精品高层建筑抗震设计导则.docx
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精品高层建筑抗震设计导则
高层建筑抗震设计导则
GUIDELINESFORSEISMICDESIGNOFTALLBUILDINGS
美国太平洋地震工程研究中心（PEER）
根据“高层建筑推进计划”的安排提出
发布日期：
2009年3月21日
重庆大学结构工程与地震工程研究中心
傅烜译白绍良校
2010年6月
导则起草人
Dr.YousefBozorgnia,PE
AssociateDirector，PacificEarthquakeJamesO.Malley，SE
EngineeringResearchCenterSeniorPrincipal
DegenkolbEngineers,Ine。
Dr。
C。
B。
Crouse，GE
PrincipalEngineer/VicePresidentDr.JackP。
Moehle，PE
URSConsultants,Inc。
Director，PacificEarthquake
EngineeringResearchCenterRonaldO.Hamburger，SE
SeniorPrincipalDr。
FarzadNaeim，SE
SimpsonGumperta&Heger,Inc.VicePresident&GeneralCounsel
JohnA.Martin&Associates,Inc.
RonalKlemencic,SE
PresidentDr。
JonathanP.Stewart，PE
Magnusson-KlemencicAssociates,Inc。
Professor
UniversityofCaliforniaatLosAngeles
Dr。
HelmutKrawinkler,PE
ProfessorEmeritus
StanfordUniversity
术语
能力设计（capacitydesign）——是一种设计方法.在该设计方法中要识别出预期在强烈地震地面运动下经历非弹性性能的那些结构部位，并通过构造措施使这种性能能够可靠发挥；结构的其余部分则设计成具有足够的强度，以便在地震反应中从根本上说保持弹性。
封顶强度（cappingstrength）——结构构件在单调加载下的峰值强度。
设计地震动（designearthquakeshaking）-—用弹性反应谱值体现的地震动强度，该弹性谱值取为“最大考虑地震”（MaximumConsideredEarthquake）水准的地震动弹性反应谱值的2/3。
预计强度（expectedstrength）——在考虑材料强度和应变硬化的变异性的条件下,不同于结构构件最低强度或规范规定强度（specifiedstrength）的很可能遇到的真实强度。
风险曲线（hazardcurve）-—地面运动强度参数在固定年限（通常为50年）内的超越概率曲线,该超越概率为地面运动强度参数的函数.
风险水准（hazardlevel）-—用来对地震动强度进行量化的在定义的时间段（或重现期）内的一个超越概率。
下限强度（lower—boundstrength）—-一个结构单元在考虑材料强度和施工制作的变异性的条件下很可能出现的最低强度。
“最大考虑地震”水准的地震动（MaximumConsideredEarthquakeshaking）——按ASCE7-05规范设计的一般占住条件（ordinaryoccupancy）的建筑在没有显著倒塌风险的条件下预计将抵抗的最强水准的地震动。
重现期（returnperiod）——强度等于或大于某个规定值的事件重复发生的平均年数.
使用水准地震动（servicelevelearthquakeshaking）——具有25年重现期（近似当量于50年超越概率为90％）的由弹性加速度反应谱值体现的地震动.
场地反应分析（siteresponseanalysis）—-非线性土介质中的波动传播分析。
一致风险反应谱（uniformhazardspectrum）—-是一条某一场地专用的反应谱，该反应谱是按其每个纵坐标值都具有相同的超越概率或平均重现期作出的.
符号
——建筑规范规定的侧向位移放大系数；
-—结构自重及永久性安装的设备和室内固定装置的效应；
—-地震效应，包括位移、力、层间位移和应变,来自于沿建筑物的一个反应主轴作用的地震动；
-—地震效应，包括位移、力、层间位移和应变,来自于沿垂直于x轴的建筑物另一个反应主轴作用的地震动;
——在单调加载下构件的峰值（封顶）强度；
—-用根据所用结构材料从相应设计标准的强度公式算出的名义强度，但使用的是材料的预计强度，而不是名义强度或规范规定强度；
—-单调加载下的峰值后残余强度；
—-单调加载下部件的等效屈服强度；
-—从一批非线性反应时程分析中得到的强度需求，用于评价具有脆性破坏模式部件的强度是否足够；
IM-—地面运动强度的度量尺度，如地面峰值加速度、某个特定周期下的谱反应加速度等；
——等效弹性刚度；
——单调加载下的等效屈服后刚度；
-—单调加载下峰值强度后的等效刚度；
——从建筑规范查得的设计活荷载或最大瞬时活荷载（不考虑折减）；
——在一次强烈地震事件中预计会存在的那部分设计活荷载；
—-地震震级;
——从一个地震震源到一个场地的距离；
-—建筑规范规定的反应变更系数；
——建筑物基础底板处的地震振动；
—-自由场地地表的地面运动；
——高于（＋）或低于（―）处在整体平均值以下的一个值的标准差倍数;
--单调加载下构件达到峰值强度时的变形;
——单调加载下从对应于等效屈服的变形（
）到达到峰值强度的变形（
）所得到的塑性变形；
——单调加载下所得到的直到破坏前的峰值强度后的变形分量；
——极限变形；
-—部件屈服变形；
--单调加载下峰值后残余屈服强度与初始屈服强度的比值；
—-根据所用结构材料从相应设计标准中得到的抗力系数;
——建筑规范规定的超强系数；
——总体样本值的标准差；
——总体样本值的均值。
导则起草人I
术语II
符号III
1引言1
1.1目的1
1.2涉及范围1
1。
3设计时要作的考虑2
1.4设计团队的资质3
1。
5基本条件3
1.6应用限制4
2设计性态目标5
2。
1最低性态目标5
2。
2提高了的目标5
3设计过程综述7
3.1引言7
3。
2确定设计方法7
3。
3建立性态目标7
3。
4地震输入7
3.5概念设计7
3.6设计控制准则7
3。
7预设计8
3.8使用水准评价8
3.9最大考虑反应评价8
3.10最终设计8
3.11评审专家组的审查8
4设计控制准则文件9
4.1概述9
4。
2控制准则内容9
5地震输入15
5.1概述15
5.2地震危险性分析15
5.2.1概率地震危险性分析15
5.2.2确定性地震危险性分析19
5.2。
3场地反应分析19
5。
3土—基础-结构的交互作用21
5.3.1使用水准分析21
5。
3.2最大考虑地震水准分析21
5.4加速度时程的选择和调整22
5.4.1引言22
5。
4.2识别起控制作用的震源22
5.4.3地面运动记录的选择24
5.4。
4调整加速度时程以匹配目标谱25
6预设计28
6.1概述28
6。
2结构体系的体型28
6。
3结构性态的等级系列29
6.4风30
6.5更高模态效应30
6。
6抗震剪力需求31
6。
7建筑物变形估算31
6.8收进和竖向偏折32
6。
9楼盖膈板需求32
6。
10伸臂构件32
6。
11非参与构件33
6.12基础33
6.13板—墙接头区33
6。
14板—柱接头区33
6。
15阻尼33
7使用水准评价35
7。
1概述35
7。
2使用水准地震动35
7.3分析方法35
7。
4性态目标35
7.5结构的模型化36
7。
5。
1模型化的程度36
7.5。
2材料的刚度和强度36
7.5。
3扭转36
7。
5。
4梁柱节点核心区36
7。
5.5楼盖膈板37
7。
5。
6基础与土壤的交界面37
7。
5.7地下楼层38
7.5.8柱底38
7.6设计参数38
7.6。
1荷载组合38
7。
6。
2反应变更系数39
7.7可接受准则39
7。
7。
1内力39
7。
7。
2位移39
8最大考虑反应下的评价40
8.1目标40
8.2设计及评价过程40
8。
2。
1设计中需作的考虑40
8。
2.2评价准则41
8.3荷载及反应预测42
8.3.1地震输入42
8.3.2重力荷载的贡献43
8.3.3反应预测方法43
8。
4体系的模型化43
8.5结构部件的模型化45
8.5。
1重要的模型化参数45
8。
5.2计算部件特性的方法46
8.5.3部件分析模型的可选择方案47
8。
5.4各类部件模型化中遇到的专门问题49
8。
6部件水准的可接受准则54
8.6.1力控制的作用54
8。
6。
2变形控制的作用55
8。
7楼层强度的可接受损失55
8。
8对不确定性的考虑56
9设计结果的体现57
9.1概述57
9。
2设计控制准则57
9.3岩土工程-地震地面运动报告58
9。
4预设计-概念设计58
9。
5使用水准评价58
9.6倒塌水准评价59
9.7设计送审文件内容的样本表（见附录A）59
10工程项目审查60
10。
1概述60
10.2评审专家资质60
10。
3审查范围61
10.4争论的解决62
10。
5审查后的修改62
参考文献64
附录A建议的送审文件内容68
1引言
1。
1目的
美国建筑抗震设计的规范用传统方法包含在ASCE7和其它相关标准中.这些方法通过被引用而包括在美国《国际建筑规范》（InternationalBuildingCode）中。
由美国太平洋地震工程研究中心联合在一起的结构、岩土工程师和研究人员提出的这本《高层建筑抗震设计导则》则是建议的另一种可供选择的设计方法。
这一导则可以:
●在建筑规范中允许使用另外方法的条款下用来作为进行特定高层建筑抗震设计的依据；
●用来作为今后建筑规范提出和采纳指导高层建筑设计的条款的基点。
若使用和执行得当，本导则给出的建议的意图是，使设计出的建筑物有能力和更可靠地达到建筑规范中占住类别Ⅱ的建筑物的预期性态目标.特定的使用者也可以对这些建议进行调整和改动，并以其作为设计依据来提供比占住类别Ⅱ的建筑物的可意性能更好的性能。
这里提出的各项导则的意图也是为设计工程师、建筑业行政管理人员、评审专家组专家以及建筑规范和标准的修订者提供参考源。
1.2涉及范围
这里包含的设计建议意在用于高层建筑结构的抗震设计。
这本导则不是像建筑规范中对某些结构体系所作的那样,对其应用设置专用的高度限制，而是适用于通常具有能反映出高层建筑独具的地震反应特征的建筑结构，这类特征应包括下列全部特点:
●振动的基本平动周期显著超过1秒：
●有更高振动模态的明显质量参与和侧向反应；
●抗地震力体系的高宽比大到侧向位移中与框架或剪力墙的层间剪切变形相比有一个显著部分是由墙、柱或两者的轴向变形所引起的。
这里提出的这些导则相当于符合建筑规范相关要求的另一种可用手段。
这些相关要求包括按照考虑了美国西部地震危险性的地震荷载确定结构抗力的要求以及把结构设计成能通过结构部件的非弹性反应抵抗强地震地面运动的要求。
这里给出的建议也可以用于没有形成实质性非弹性反应的结构的设计以及位于地震活动性与美国西部有某些不同地区结构的设计,但可能要作适当改动.这里的导则意在用于ASCE7—05规范表1—1定义的占住类别Ⅱ的建筑。
除地震抗力外的结构设计内容或非结构性部件或体系地震抗力的设计均未包括在本文件范围内。
这些类设计应符合适用的建筑规范或其合适的代用文件的要求.
1.3设计时要作的考虑
近年来在美国西部设计和建造了一定数量的高层建筑，其中所使用的抗地震力体系未严格符合在其设计时有效的建筑规范中的传统要求.在有些情况下，这些结构都符合适用的建筑规范的一般控制准则,只不过超过了建筑规范对所选抗地震力体系规定的高度限制；而在另一些情况下，地震抗力则是由建筑规范中未包括的结构体系所提供的。
这些建筑物的抗震设计是用基于性态的方法做出的。
在这种方法中，工程师先针对预期的非线性反应确定建筑物的尺度和部件截面，再使用非线性结构分析证实结构在经历强烈地面运动时的性态是可以接受的.这类建筑的准用许可通常已由建筑规范第104节给出，因为第104节允许使用另外一些设计、施工的手段和方法，只要建筑业行政管理部门发现这类设计和施工做出的建筑物具有与严格符合规范控制准则的建筑物预测的性态能力相当的性态能力。
这里的各项导则采纳的就是与此相同的方法.
按这里的各项导则完成的高层建筑抗震设计可以带来一系列有利效果，其中包括：
●更可靠地达到预期的抗震性态；
●降低了工程造价;
●能适应用其它办法可能做不到的建筑设计特征；
●能使用创新的结构体系及材料。
尽管有上述优点,用这种方法进行的建筑物设计不应在未作出下列考虑的条件下进行。
●正确实现这些导则需要有关于地震动危险性、结构材料性能和结构非线性动力反应和分析方面的广泛知识.不具备必要知识或技能的工程师不应承担按照这里的这些导则进行的设计.
●按照这里给出的控制准则设计的结构，其地震反应有可能在结构构件中引起广泛的循环非线性应变.为了安全地抵抗这些应变，结构必须按精确的质量控制标准进行施工。
当建筑承包商和质检工程师不具备正确执行这类设计所必需的技能和知识时，这里的这些导则就不应使用。
●按照这里给出的方法完成的设计，如建筑规范第104节所规定的，其验收将取决于建筑业行政管理部门的判断.每个建筑业行政管理部门都可以谢绝这种方法，且已经有建筑业行政管理部门拒绝接受这一方法的先例。
因此，在开始按这里给出的判别准则进行设计之前，推动这一工作的团队应首先确认这种方法能被有管理权的行政机构所接受。
●按这些导则设计的建筑物的设计过程和审批过程通常都要比严格符合建筑规范传统判别准则的设计投入更大的努力和花费更多的时间。
●即使在有管理权的行政机构愿意接受按另一种方法完成设计的地区，推动设计工作的团队仍会面临风险，即该行政机构最终还是裁定设计是不能接受的。
作出这一裁定并不是因为结构特征可能已从造价或其它角度使这一工程项目变得不再合意。
●当根据这里的各项导则设计的建筑物在一次地震事件中确定受到强地震动影响时，预计建筑物可能遭受损伤.这时，一些利益相关人就可能认为损伤超过了合理水准，并可能试图追究设计过程参与者对这种被察觉的薄弱性能的责任。
在这类事件中,责任注册工程师有可能被要求证实其设计符合合适的关护标准。
而针对按这里的另一种方法设计的建筑物来做这件事会比针对严格按照建筑规范设计的建筑物更为困难。
这里的导则建议使用独立的第三方审查作为设计过程的内在组成部分。
这种审查,也称专家组审查,可以帮助为建筑业行政管理部门提供对所设计建筑物可接受性的担保，也可以提出帮助设计团队改进设计可靠性的建议方法，还可以帮助设计团队作出与合适的关护标准相符的设计。
具有根本性意义的是，审查专家要具有足够的知识、技能和经验来发挥这种作用。
1.4设计团队的资质
正确实施这里给出的设计导则需要有具备下列知识的高层次结构工程和地震工程专家:
●地震危险性分析以及地面运动记录的选择和标定；
●结构体系和基础体系的非线性动力性能，以及能用合适的软件工具预测这类性能的建筑物数学模型的构建；
●能力设计原理；
●抵抗循环非弹性需求的构件的构造措施，和构件在循环非弹性加载条件下的强度和变形能力的评价。
不具备这类专长和知识的工程师不应承担使用这里这些导则的工程项目,不论是作为设计责任工程师，还是作为审查组专家。
1。
5基本条件
这里所给出的建议是由太平洋地震工程研究中心（PEER）的“高层建筑推进计划”组织在一起的地震工程、结构工程和岩土工程研究人员和专业人士提出的。
太平洋地震工程研究中心是一个多学科的研究和教育中心，其总部设在加利福尼亚大学伯克利分校内。
自1997年起,太平洋地震工程研究中心就开始从事工程研究以支持基于性态的地震工程的发展，其中的资助来自国家科学基金、加利福尼亚州政府、有关城市以及私人企业.在太平洋地震工程研究中心，20余所大学的访问学者和多个咨询公司一起完成了与地震相关的岩土工程危险性评价、岩土工程和结构工程、风险管理、公众政策等领域的研究工作。
“高层建筑推进计划”包括的研究工作有：
城市聚居区高层建筑的适宜性态特征、影响高层建筑性态的地面运动特征、高层建筑的适宜模型化方法和分析方法以及施工中的抗震方法研究。
“高层建筑推进计划"也从用基于性态的地震工程原理所完成的高层建筑抗震设计所
获得的经验中受益。
这里的导则是在CharlesPankow基金会批准提供的资助下提出的.
1。
6应用限制
这里给出的导则，其用意是在现有知识状态、实验室试验研究、分析研究成果以及在高层建筑设计及抗震性能方面有足够知识的个人所作的工程判断的基础上为高层建筑的抗震设计提供可靠依据。
若能正确实施,则这里的导则应能让设计出的高层建筑有能力具备与按现行规范条款所作的设计达到的抗震性态相当的或更好的抗震性能。
地震工程是一个快速发展的领域，今后获得的知识很可能会提出对这里所给出的某些建议进行修改。
实施这里给出的建议的单个工程师或建筑业行政管理部门都必须在判断这里的导则对相应设计目标的适用程度中来锻炼他们自己的独立判断能力。
太平洋地震工程研究中心、加利福尼亚大学、CharlesPankow基金会以及为本文件作了贡献的各位人士和他们聘用的人员都不会对这里的导则用于单个建筑工程项目的适宜性提供保证，不论是以表达出的方式还是以隐含的方式。
2设计性态目标
2.1最低性态目标
按照这里的导则设计的建筑物,其用意是具有与按完全符合2006年版《国际建筑规范》（IBC2006）的要求设计的类似建筑物相当的抗震性态能力.如在FEMA450“NEHRP建筑物和其它结构抗震调节建议条款”的条文说明中所指出的，建筑规范想给符合ASCE7-05规范中占住类别Ⅱ的建筑物提供以下性态能力：
1、以整体或局部倒塌的低概率抵抗ASCE7-05规范定义的“最大考虑地震”水准的地震动；
2、通过意在保证非结构部件和体系与结构良好锚固和牢固连接和保证建筑物的层间位移保持在不发生过度危险性范围内的设计措施,使建筑物不产生对个体生命的明显危胁来抵抗强烈程度相当于“最大考虑地震”水准地震动2/3的“设计地震"地震动.
3、仅以有限的损伤抵抗更常遇的、中等偏低强烈程度的地震动。
这里给出的导则试图通过下列要求提供使这些目标得到满足的保证:
1、用能力设计原理完成结构的截面选择和结构构形。
其中将识别出有可能经历非弹性应变的结构部分，并将这些部分通过构造措施做成有能力经受住预计的需求，而损伤仍在可接受水准之内；而结构其它部分的截面则选择成有足够的强度来避免明显的非弹性效应。
2、在平均重现期为25年的“使用水准”地震动下，应证实结构有能力作出从根本上说是弹性的反应。
在使用水准地震动下，反应中的损伤可能包括在有限数量的结构构件中混凝土的中度开裂和钢材的屈服。
使用水准地震动的反应中形成的损伤应不致连累结构经受住“最大考虑地震"水准的地震动的能力,也不应导致建筑物因出现不安全状态而要求在继续使用前进行修复,但可能需要某些修补以恢复外观、防止雨水渗漏以及抗火和防锈。
3、证实结构将以下列方式在“最大考虑地震"水准的地震动下作出反应：
未损失抵抗竖向荷载的能力;在重要的抗侧向力件中未出现能使强度严重退化或使其此后的反应变得不可预测的非弹性应变；未经历过大的永久性侧向层间位移，也未使整个结构进入不稳定状态。
4、通过构造措施使结构中所有的构件都能适应抗地震力体系在“最大考虑地震”水准的地震动下的预计变形。
5、所有的非结构部件都应按建筑规范的要求锚固住或拉结住；或者，另一种做法是，在“设计地震”水准的地震动下，对保护生命安全具有根本性意义的构件要预计能保持其功能；而其它构件则预计能保持在原位而不会引起破坏危险。
2.2提高了的目标
有可能更可意的是把一些结构设计成能达到比前一节所述更好的性能。
这里的导则中没有任何内容应解释成阻止这种设计，但是，在这些工程项目的“工程项目设计控制准则”中应以可见的方式既给出可意的性态，又给出当所要求的性态能力不同于第2.1节所表示的性态能力时，设计团队用来达到这种性态能力的手段。
可以考虑用来获得更好性态的一些手段包括：
1、对于“使用水准”地震动，或者“最大考虑地震"水准的地震动，或者对于两者，选用更低的超越概率。
例如,对于符合占住类别Ⅲ和Ⅳ的结构,可以用ASCE7-05规范中为这些占住类别规定的“占住重要性系数"来提高地震动的强度。
2、选择更严格的可接受准则，预计会包括对侧向层间位移的更严格限制和（或）使用减小了的构件可接受循环应变.
3、把非结构部件及体系的连接设计成能经受住比建筑规范要求的更强的地震动。
4、以按受到限制的残余位移进行设计作为保证结构在地震地面晃动后能够修复的手段。
5、把耐损伤结构构件用到设计中来。
这些构件能经受住循环非弹性变形而不出现退化或永久性变形.
6、把反应调节装置用到设计中来。
这些装置包括隔震体系、耗能体系、被动和主动控制体系。
3设计过程综述
3。
1引言
本节给出对所建议的设计过程的综述，并指明本文件中的各个章、节将分别为设计过程中的哪一个步骤提供建议.
3.2确定设计方法
在按这里的导则进行设计之前，结构工程师应弄清楚，建筑业行政管理部门是否将为这一方法的应用承担责任，工作团队是否清楚并接受与使用这里的另一种手段进行设计相伴的风险，工程师是否具有相应的知识和储备，施工质量是否足以保证设计能够正确实施.第1.3节已对这些问题作了进一步讨论.
3。
3建立性态目标
第2.1节描述了按这里的方法设计的建筑物的目标性态能力。
结构工程师应与工作团队和有决策权的行政管理机构讨论这些性态控制准则，并落实这些准则将成为设计的可接受依据。
若另外的性态目标更为可意,则这里的导则就必须改动,以便达到这些目标.第2。
2节对实现这些另类目标的一些途径作了讨论。
3。
4地震输入
这里的方法要求确定两个水准的设计地面运动：
一个“使用水准"的地面运动和一个“最大考虑地震"地面运动。
使用水准地面运动由2.5%阻尼的25年平均重现期的弹性加速度反应谱来体现。
“最大考虑地震”地面运动则由5%阻尼的符合ASCE7-05规范要求的弹性加速度反应谱和一批经过适当选择和标定，从而与这一反应谱相协调的地震地面运动加速度记录来体现.第5章将对地面运动的表达和记录的选择与标定提供指导.
3.5概念设计
在设计的这个步骤中，工程师必须选择结构体系和材料、各构件的近似尺寸，以及预期的主要非弹性性能机构。
通常会使用能力设计原理来确定目标非弹性机构。
第6章将给出提出概念设计时可能有用的信息。
3.6设计控制准则
对结构设计负责的注册结构工程师应提出一份正式的“设计控制准则文件”（designcriteria
document），该文件应对结构体系和工程用材料、预期的非弹性反应机构及性能、设计性态目标以及要采取的用来证实具有可接受性态能力的专用设计及分析措施进行描述。
这一“设计控
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