美国高层建筑抗震性态设计方法进展和中美框—剪结构抗震措施对比

摘要

近几年美国有影响的学术研究机构针对高地震活动性地区高层建筑结构的延性抗震设计，从不同水准地震作用下性能控制的角度提出了几本在学术思想和设计方法上均有若干重要创新的设计指导性文件。这些进展对进一步改进我国高层抗震建筑结构的性态设计可能有较重要参考价值。根据论文作者所在学科点向中国建筑抗震设计规范进一步提供智库性建议的需要，安排本论文着重完成以下三部分研究内容：
　　①对美国西海岸城市地区几本新一代设计规范或指导性文件进行消化和整理，总结美国抗震学术界和设计界在IBC2009和ASCE7-05、ASCE/SEI41-06等规范的基础上在高层建筑基于性态抗震设计领域取得的新一轮研究成果，归纳其设计原理的思路及特色以及通过设计实践获得的经验；
　　②在本学科点已经完成针对框架结构的中、美规范设计内容对比的基础上，本论文着重完成对中、美两国抗震规范中用于剪力墙抗震设计的有关规定的对比。并严格按照中国规范进行8度0.2g区一级抗震等级混凝土框架-剪力墙结构的弹性分析和截面设计，且对算例按照美国规范的相关条款进行对比验算；
　　③完成上述算例在多条地面运动输入下的非线性动力反应分析，根据分析结果按照美国PEER发布的“高层建筑抗震设计导则”在罕遇地震下的非线性验收准则进行抗剪性能分析，对中国规范剪力墙底部加强区的剪力放大系数进行评价。
　　通过以上工作，主要得出以下看法和结论：
　　①美国各本传统建筑规范包含了抗震设计的传统规定，同时也给出了选择使用其它规定的可能。美国西海岸城市地区几本新一代设计规范或指导性文件则系统阐述了性态设计的方法，为超出传统规范限制的高层建筑抗震设计提供指导，其可供我国参考借鉴的内容有：
　　1）明确以“小震”和“大震”两个地面运动作用水准作为性态评价的依据，并针对这两个水准规定相应的设计条款和性态验收准则。
　　2）对某个特定周期下的谱加速度、风险水准（例如50年2％的超越概率）和场地条件进行解聚处理，表明不同震源、震级和震源距的地震对计算出的一致风险反应谱的相对贡献，识别对该场地的地震危险性起主导作用的地震，挑选与该地震作用相匹配的地面运动记录，用于对建筑物分析模型的非线性动力反应分析。
　　3）由解聚处理得到不同震源、震级和震源距的地震组合，再根据组合事件的衰减规律，计算出条件均值反应谱（ConditionalMeanSpectrum，简称CMS），反应特定水准下对特定周期点最不利的地震发生时的反应谱形状，作为调整地面运动的目标强度。
　　4）当地面振动增强时，受非线性的影响侧向力分布和变形曲线相较弹性阶段都会发生变化，因此根据弹性阶段性态特征进行的能力设计可能低估某些结构体系的内力或高估另一些结构体系的内力，美国高层建筑基于性态的抗震分析越来越多地使用建筑物三维模型的非线性动力反应分析。
　　②中国规范对剪力墙提出了底部加强区的规定，并将底部约束边缘构件的高度规定取为一个与结构总高度成比例的定值，这一条款是根据试验结果、少量震害经验以及工程实践经验，并一定程度借鉴了国外规范的相关规定得出。美国规范没有明确提出底部加强区概念，而是根据截面的应力限制条件确定设置约束边缘构件的高度范围，这种做法可能比中国规定更为合理。
　　③非弹性动力反应分析结果表明，算例剪力墙肢在罕遇水准地面运动下的底部剪力数值较大。在进一步积累足够分析结果后，可供中国规范权衡剪力墙肢的剪力增强系数取值参考。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 问题的提出

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究目的和研究内容

2 美国高层建筑抗震性态设计分析

2.1 旧金山市性态高规AB-083

2.2 洛杉矶市性态高规2008

2.3 CTBUH“高层建筑抗震设计建议”

2.4 PEER“高层建筑抗震设计导则”

3 中美混凝土框架-剪力墙结构抗震规定对比

3.1 重力荷载取值

3.2 美国抗震规范用于结构设计的基底剪力

3.3 中国抗震规范用于结构设计的基底剪力

3.4 框架和剪力墙设计剪力的分配

3.5 剪力墙弯矩设计值

3.6 剪力墙抗剪

3.7 剪力墙墙肢

3.8 边缘构件

4 框架-剪力墙结构剪力墙性能分析

4.1 结构基本信息

4.2 结构建模

4.3 弹性内力分析

4.4 非线性地震反应分析

5 结论与展望

5.1 本论文主要结论

5.2 对后续工作的展望

致谢

参考文献

附 录A

附 录B

附 录C

附 录D

附 录E

附 录F