高层建筑结构性能化设计方法及其在软件中的实现

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【摘要】随着结构计算理论的成熟和软件计算手段的完善，高层建筑结构的性能化设计不断提上日程并应用于实际工程中。新的《建筑抗震设计规范》更是进一步明确了高层建筑结构弹塑性分析的应用范围，并将结构抗震性能化设计方法写入规范中以做指导。本文依托现行规范，对高层建筑结构性能化设计的理论和实际操作进行探讨，并就性能化设计的实现手段做一些介绍。

【关键词】高层建筑；建筑结构；抗震设计；弹塑性分析；性能化设计

中图分类号：TU97文献标识码： A 文章编号：

一.前言

随着商业的日趋发达，城市的土地资源越来越紧张，这迫使建筑不断寻求向高层超高层发展；另一方面，施工技术的发展也使这种需求成为可能。但是，地震这种破坏性力量也如影随形，时刻威胁着人类的生命与投资。这对矛盾在某种程度上的化解就需要结构设计师在设计阶段对结构在地震下的抗震性能做充分的分析和性能评估，从而使建筑真正在不同水准地震来临时达到我们预设的性能，保障生命的安全，使投资损失及修复费用最小。

二、现行规范高层建筑结构抗震性化设计的内容

在我国现阶段，高层结构抗震设计可归结为“三水准两阶段设计”，即在小震下结构满足承载力要求，构件处于弹性阶段；在中震下，在小震分析的基础上通过构造要求满足抗震需求；在高于本地区抗震设防烈度的罕遇作用下，通过控制结构和构件的弹塑性变形来达到抗震要求。该方法对于理解和控制不同荷载水平下的结构行为有所欠缺，结构性能化设计方法正是在此背景下不断发展起来，其思想也在最新的《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》和《建筑抗震设计规范GB50011-2010》中得到体现。

高层建筑结构进行抗震性能化设计首先要选用适宜的结构抗震性能目标，结构抗震性能目标确定的依据是综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等技术因素和经济因素。目标分为A、B、C、D四个等级，可在整个结构和构件两个层次上设定。根据结构和构件在地震作用下的损坏程度，结构抗震性能分为1、2、3、4、5五个水准，每个性能目标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能目标相对应。

三、高层结构抗震性能设计的方法

不同抗震性能水准的结构，除第1性能水准可应用弹性方法设计外，其它四个水准的结构均需进行弹塑性计算分析。结构弹塑性分析法分为静力弹塑性分析和动力弹塑性分析两类。静力弹塑性分析方法，也称Pushover分析法，是基于性能评估现有结构和设计新结构的一种方法，其分析模型是结构在一个沿高度为某种规定形式分布且逐渐增加的侧向荷载或侧向位移作用下，结构的某控制点达到目标位移或结构倾覆为止。这种方法将实际结构多自由度体系弹塑性反应用单自由度体系的反应来表达，从而建立一种大震下结构抗震性能的快速评估方法。该方法主要包含两方面内容：一是计算结构的能力曲线；二是计算结构的目标位移，然后对结果进行评价。在结构推覆的过程中，结构构件的内力和变形可以计算出来，通过观察其全过程的发展变化，可以判别结构和构件的破坏形态。在大震下，结构处于弹塑性工作状态，目前的承载力设计方法，不能有效估计结构在大震作用下的工作性能。Pushover分析可以估计结构和构件的非线性变形，结果比承载力更接近实际。Pushover分析相对于非线性时程分析，可以获得较为稳定的分析结果，减少分析结果的偶然性，同时大大节省分析时间和工作量。

Pushover分析具有一定的适用范围，它是一种静力分析，主要考虑侧向荷载作用平面内的响应，并由此判断结构的屈服状态。Pushover分析只考虑了结构第一振型的动力特性，对于高阶振型比较敏感的结构或平面布置复杂而产生较大偶然偏心的结构，采用Pushover分析的结果就不合适的。这时就需要进行动力弹塑性分析

动力弹塑性分析通过输入地震时程波，能够考虑计算结构在整个地震作用过程中每一个时刻的内力和变形状态值，赋予结构非线性属性后，可以给出结构在罕遇地震作用下构件屈服顺序，发现应力和塑形变形集中的部位，给出整个结构的屈服机制，从而对关键部位进行调整和加强，这也是性能设计的意义。

弹塑性分析一项很重要的工作是将非线性属性赋予结构，通常用塑性铰来模拟框架类单元的非线，剪力墙则用分层壳或纤维铰单元来模拟。。通常实际工程的结构单元众多，弹塑性分析需要占用的计算资源很大，计算时间也较长，因此分析前工程师需要判断可能出现的薄弱部位，并赋予其塑形单元，而不是对所有构件单元都指定塑性铰或纤维铰。

四、高层建筑结构性能化设计在软件中的实现

高层建筑结构的性能化设计需要借助强大的软件工具来完成，当前结构设计中常用的软件有两款：ABAQUS和PERFORM 3D，前者做非线性分析通用性强，后者则是以结构工程基本概念为基础，以结构构件的力学性能设定为前提，通过结构分析手段来得到整体结构的性能状态，符合工程师对结构性能的理解，其分析结果易于用结构概念和试验来进行验证。因此，基于其独特的优势，PERFORM-3D在国内超限高层结构设计、分析与校核领域已得到广泛应用。本文以PERFORM 3D在性能设计和性能评估中的应用为例对结构性能化设计方法做一阐述。

应用PERFORM 3D分析设计分为几个步骤，一是应用软件进行非线性建模，二是定义性能指标和极限状态，最后运行分析并对分析结果所体现的结构性能状态进行分析与评估，对结构方案的调整或加强做出判断。

PERFORM-3D关于结构非线性机制的模拟，提供了丰富的模型。常用的梁柱构件的非线性模拟有两种模拟方法，一种是集中塑形铰方法，此处塑形铰无默认形式，需要人工输入刚度，强度和变形能力等骨架曲线；另一种是采用纤维截面来模拟。PERFORM-3D的梁柱单元模型均是将非线性机制组装而成，能同时考虑弯曲、剪切、拉压破坏或弯曲与拉压的耦合破坏。对于剪力墙构件单元，一些结构通用软件中一般采用壳单元来模拟，如SAP2000中对剪力墙的处理。对于钢筋和混凝土的非线，分层壳在物理机制上较为符合实际，目前在工程中应用较为广泛。PERFORM-3D中根据剪力墙变形、受力特点，通过定义纤维截面来模拟弯曲和轴力特性，钢筋与混凝土的性能分开考虑，剪切特性则通过定义一种剪切材料来模拟。

结构性能水准是指建筑在某一特定抗震设防水准下预期损伤的最大程度，如结构或非结构破坏、结构功能失效造成的后果等都是建筑性能水准的表现。在PERFORM-3D中，用户可以根据结构的安全性和使用功能需要，在截面、构件和机构等层次自定义性能水准，作为评估结构性能的指标。这些性能水准，用户可以赋予其相应的物理意义，如屈服、防倒塌、生命安全等。以混凝土材料为例，用户可以将混凝土的开裂、屈服、压碎等性能状态通过应变指标定义为相应的性能水准。

PERFORM-3D中有完善的评估体系，其性能评估基于ATC-40、FEMA-356或ATC-440进行自动评价。当然，用户可以根据结构的变形、内力、速度、加速度等响应量作为性能指标直接把握结构的强度和变形能力。用户可以将自定义的结构性能水准定义为某一极限状态，如梁柱构件截面屈服、楼层变形等。极限状态涉及构件的变形和强度、层间位移角、楼层强度、结构竖向变形等方面。结构分析后，可以查看各极限状下结构的损伤程度及分布，也可以查看各组构件或楼层的能力使用率，把握结构重要构件的安全储备，为结构设计方案调整、优化结构系统提供重要参考。PERFORM-3D还提供了适用于一般建筑的结构性能评估方法，如能力谱法、目标位移法等。、

五、结束语

本文引用了规范对高层结构性能化设计的最新论述，就结构性能化设计的两大类弹塑性设计方法做了对比，并就性能化设计方法在软件实际应用上做了简单介绍。随着理论的日趋完善，硬件技术和成熟软件的不断出现，结构性能化设计方法将会在高层建筑结构设计中越来越广泛的应用。

参考文献：

[1] 北京金土木软件技术有限公司.《SAP2000中文版使用指南》.北京：人民交通出版社, 2012.

[2] 郝效强《PERFORM-3D在结构抗震性能分析与评估中的应用》建筑结构. 2012(增刊02期).

[3] Perform Components and Elements,CSI,2006.

[4] Perform-3D User Guide,CSI,2006.

[5] JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程.北京:中国建筑工业出版社，2010.