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1、TJAD超高层建筑结构性能设计方法赵昕 高工 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司TJAD目录1、性能矩阵2、基于性能的抗震设计3、基于性能的抗风设计1、性能矩阵TJAD1、性能矩阵1.1超高层建筑结构性能矩阵荷载载与作用强度刚刚度延性稳稳定 性舒适度重力荷载-受弯构件挠度-竖向自振频率； 竖向振动加速度风 荷 载重 现 期10年-风振加速度50年-层间 位移角（ 含底层）；位移 比-100 年层间 受剪承载力之 比；剪重比；-刚重 比-地 震 作 用多遇地震层间 受剪承载力之 比；剪重比；层间 位移角（ 含底层）；位移 比；刚度比-设防地震层间 受剪承载力之 比；剪重比；层间 位移角-刚重
2、 比-罕遇地震-薄弱层弹 塑性位移角-TJAD1、性能矩阵1.2剪力墙性能矩阵荷载载与作用强度刚刚度延性耐久性重力荷载墙肢截面验算；正截面/斜截面 承载力；最小配筋率；钢筋最 小锚固长度最小厚度重力荷载代 表值作用下 的轴压 比-风 荷 载重 现 期50年-剪切变形-裂缝控制及最 大裂缝宽 度100 年正截面/斜截面承载力；水平施 工缝抗滑移验算（抗震等级为 一级时 ）；-地 震 作 用多遇地震正截面/斜截面承载力；水平施 工缝抗滑移验算（抗震等级为 一级时 ）；剪切变形-裂缝控制及最 大裂缝宽 度设防地震正截面/斜截面承载力；水平施 工缝抗滑移验算（抗震等级为 一级时 ）；-罕遇地震斜截面收
3、件承载力；墙肢截面 验算；-TJAD1、性能矩阵1.3巨柱性能矩阵荷载载与作用强度刚刚度延性耐久性重力荷载双向压弯验算；抗剪验算；最小 含钢率；最小配筋率；-风 荷 载重 现 期50 年-剪切变 形-裂缝控制及最 大裂缝宽 度100 年受拉验算；抗剪验算；最小含钢 率；最小配筋率；-地 震 作 用多遇地震双向压弯验算；抗剪验算；最小 含钢率；最小配筋率；剪切变 形轴压 比 ；延性系 数裂缝控制及最 大裂缝宽 度设防地 震双向压弯验算；抗剪验算；剪力 截面验算；受拉验算；最小含钢 率；最小配筋率；-罕遇地震剪力截面验算；斜截面抗剪验算-TJAD1、性能矩阵1.4伸臂斜腹杆性能矩阵荷载载与作用强度
4、重力荷载 （收缩徐变）轴压 /压弯承载力验算；轴压 /压弯稳定 性验算；应力比；风荷载重现期50年-100年轴压 /压弯承载力验算；轴压 /压弯稳定 性验算；应力比；地震作用多遇地震轴压 /压弯承载力验算；轴压 /压弯稳定 性验算；应力比；设防地震轴压 /压弯承载力验算；轴压 /压弯稳定 性验算；应力比；2、基于性能的抗震设计TJAD2、基于性能的抗震设计2.1结构抗震设计理论的发展静力设 计反应谱法、 时程分析法 设计基于性能的 抗震设计TJAD基于性能的抗震设计反应谱法的不足之处：首先，反应谱法不能有效地考虑强震时结构的非线 性行为； 其次，不能考虑基础与土之间的动力相互作用； 再次，不能
5、考虑地震动持时长短的影响； 并且，反应谱理论只能给出结构的最大地震反应， 不能给出结构反应的全过程，以及结构各构件的破 坏机理； 此外，反应谱法对于非比例阻尼结构以及不规则结 构的分析效果还不理想 TJAD2、基于性能的抗震设计实际地震灾害表明：恰当的抗震设计能够减轻地震灾 害；抗震设计方法需要进一步完善台湾921地震 灾害TJAD2、基于性能的抗震设计建筑物底部 为大空间， 上下刚度差 异过大，形 成底部软弱 层。TJAD2、基于性能的抗震设计柱子内埋设管 线（水、排水 、电、气、电 话）等，虽然 节省了空间， 但大大降低了 抗震性能。结构设计不合 理，底部局部 用柱支承柱子有效承重 面积不
6、足，柱 端箍筋不够， 造成柱端破坏TJAD2、基于性能的抗震设计时程分析法还不能被广泛应用：时程分析所用的地震波为实际的强震记录或人工地 震波，结构对不同的地震波输入的敏感度不同，输 入后的反应将会有较大的差异 .时程分析耗时长，分析比较复杂，不便于在工程中 广泛应用.TJAD2、基于性能的抗震设计上海中心大厦弹性时程分析结果TJAD2、基于性能的抗震设计X方向楼层剪力和倾覆力矩TJAD2、基于性能的抗震设计性能设计概念的提出：1976年，新西兰学者帕克（Park）提出的基于能力原 理的抗震设计，其中已包含许多关于性能设计的思想 1981年Sozen首先系统地阐述了控制结构位移的抗震 设计思想
7、 上个世纪初，Moehle提出了基于位移的抗震设计理论 1995年，Kowalsky和Calvi提出了一种直接基于位移 的抗震设计方法 二十世纪九十年代，美、日学者提出并开始研究建筑 结构基于性能/位移的抗震设计，随后得到各国的广泛 关注 .TJAD2、基于性能的抗震设计2.2抗震性能设计基本思路抗震性能目标设定通过设计 ，实现抗震性能目 标抗震性能目标评估 ，是否满足？设计完成是否TJAD基于性能的抗震设计2.3抗震性能设计与常规设计方法的比较常规规抗震设计设计基于性能的抗震设计设计设防目标小震不坏、中震可修、大 震不倒； 按使用功能重要性分甲、 乙、丙、丁四类，宏观控 制性能要求按使用功能
8、类别及地震程度， 提出多个性能目标，设计结 构、非结构、设施等方面； 业主选择性能目标实施方法按规定进行设计： 结构概念设计； 小震弹性设计； 部分结构大震变形验算按使用功能类别及地震程度， 提出多个性能目标，设计结 构、非结构、设施等方面； 业主选择性能目标工程应用应用广泛，设计人员熟悉目前较少采用，设计人员不易 掌握，所承担风险较 大预期性能满足规范要求，但预期性 能不明确达到性能目标，预期性能水平 明确TJAD2、基于性能的抗震设计2.4基于性能的抗震设计的特点及存在的问题特点：存在的问题： 1、地震作用的不确定性 2、结构分析模型、参数选用的经验型 3、模型试验、震害资料欠缺描述的多
9、级性性能的可 选性设计的灵 活性TJAD2、基于性能的抗震设计2.5 超高层建筑结构抗震性能水准的判别结结构抗 震性能 水准宏观损观损 坏程度损损坏部位继续继续 使用的 可能性关键构件普通竖向 构件耗能构件1完好、无 损坏无损坏无损坏无损坏不需修理即可 继续使用2基本完 好、轻微 损坏无损坏无损坏轻微损坏稍加修理后可 继续使用3轻度损坏轻微损坏轻微损坏轻度损坏、部 分中度损坏一般修理后可 继续使用4中度损坏轻度损坏部分中度 损坏中毒损坏、部 分比较严重损 坏修复或加固后 可继续使用5比较严重 损坏中度损坏部分比较 严重损坏比较严重损坏需排险大修TJAD2、基于性能的抗震设计2.6 超高层建筑结
10、构抗震性能目标性能目标标性能水准 地震水准ABCD多遇地震1111设防烈度地震1234预估的罕遇地震2345TJAD2、基于性能的抗震设计性能目标 的选用抗震设防 等级设防烈 度场地条 件结构的 特殊性建造费 用震后损 失修复难 易程度性能目标的选取TJAD2、基于性能的抗震设计2.7 长周期地震作用与地震波选取设计反应谱根据规范谱和安评谱的不同组合，设计采用的反应谱可能有以下 几种形式：规范谱 安评谱（根据场地反应分析得到的标定反应谱） 包络谱：对规范谱和安评谱取包络线作为设计谱 组合谱：平台段幅值采用安评谱幅值，谱的形状采用设计谱形状 规范谱和安评谱响应取较大值TJAD2、基于性能的抗震设
11、计举例：上海中心四种反应谱对比结果比较图中不同反应谱可以看出，包络谱和组合谱的输入往往使得结构长周期响应较大。 对于普通建筑，这种输入的影响可能很小，但对于超高层建筑，由于其结构周期较长， 这样的输入将使结构响应明显增加，进而导致结构材料用量的增加。TJAD2、基于性能的抗震设计基底剪力和倾覆力矩不同种类反应谱的结构各阶模态响应TJAD2、基于性能的抗震设计不同种类反应谱的结构总响应比较反应谱种类规范谱安评谱组合谱包络谱规范/ 安评较 大值基底剪力 （kN）数值80370 80821 95410 86666 80821 相对大小100%101%119%108%101%倾覆力矩 （MN-m ）数
12、值17941 13470 20806 17999 17941 相对大小100%75%116%100%100%按照组合反应谱的计算结果进行截面设计安全性较高，但会经济性有所降低。采用包络谱计算 结构响应或取规范谱和安评谱计算的响应较大值，具有较为适中的安全性和经济性。但取响应 较大值的方法需要计算两个反应谱工况，过程较为繁琐。TJAD2、基于性能的抗震设计场地特征影响不同场地特征的反应谱主要表现在特征周期的不同，从而反应谱长 周期段的谱值也有所不同。TJAD2、基于性能的抗震设计以郑州绿地不同场地特征下的结构总响应为例 ，如下表所示。特征周期基底剪力倾覆力矩最大层间位移角VX/kN百分比MY /
13、kN-m百分比Max Drift百分比0.3s4274976%7.00E+0681%1/70779%0.4s4800985%7.65E+0689%1/63988%0.45s5095390%7.98E+0692%1/60992%0.55s56579100%8.63E+06100%1/560100%0.65s62157110%9.29E+06108%1/518108%0.75s67347119%9.94E+06115%1/485115%结构响应随特征周期增大而同比例增大。特征周期每增大0.1s，结构响应增大10%左 右。可见，场地特征对长周期结构的地震响应影响显著。TJAD2、基于性能的抗震设计下
14、面讨论结构参数的选取对超高层长周期响应的影响。以上海中心为例，只改变结构的阻尼比， 在三维有限元模型中输 入的反应谱如下图所示：不同阻尼比的上海中心多遇地震设计反应谱（包络谱 ） TJAD2、基于性能的抗震设计不同阻尼比的结构长周期响应如下图所示：可知，结构阻尼比越大，长周期响应越小，但这种影响不 大。TJAD2、基于性能的抗震设计周期折减系数影响亦以上海中心为例，只改变结构的周期折减系数， 在三维有限元 模型中输入的反应谱如下图所示：不同周期折减系数的上海中心多遇地震设计反应谱（包络谱 ） TJAD2、基于性能的抗震设计不同周期折减系数的结构长周期响应如下图所 示：可见，结构周期折减系数越大
15、，长周期响应越大，但周期折减 系数较大时，这种影响不大。TJAD2、基于性能的抗震设计选波需要考虑的因素地震波的选择应首先满足地震波的三要素：持续时间：结构基本周期的510倍频谱特性：地震动反应谱与设计反应谱接近有效峰值：地震波峰值加速度按照地震烈度大小取值TJAD2、基于性能的抗震设计选波需要考虑的因素震源机制和场地类别：应根据项目工程场地地震安全性报告，根据震源机制和场地类别选择地震波，例如上海地区震源机制以走滑型断层错动方式为主。所选取的地震波尽量应以走滑型断错为主，数量不足时可以考虑其他震源机制，但应确保相同的场地类别。TJAD2、基于性能的抗震设计选波需要考虑的因素每条地震波计算所得
16、的结果不应小于振型分解反应谱法的65%；多条时程曲线的计算结果不应小于振型分解反应谱法的80%。采用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，实际强震记录的数量不应小于总数的2/3。地震动幅值调整，根据抗规不同的抗震设防烈度对选择的地震波幅值进行调整，主次方向按照1: 085: 0.65。除此之外，时程分析结果在结构主方向的平均底部剪力应在振型分解反应谱法的80%120%之间，单条地震波的结构底部剪力应在振型分解反应谱法的65%135%之间。TJAD2、基于性能的抗震设计选波需要考虑的因素滤波过程对长周期分量的影响：设计中使用的地震波为初始地震波记录经过滤波去噪处理后得到。滤波过程有高通和低通两种，分别滤除低频及高频噪声。对于长周期结构，需要特别注意高通滤波的截止频率，否则有可能滤除与结构低阶模态对应的频率成分，导致长周期地震作用输入失真。下面以上海环球金融中心时程分析采用的PMN地震波为例：TJAD2、基于性能的抗震设计
