需求重新設(shè)計了戶型。為滿足建筑新要求，上部結(jié)構(gòu)改為小柱網(wǎng)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換部位上下層結(jié)構(gòu)平面如下圖 1、2。

圖1 轉(zhuǎn)換部位上層(三層)結(jié)構(gòu)平面

圖2 轉(zhuǎn)換部位下層(二層)結(jié)構(gòu)平面

2.2 性能目標(biāo)的選擇和性能設(shè)計

該工程為7度設(shè)防的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)高層民用住宅，房屋高度、高厚比及不規(guī)則性均不超過規(guī)范限值，由此，結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)選定為“E”，即中震下部分構(gòu)件屈服，大震下多數(shù)構(gòu)件屈服。剪力墻抗震等級為二級，框架抗震等級為二級，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)適當(dāng)加強(qiáng)。該工程結(jié)構(gòu)體系的特性是帶有轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗震性能的優(yōu)劣直接影響了整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，所以，轉(zhuǎn)換層的性能設(shè)計是該工程抗震性能設(shè)計的關(guān)鍵。

為保證轉(zhuǎn)換層的抗震性能，首先應(yīng)合理選擇轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)體系。一方面確保有效地傳遞上部建筑傳來的巨大自重和活荷載；另一方面滿足設(shè)計規(guī)范對側(cè)向荷載和抗震動等力的要求。與此同時，充分利用轉(zhuǎn)換層空間，提高使用效率，節(jié)約投資也應(yīng)認(rèn)真考慮。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)常見的型式主要有:深梁式、平板式、箱梁式、桁架式等等，這些型式都有各自的優(yōu)缺點，適合不同的情況使用，應(yīng)具體工程具體分析。在本工程中，因應(yīng)建筑戶型調(diào)整，結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)改變。經(jīng)與業(yè)主和建筑師協(xié)商，將下部結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件（框柱、剪力墻）全部延續(xù)到上部，這樣最大限度地保證了結(jié)構(gòu)抗震性能合理。對于幾榀邊框梁上抬柱，在綜合比較上述各種轉(zhuǎn)換體系的優(yōu)劣，結(jié)合業(yè)主對轉(zhuǎn)換層景觀及使用（轉(zhuǎn)換層要求能通透）的要求，確定采用桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系。與其它幾種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)相比，桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)性能優(yōu)點明顯：節(jié)省材料和成本，通風(fēng)采光良好，轉(zhuǎn)換層利用率高，且不會發(fā)生突然的破壞過程。作為整體結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵點，設(shè)計要求轉(zhuǎn)換層中震彈性，位移也應(yīng)從嚴(yán)控制。

2.3 結(jié)構(gòu)的計算和構(gòu)造

具有較好抗震性能的桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是一種輕型的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換體系，與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)概念不同的是，這里的桁架桿系不是只有軸向拉壓力，而是每一個桿件和節(jié)點都可能存在拉壓、彎、剪、扭等各種復(fù)雜的受力和傳力特性。為能較好的解決這個輕型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換體系復(fù)雜內(nèi)力，該工程設(shè)計時在計算和構(gòu)造上采取了下列幾個措施。

2.3.1 結(jié)構(gòu)計算

首先采用目前國內(nèi)最通用的標(biāo)準(zhǔn)軟件SATWE進(jìn)行規(guī)范規(guī)定的計算，即小震彈性計算。計算中為克服軟件自身的不足，對轉(zhuǎn)換層樓板和桁架桿件剛度作了合理調(diào)整。從計算結(jié)果來看，本工程的抗側(cè)剛度與扭轉(zhuǎn)剛度比例合理，柱、墻分別承擔(dān)的抗傾覆彎矩比例合適。除了屋面塔樓與轉(zhuǎn)換部位，地震反應(yīng)力曲線連續(xù)平滑，符合框剪結(jié)構(gòu)的受力特征。

其次，考慮到該工程設(shè)計時SATWE軟件非線性靜力分析功能（施工模擬加載）的欠缺，將轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)獨(dú)立計算，所得柱底力作用于桁架上按結(jié)構(gòu)力學(xué)原理手算，確保常態(tài)下桁架安全。

第三，進(jìn)行結(jié)構(gòu)中震計算，著重考察轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件和轉(zhuǎn)換層相對層間位移。計算結(jié)果表明，各轉(zhuǎn)換桁架構(gòu)件中震下均未屈服，轉(zhuǎn)換層相對層間位移X向為1/323，Y向為1/357，均小于輕微破壞1/200的標(biāo)準(zhǔn)，保證中震彈性。

2.3.2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施

桁架中既有拉桿又有壓桿，還有在地震作用下可能出現(xiàn)拉壓力轉(zhuǎn)變的桿件。為了減緩在復(fù)雜受力下桿件裂縫的開展，提高桁架的延性，在轉(zhuǎn)換層部位采取了一系列針對性構(gòu)造措施：

1）桁架采用摻量為1.2%的鋼纖維混凝土澆筑；2）轉(zhuǎn)換桁架上下弦桿平面內(nèi)樓板加厚加強(qiáng)；3）下弦桿兩側(cè)各600mm寬范圍板面板底配置抗拉鋼筋；4）弦桿、腹桿交接處加腋。這些措施消除了應(yīng)力集中，提高了延性，保證了節(jié)點區(qū)承載力，同時減緩了桿件裂縫開展。

2.4 轉(zhuǎn)換層實體監(jiān)測及結(jié)果分析

正如前文所述，本工程在設(shè)計時作了充分的計算和分析，轉(zhuǎn)換層采取了多項保證措施。但是，理論分析總是在理想化的模型和一定假設(shè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，理論分析替代不了實測，實測既可驗證理論分析，更可直觀發(fā)現(xiàn)問題，判斷問題。實測和試驗也是性能設(shè)計的一個顯著特點。

我們要求的第三方監(jiān)測主要內(nèi)容是： 1）綜合沉降監(jiān)測、不均勻沉降監(jiān)測；2）關(guān)鍵部位的鋼筋應(yīng)力，混凝土內(nèi)部及表面的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，相應(yīng)的梁柱交接點、斜撐、下弦桿和混凝土表面4種不同類型的應(yīng)力應(yīng)變計預(yù)埋監(jiān)測。測試數(shù)據(jù)表明，測試期間大樓整體穩(wěn)定，沉降和不均勻沉降量很小，鋼筋和混凝土的應(yīng)力應(yīng)變值都在預(yù)期允許的范圍內(nèi)，各種監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系正常。

測試表明：在桁架轉(zhuǎn)換層體系中，除柱、梁、撐等交接點受復(fù)雜的三維應(yīng)力作用外，所有的桁架桿件，也都不再是簡單的拉壓構(gòu)件，它包含有彎矩、偏心，甚至因地基與樁基的沉降及不均勻沉降，建筑物形心和重心的不相重合都會引起附加的平面內(nèi)及平面外彎曲和扭轉(zhuǎn)，這些因素相互耦合在一起，使結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)與預(yù)定的計算狀態(tài)有一定的偏差，因此，要消除各種附加因素的不利影響，合理設(shè)計、施工精心、加強(qiáng)監(jiān)測都是必不可少的。

3 結(jié)論

基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，規(guī)范給出的第一類目標(biāo)性能水平是抗震設(shè)計所有結(jié)構(gòu)都必須遵循的最低要求，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的“共性”，而根據(jù)結(jié)構(gòu)的用途及業(yè)主的特殊要求，由設(shè)計師和業(yè)主共同研究制定的第二類目標(biāo)性能水平是針對具體結(jié)構(gòu)的，可以因結(jié)構(gòu)而異，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的“個性”。在“投資-效益”準(zhǔn)則基礎(chǔ)上，考慮結(jié)構(gòu)“共性”與“個性”的基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，是基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的特點，有別于以保障生命安全為目標(biāo)的傳統(tǒng)設(shè)計，具有明顯的優(yōu)點。

基于性能的抗震設(shè)計強(qiáng)調(diào)具體工程性能水準(zhǔn)的判別、性能目標(biāo)的選用和深入仔細(xì)的分析，在諸如帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)之類復(fù)雜高層建筑設(shè)計中采用該種設(shè)計理念和方法是可行的。