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第26章
美国基于性能的抗震设计：高层建筑案例研究
Jack Moehle
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摘 要：在美国基于性能抗震设计有两个主要的发展：(1)制定了《高层建筑性能抗震设计指南》，(2)制定了《ATC-58建筑物抗震性能评估指南》。本文首先对这两条指南的内容和方法进行了总结。其次，以加利福尼亚洛杉矶地区按照高层建筑设计规范设计的一个工程项目为例，并使用 ATC 58 指南来探讨在初始建设成本和考虑未来地震影响的维修成本方面的性能影响。在以结构设计规范方法和以基于性能设计方法中都考虑了结构的概念设计。在结构的非线性地震响应分析中，考虑了不同场地地震动灾害水平，并统计计算了结构的地震需求和相关修复费用。研究发现了既有设计规范中的明显缺陷，以及基于性能设计方法的优点。
关键词：钢筋混凝土建筑；数值模型；非线性分析；基于性能的抗震设计；修复费用；建筑规范
26.1介绍
美国基于性能的抗震设计方法起源于一种实用而有效的方法，来减轻现有建筑物带来的地震风险，后来又扩展到允许在建筑规范规定范围之外设计的新建筑(Moehle et al. 2011a)。这种做法在美国西部非常高层建筑的设计中尤其普遍。最初，工程师们采用了基于性能的高层建筑抗震设计的特殊程序。后来，包括SEAONC(2007)，LATBSDC(2008)和TBI(2010)在内的文件正式确定了这些程序。其中最早的准则(SEAONC，2007年)基本上采用了建筑规范程序，包括设计地震的强度和漂移检查(ASCE 7，2005年)，但如果通过非线性动力分析证明有足够的性能，则允许某些建筑规范例外。经验和研究(例如，ATC-72，2010年)导致了程序随时间的演变。在最近的指南(TBI 2010)中，取消了对设计地震强度和漂移的检查要求。相反，建筑可接受性是根据可使用性水平和最大考虑水平地震需求的表现来判断的。
在上述设计准则中，性能由工程需求参数(EDPs)来衡量，如建筑物漂移、建筑物稳定性和局部构件需求。然而，对于高层建筑利益相关者来说，性能在初始成本和修复假定未来地震造成的破坏的成本方面可能表现得更好。在定义有用的性能指标、数据、模型和分析工具方面取得的进展(例如，Taghavi和Miranda 2003；Moehle和Deierlein 2004；Yang等人，2009年；ATC-58，2012年；Porter等人，2010年)使人们能够对预期的未来维修费用进行实际评估，目前已体现在“建筑抗震性能评估准则”(ATC-58，2012年)中。将这些方法应用于采用替代设计方法设计的高层建筑，可以全面了解高层建筑的性能潜力，以及替代设计方法的有效性。
本研究探讨了三种采用不同方法设计的高层建筑结构的设计及预期性能。这项研究是一项更大的研究的一部分(Moehle等人)。考虑了替代设计战略。本文概述了设计和评估方法、案例研究设计的结果、非线性动态分析的结果以及设计的财务影响。该研究说明了一种广泛适用的方法，用于比较备选设计在工程性能和财务措施方面的作用。
26.2 TBI指南
TBI(高层建筑倡议)准则概述了建议的高地震活动区高层建筑的设计和审查过程，包括设计可使用性(可使用性水平)和安全(最高考虑的地震水平)的详细程序。服务能力水平地震需求是从一个三维模型的模态反应谱分析中得到的，该模型采用2.5%阻尼的均匀危险反应谱，具有43年的回收期，层间漂移比限制在0.005，最大构件力限制在常规设计强度的1.5倍。实际上，服务水平检查建立了最低要求的建筑强度，它取代了规定的建筑规范的强度要求。最大考虑的地震水准检验采用了一个三维分析模型的非线性动力分析方法，该模型受两个水平分量的七个地震地面运动的作用，按代表最大考虑地震水平的均匀危险谱进行标度(ASCE 7，2005)。对于每对水平地面运动，在每一层得到最大层间位移。对于每个层，七个漂移值的平均值和最大值限制在0.03和0.045(瞬态)，0.01和0.015(残差)。最大考虑的地震水平检查旨在罕见的事件中证明结构的稳定性。因此，屈服构件必须在可以可靠建模的范围内进行响应，而结构系统的整体强度退化是有限的。条款还限制了延性有限的构件(实际上是受能力保护的构件)的受力需求。有关标准的详细情况见(TBI，2010年)。
26.3 ATC 58 指南
“ATC 58建筑物抗震性能评估准则”(ATC-58 2012)描述了根据个别建筑物独特的场地、结构、非结构和占用特性评估可能发生的地震性能的一般方法和建议程序。性能测量包括潜在的伤亡、修理和更换费用和时间表，以及由于不安全条件而可能造成的使用损失。该方法和程序适用于基于性能的新建筑设计，以及现有建筑物的性能评估和地震升级。这一方法涉及许多步骤，包括装配界定建筑物性能模型，其中包括占用情况；地震危险的定义；对建筑物反应的分析；倒塌脆弱性的发展；以及各种性能计算。本研究所包括的建筑物，如作合理的地面运动，则会被视为抗倒塌的坚固建筑物。因此，在本研究中，我们忽略了方法的崩溃脆弱性过程。此外，我们只考虑与修理费用有关的损失。
ATC-58使用蒙特卡罗程序，在给定地震震动强度的情况下，探索建筑性能结果的可变性(图一)。26.1)。首先，建筑物的定义是以几何学、入住率和性能组来定义的，也就是说，每个层中的相似元素的分组，其性能可能会影响整个建筑的性能结果。建筑物的分析结构模型只需一次地面运动就能识别出诸如层间位移或绝对加速度等工程需求参数的最大值。这个过程重复几次，建立期望值和变异的工程需求参数作为地面震动强度的函数。
图26.1
资本损失计算：(A)对建筑物进行地震动。(B)记录可损坏性能组的工程需求参数。(C)使用随机数发生器输入脆弱性关系并确定损坏状态。(D)确定修复数量和费用。(E)在几个危险级别中每一个重复多次。(F)与地震危险曲线相结合，生成利益损失措施。
然后利用统计技术产生大量的“实现”，每个实现代表一个合理的反应结果，所有实现的统计量与较小的地震反应分析集的统计值相匹配。对于每一种实现，根据预先定义的脆弱性关系，选择性能组的损伤状态和修复行为。然后根据建筑物修缮数量和修缮行动的总数确定建筑物修缮费用总额。通过多次重复这一过程，建立了维修费用的统计数据。
然后，将每个振动强度的修复费用与地震危险曲线结合起来，确定超过特定维修费用的年度频率。详情请参阅ATC-58。
26.4场地地震灾害与典型地面运动
这项研究的目的是确定典型的高层建筑暴露在典型的海岸加州地震灾害的性能特征。设计和随后的性能分析需要确定一个假设的建筑工地。选定的站点位于洛杉矶, 加利福尼亚 (LongitudeD 118.25 和纬度 D 34.05) 的市中心。NEHRP 土遗址类为 C (VS30 D 360 米/秒)。该遗址接近几条已知的断层，包括普恩特山和圣安德烈亚斯断层，距离建筑工地最近的距离分别为1.5公里和56公里。图26.2显示了在50年的危险等级（分别为2,475和43年的返回期）中，对于3和5s的振动周期，地震危险分解为2％和70％。结果表明，对于长周期结构，T gt; 3 s，低概率地震危害主要由两种类型的地震所控制:(1)近距离较大地震；(2)远距离特大地震。
图26.2建筑工地的3和5秒主导期的分类；以及2475年和43年的返回期(资料来源：OpenSHA)
较高概率的地震危险性主要是由多种地震事件共同决定的。在图中，“是观测到的对数谱加速度与地面运动衰减方程的平均对数谱加速度不同的标准偏差数。
这些危险特性被用作设计和选择和修改地面运动的基础。基于代码的设计考虑设计基准地震（DBE），定义为最大可能地震（MCE）三分之二。根据ASCE 7-05，基于性能的设计在43年的回报期和最大考虑地震水平考虑地震危险。 在建筑物设计完成后，对性能进行评估，分为SLE25，SLE43，DBE，MCE和OVE五个危险级别，分别对应于地震震动危险，回报期分别为25,43,475,2,475和4,975年。4975年的水平是一个非常罕见的事件，通常不考虑在设计和分析在加州的建筑物。
有各种选择和尺度地震地面运动以进行反应历史分析的备选办法(例如，ATC-82，2011年)。基于性能的设计要求，将地面运动扩展到最高考虑的地震水平。为此, 记录的地震地面运动在时间域内进行了光谱匹配, 从而使产生的5% 阻尼线性响应谱与 ASCE 所定义的最大地震反应谱7–05紧密匹配在周期范围0.2–1.5T, T 是计算的第一模振动周期。谱匹配是TBI准则所允许的，因为它被认为是获得设计期望值的最有效的方法。
在设计建筑物的性能评估中，记录的地震地面运动按振幅标度，为不同危险等级提供了与场地特定的统一危险谱最好的匹配。振幅缩放被选择保留更多的记录到记录的可变性，而不是通过频谱匹配。由于三个考虑因素，选择均匀危险谱作为目标而不是条件平均谱(Baker和Cornell 2006)：1)不同的工程需求参数(如位移、加速度、剪切)受多个响应模式的影响不同，需要多个条件平均谱；(2)采用多种方法设计的多幢建筑，不存在条件平均谱的单一振动周期；(3)场地受到多种地震事件的强烈影响。用均匀危险谱得到的结果很可能会超过条件平均谱得到的结果，且可能是保守的。在复杂的地震环境中，条件平均谱的适当使用仍然是本文研究的重要课题。
为进行建筑性能评估，从每一危险级别的对等NGA数据库(PER 2005)的子集中选择了15对水平地震动记录。该子集数据库包括排除余震的地面运动记录, 其最大站点到源距离为100公里, 并记录在180和1200米/秒之间的土壤剖面上, 平均切变波速度为30米。所选记录的长周期过滤截止时间明显长于结构预期的基本周期。选定的地面运动记录在每个危险级别上, 然后振幅缩放到目标谱。记录被限制为最大缩放系数为5。虽然更严格的选择和尺度标准是可取的, 但由于现有的记录和所审议的建筑物的期间范围, 这证明是不可达到的。
可用的记录地震动不足以填充极罕见的Ove灾害级别所需的数据集。因此，八对放大记录的地面运动被七对合成地震动补充，以完成OVE集。后者是从648个地点的数据库中获得的，这些地点来自于对洛杉矶地区普恩特山断层的单一模拟(Graves和Somerville，2006年)。这些地面运动是混合宽带信号 (f D 0.0 10.0Hz);在低频范围 (f 1.0Hz) 的3维有限差分模型, 模拟断层断裂, 波传播到一个站点, 和现场响应, 而对于高频范围 (f 1.0Hz) 的随机方法, 是使用地面运动模拟。所选的七项记录与Ove统一危险谱最好的匹配。
图26.3在（A）43年回收期和（B）mce处的目标和标度光谱
图26.3显示了SLE43和MCE危险等级的标度光谱和目标光谱的中位数。中位数与目标光谱在所有危险水平的中长期感兴趣范围内相当匹配
26.5建筑设计案例研究
选择了三种不同的高层建筑结构进行研究(见图)。26.4)。这座42层混凝土核心墙住宅有4层以下的楼层，采用了一种中心位置的混凝土核心墙，连接梁进行抗震，无粘结后张拉板由混凝土柱和核心墙作为重力和隔膜系统。这座建筑的典型楼层高度为9.67英尺，每一层以上的建筑面积约为9000平方英尺。42层混凝土双核墙/框架系统名义上完全相同的配置, 除了沿两个海湾在每个主要方向抗震力框架取代重力板柱框架。这座40层高的高钢支撑框架办公楼有四个地下室层，采用屈曲约束支撑框架进行抗震，其他地方采用钢重力框架。这座建筑的典型楼层高度为13.5英尺，每一层以上的建筑面积约为18000平方英尺。进行两种不同的设计。它们被指定为设计A(基于代码)和设计B(基于性能).。设计A采用“国际建筑规范”(IBC 2006)的规定，但不考虑高度限制。设计B采用TBI准则(TBI 2010)的基于性能的设计方法对结构体系进行抗震设计。对于设计A和设计B，重力设计、风设计和非结构构件抗震设计都符合IBC(2006)的规定。风荷载按ASCE 7(2005)规定。这些设计是由在高层建筑抗震设计方面经验丰富的结构工程公司完成的。
对于设计A和设计B，结构工程公司依靠经验为重力和侧向抗力系统开发概念和初步设计。
对于设计A，公司的实践基于广泛的经验，作了与建筑规范最低要求相比较的抗震设防系统的保守设计。对于设计B，初步设计要求迭代达到可接受的配置和比例。对考虑的最大地震水平的分析需要一名工程地震学家开发特定场地的反应谱和地震地震动选择；根据项目组制定的设计标准，这些记录在0.2到1.5 T的时间段内与特定地点的频谱相匹配，其中T是估计的建筑周期(5s)。结构系统的非线性模型在Perfor-3D(CSI，2009)中实现。这些模型包括结构墙和根据ATC-72(2010)的建模建议表示的重力框架。该模型在七对地震地震动中进行每一对地震地震动，以验证可接受的响应，而不需要额外的设计迭代来满足性能标准。一个典型的基于性能的高层建筑设计需要额外的设计和审查工作，而不是规定性的建筑规范设计。估计需要额外的工程项目500个h，以及相对于基于规范的基于代码的设计(Fry and Hooper 2011)的额外设计/审查时间，需要3到4个月的时间。
在建筑设计的许多不同之处中，突出的特点是：对于核心墙建筑，由于后者的适用性要求，设计A(4600 Kips)的基底剪力低于B(8200 Kips)。由于设计受剪力控制，设计B(32英寸)的要求壁厚大于设计A(24英寸)。墙的竖向配筋对设计B的影响也更大，反之，TBI准则中关于延性作用的需求-能力比为1.5，导致B设计中的耦合梁比设计A的弱。整体效果是比设计A有更坚固的墙墩和较弱
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