基于性能的抗震设计方法在某复杂超高层结构中的应用研究

介绍基于性能抗震设计的方法及其在高层建筑发展

第25卷第9期 Vol.25 No.9 2008年 9 月 Sep. 2008 文章编号：1000-4750(2008)09-0093-07

工 程 力 学 ENGINEERING MECHANICS

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基于性能的抗震设计方法 在某复杂超高层结构中的应用研究

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邹 昀1，吕西林2，朱杰江2

(1. 江南大学环境与土木工程学院，江苏，无锡 214122；2. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092)

摘 要：现代高层建筑向着多功能、多用途及造型新颖方向发展，结构体系日益复杂和多样化。该文以一幢设有带状桁架和伸臂桁架的超高层巨型结构体系为研究对象，将基于性能的设计方法应用于对该复杂结构体系的抗震性能评估中。提出了7度多遇、基本、罕遇和8度罕遇烈度地震作用下的性能目标，进行了整体结构模型的振动台试验和弹塑性时程分析，以及关键节点的试验和有限元分析。理论分析与试验结果相互验证、相互补充。综合研究表明这一结构体系抗震性能良好，能够满足不同地震水准作用下的抗震要求。

关键词：基于性能的抗震设计；复杂高层结构体系；振动台试验；弹塑性时程分析；节点试验 中图分类号：TU973+.31 文献标识码：A

APPLICATION STUDY OF PERFORMANCE-BASED ASEISMIC DESIGN

TO A COMPLICATED SUPER TALL BUILDING STRUCTURE

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ZOU Yun1 , LU Xi-lin2 , ZHU Jie-jiang2

(1. School of Environmental and Civil Engineering, Southern Yangtze University, Wuxi, Jiangsu 214122, China; 2. State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 20092, China)

Abstract: Nowadays structural systems become more complicated with the need of more muti-functions and peculiar aesthetic views. A mega-structure with belt trusses and outrigger trusses is therefore studied. The method of performance-based aseismic design is utilized to evaluate its seismic behavior. The aseismic performance design objectives and corresponding parameters are proposed for the structure under various seismic loadings from frequent earthquake of intensity 7 to rare earthquake of intensity 8. A shaking table model test, the nonlinear time history analysis, tests and stress distribution analyses of important joints have been made. Experimental and analytical studies are verified and complemented each other. Obtained results demonstrate that the structural dynamic performance meets the design requirements.

Key words: performance-based seismic design; complicated high rising structural system; shaking table test; nonlinear time history analysis; joint test

近十年来，国内、外高层建筑迅速发展，现代高层建筑向着多功能、多用途及造型新颖方向发展。结构平面布置和体型日益复杂，结构体系也日

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收稿日期：2007-01-22；修改日期：2007-06-04

基金项目：国家自然科学基金重点项目(50338040)；国家自然科学创新研究群体项目(50321803)

作者简介：*邹 昀(1967―)，女，淮南市人，副教授，博士，从事结构工程研究(E-mail: zouyun_22@http://)；

吕西林(1955―)，男，岐山县人，教授，博士，博导，长江学者，同济大学结构工程与防灾研究所所长，从事结构抗震研究

(E-mail: lxlst@http://)；

朱杰江(1963―)，男，常州市人，教授，博士，从事结构优化研究(E-mail: zhujjt@http://).

益多样化。目前，带加强层、转换层、错层结构、多塔楼结构等高层建筑的工程实例较多。因此，对抗震设计提出了更高要求。

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基于性能的抗震设计[1]是近年来国际地震工程领域的一个热点，代表了未来结构抗震设计的发展方向。主要包括地震风险水平的确定、场地确定、性能水平和目标的选择、对结构进行性能评估等内容。从某种意义上讲，我国现行《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)[2]提出的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防和二阶段抗震设计的思想已经包含了某些基于性能的设计思想，但它是以保证人的生命安全为目标的抗震设防准则。据此设计的建筑在罕遇地震下可以避免倒塌而不危及人的生命安全，但地震所造成的经济损失即建筑使用功能丧失和震后恢复重建费或所花费的时间可能大大超过社会和业主所能承受的限度，而且现行的规范还没有形成一套较为完整的性能抗震设计的体系，性能目标和性能水准等一些指标还没有定量化[3]。

本文以上海市一幢有带状桁架、伸臂桁架等结加强层的超高层巨型结构体系为研究对象，提出了高于规范并比规范更具体的目标要求，并进行了一系列的试验和理论研究工作，旨在运用不同手段和方法，检验结构整体和关键部位是否满足性能目标的要求。研究包括整体结构的振动台试验、自编了弹塑性时程分析软件并利用此软件进行了结构的弹塑性时程分析、关键节点的静力试验和节点应力的ANSYS分析，试验与理论结果相互验证和补充。综合各项研究结果，对该结构体系进行了综合评价[4]。

1) 采用三重结构体系抵抗水平荷载，分别是由巨型柱、巨型斜撑以及带状桁架构成的三维巨型框架结构、钢筋混凝土核心筒结构以及构成核心筒和巨型结构柱之间相互作用的伸臂钢桁架，这三重结构体系位置关系见图2。

Fig.2 Three parallel structural systems

2) 沿建筑高度方向每间隔12层布置了一道带状桁架，把楼面周边钢柱的荷载传递给建筑四角的巨型柱中。

3) 沿建筑高度布置了三道伸臂桁架，构成核心筒和巨型结构柱之间的相互作用。三道伸臂桁架分别设置在28层―31层、52层―55层和88层―91层。伸臂桁架均未在核心筒内贯通，而是一端连接在巨型柱上，另一端与埋置在核芯筒内的周边钢桁架连接，周边桁架与伸臂桁架在相同楼层处设置，作为伸臂桁架的支座。

1 结构体系特点

该建筑地面以上101层，地下3层，结构高度492m，建筑平面为57.95m×57.95m的正方形，如 图1

所示。该结构布置具有以下主要特点：

Y

X

2 抗震性能目标

根据《建筑抗震设防分类标准》(GB50223)[5]，该工程的抗震设防类别划分为乙类，工程所处地区中国上海市的抗震设防烈度为7度。上海属软土地基，场地类别为Ⅳ类，所对应的场地特征周期为0.9s。综合考虑场地特征、结构功能与重要性及业主的要求，故确定抗震性能目标如下：

1) 7度多遇地震作用下：结构无损伤，结构处于弹性状态。具体要求是：层间位移角不大于1/500，混凝土构件不出现裂缝；钢筋应力和钢构件应力远

X Y

未达到屈服，混凝土压应力不超过抗压强度的1/2。

2) 7度基本地震后，结构有轻微损伤，结构基本处于弹性状态。具体要求是：结构动力特性与弹

图1

标准层结构平面 Fig.1 Typical

structural floor

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