基于《防災(zāi)避難場所設(shè)計(jì)規(guī)范》的避難建筑抗震設(shè)計(jì)——以某中學(xué)體育館為例

崔 偉，田杰芳，張玉敏

(河北聯(lián)合大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北唐山063009)

0 引言

我國是一個自然災(zāi)害多發(fā)的國家，地震災(zāi)害尤其嚴(yán)重，一次嚴(yán)重地震可能造成上萬甚至幾十萬、上百萬間建筑物倒塌或嚴(yán)重破壞，受災(zāi)或避難的人數(shù)少則10余萬多則上百萬，甚至數(shù)千萬。如果不規(guī)劃建設(shè)一定數(shù)量的避難場所，災(zāi)后有可能產(chǎn)生各種次生災(zāi)害，導(dǎo)致災(zāi)害延伸、加劇。由于一直以來對城市防災(zāi)工程的重視程度不夠，目前我國城市的整體防災(zāi)減災(zāi)建設(shè)滯后于城市發(fā)展，亟待加強(qiáng)城市綜合防災(zāi)減災(zāi)能力。在此背景下，為貫徹執(zhí)行國家有關(guān)防災(zāi)體，形成一個完整的受力體系，共同承受豎向和水平減災(zāi)和應(yīng)急管理的法律法規(guī)，妥善安置受到災(zāi)害威脅或危害的人員，使防災(zāi)避難場所設(shè)計(jì)做到安全適用、經(jīng)濟(jì)合理，河北省地震工程研究中心，北京工業(yè)大學(xué)抗震減災(zāi)研究所會同多家規(guī)劃、設(shè)計(jì)、勘察、科研、教學(xué)單位制定了《防災(zāi)避難場所設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］，目前正在報(bào)批中。為配合規(guī)范的審批及實(shí)施，以某中學(xué)新校區(qū)體育館為例進(jìn)行了地震避難建筑試設(shè)計(jì)。

某中學(xué)新校區(qū)場地地形較平坦、地勢較高、交通便利、空氣流通、有效避難面積充足、具備一定的基礎(chǔ)設(shè)施、能與責(zé)任區(qū)內(nèi)居住區(qū)建立安全避難聯(lián)系并便于人員進(jìn)入和疏散，且建有建筑面積為8998 m2的體育館。由于校內(nèi)應(yīng)急避難場所的核心功能是避難棚宿，棚宿區(qū)要求大面積的開闊平整場地以便人員集中休息。體育館比賽廳的運(yùn)動場地和熱身場地空間都很大，且都有直通室外的獨(dú)立出入口，方便人員進(jìn)出及轉(zhuǎn)移。同時(shí)體育館室內(nèi)空間，相對于室外避難有更好的舒適性，能滿足多災(zāi)種避難的棚宿要求。對于避難建筑，在震后要發(fā)揮其避難功能，其安全性必須有足夠的保障，因此原有的常規(guī)設(shè)計(jì)可能不滿足要求，需要按照避難建筑的要求進(jìn)行驗(yàn)算和加固，本文主要針對該體育館的抗震性能配合《防災(zāi)避難場所設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求進(jìn)行試設(shè)計(jì)。

1 防災(zāi)避難建筑的抗震設(shè)計(jì)規(guī)定［1］

1.1 設(shè)防目標(biāo)

(1)在遭受不高于設(shè)定抗災(zāi)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的災(zāi)害影響下，防災(zāi)避難場所應(yīng)滿足應(yīng)急和避難生活需求;避難建筑和Ⅰ～Ⅲ級應(yīng)急保障基礎(chǔ)設(shè)施的主體結(jié)構(gòu)不應(yīng)發(fā)生影響避難功能的中等破壞;其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)發(fā)生嚴(yán)重破壞，其應(yīng)急功能基本正?；蚩煽焖倩謴?fù)，不影響使用或通過緊急處置即可繼續(xù)使用;應(yīng)急輔助設(shè)施不應(yīng)發(fā)生嚴(yán)重破壞或應(yīng)能及時(shí)恢復(fù);需臨時(shí)設(shè)置的應(yīng)急設(shè)施和設(shè)備，應(yīng)能及時(shí)安裝和啟用;

(2)在遭受高于設(shè)定抗災(zāi)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的災(zāi)害影響下，避難場地應(yīng)不遭受嚴(yán)重災(zāi)害和次生災(zāi)害影響，能用于人員避難;避難建筑和Ⅰ～Ⅲ級應(yīng)急保障基礎(chǔ)設(shè)施，不至倒塌或發(fā)生危及避難人員生命安全的嚴(yán)重破壞;

(3)在臨災(zāi)時(shí)期和災(zāi)時(shí)啟用的防災(zāi)避難場所，應(yīng)保證避難建筑和應(yīng)急保障基礎(chǔ)設(shè)施及輔助設(shè)施不發(fā)生危及重要避難功能的破壞，滿足災(zāi)害發(fā)生過程中的避難要求。

1.2 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

(1)避難建筑應(yīng)采用設(shè)置多道抗震防線的結(jié)構(gòu)體系;

(2)建筑形體應(yīng)規(guī)則，抗側(cè)力構(gòu)件在平面內(nèi)布置應(yīng)規(guī)則對稱，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度沿豎向應(yīng)均勻變化;

(3)計(jì)算避難建筑結(jié)構(gòu)地震作用時(shí)，設(shè)計(jì)基本地震加速度值、地震加速度時(shí)程的最大值和水平地震影響系數(shù)最大值，應(yīng)采取在國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011［2］規(guī)定的相關(guān)數(shù)值乘以表1的避難建筑調(diào)整系數(shù)后的數(shù)值。

表1 避難建筑抗震調(diào)整系數(shù)

(4)抗震設(shè)防烈度為6度～8度時(shí)，避難建筑應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求采取抗震措施，抗震設(shè)防烈度為9度時(shí)，避難建筑應(yīng)按比9度更高的要求采取抗震措施;

(5)避難建筑的樓梯間應(yīng)采取加強(qiáng)的抗震措施;

(6)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，包括建筑非結(jié)構(gòu)件和建筑附屬機(jī)電設(shè)備，自身及其與主體結(jié)構(gòu)的連接，應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，并應(yīng)采取與主體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)連接或柔性連接的措施，達(dá)到與避難建筑相同的抗震設(shè)防目標(biāo)。

2 工程概況及原建筑的抗震性能

2.1 工程概況

某中學(xué)體育館建造于2005年，建筑體型為矩形，其結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示。南北長36.60m，東西長58.80 m，高17.8 m，建筑面積8998 m2。該體育館主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。屋面采用鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架與周邊混凝土柱連接。其抗震設(shè)計(jì)依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2001進(jìn)行，抗震設(shè)防烈度8度(0.2 g)，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場地類別Ⅱ類，框架抗震等級一級，丙類建筑。

圖1 某中學(xué)體育館三層結(jié)構(gòu)平面圖

2.2 原有建筑的抗震性能評估及分析

2.2.1 網(wǎng)架

按照原網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型采用sap2000v15按照表1的避難建筑調(diào)整系數(shù)對小震和大震的地震影響系數(shù)進(jìn)行調(diào)整計(jì)算，因原有設(shè)計(jì)具有較大的安全儲備，各項(xiàng)指標(biāo)均能較好滿足避難建筑的抗震要求。故本次設(shè)計(jì)調(diào)整只針對下部的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行，將網(wǎng)架荷載折算成面荷載施加到頂層。

2.2.2 鋼筋混凝土框架

框架結(jié)構(gòu)存在的問題主要是體系方面的:頂層為單跨框架，對抗震不利。原結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度可以滿足8度設(shè)防要求。采用設(shè)置抗側(cè)力支撐或消能阻尼器可以轉(zhuǎn)移或消耗原結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受的地震力，和原有結(jié)構(gòu)一起形成多道抗震防線。

參照原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙中的梁、柱和樓板的鋼筋及混凝土的強(qiáng)度等級，截面尺寸和實(shí)配鋼筋采用PMCAD建立模型，SATWE進(jìn)行計(jì)算分析，參數(shù)按照表1的調(diào)整系數(shù)對8度(0.2 g)的多遇地震影響系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，框架抗震等級按1級考慮。計(jì)算后發(fā)現(xiàn)的主要問題如下:

(1)側(cè)移計(jì)算

SATWE小震作用下的最大層間位移為:X向1/410，Y向1/362，規(guī)范限值為1/550，不滿足要求。

最大位移與層平均位移的比值:X向1.32;Y向1.38;最大層間位移與平均層間位移的比值:X向1.45; Y向1.48;均為大于1.2小于1.5的范疇，滿足規(guī)范要求，但屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，與避難建筑的設(shè)計(jì)要求2.2節(jié)第二條的要求不符。

(2)配筋計(jì)算

①柱配筋:標(biāo)高在3.00米～6.00米間有6根柱超筋;標(biāo)高在7.70米～10.10米間有四根角柱超筋;標(biāo)高在10.10米～17.30米間有2根柱超筋，主要是箍筋筋超筋。柱縱向鋼筋較原配筋平均增大15%。除箍筋超筋的柱外，大部分柱箍筋滿足要求。

②梁配筋:梁的縱筋和箍筋均能滿足要求，其配筋最大增加3%。

以上側(cè)移超限、柱箍筋超筋均是由于側(cè)移剛度不足所致。梁配筋滿足率較高是因?yàn)?在復(fù)核計(jì)算時(shí)，沒有采用原體育場館的活荷載，而是2.5 kN/m2的避難人員荷載計(jì)算的。綜上所述，原結(jié)構(gòu)的抗震性能無法滿足《防災(zāi)避難場所設(shè)計(jì)規(guī)范》對避難建筑的要求，必須改善結(jié)構(gòu)整體抗震性能;對于新建房屋，可按照現(xiàn)行范增大梁柱截面及配筋，但是如利用原有建筑，此方案加固費(fèi)用高昂，必須采取其他有效措施，如采用外圍增設(shè)柱間鋼支撐來提高側(cè)移剛度，或者采用減震效果較好的阻尼器，以達(dá)到滿足使用的要求。

3 避難建筑設(shè)計(jì)的分析計(jì)算及論證

3.1 設(shè)計(jì)方案

采用兩種方案，一種只在四邊設(shè)鋼支撐，另一種加設(shè)速度型粘滯阻尼器，支撐及阻尼器的平面布置如圖1所示。對不同截面的鋼支撐進(jìn)行了試算，最終確定第一種方案采用HW350×350×12×19型鋼，第二種方案考慮鋼支撐的剛度對阻尼器消能的發(fā)揮的影響［3］，采用HW200×200×8×12型鋼。粘滯阻尼器的軸向力F和軸向變形速率v的關(guān)系為:

式中C為阻尼系數(shù)，a為阻尼指數(shù)。

設(shè)置速度型粘滯阻尼器時(shí)需要確定的參數(shù)包括阻尼系數(shù)、阻尼指數(shù)和與阻尼器相連鋼支撐的剛度，其中阻尼指數(shù)的選擇對結(jié)果影響不大［4］。阻尼器的個數(shù)和出力對阻尼器消能的發(fā)揮有著直接影響［5］，阻尼器出力隨著阻尼系數(shù)的增大而增大。為了避免設(shè)置阻尼器給原構(gòu)件帶來過大的附加內(nèi)力，阻尼系數(shù)不宜過大，經(jīng)試算后取400，阻尼指數(shù)取1。

計(jì)算中采用SATWE及ETABS軟件進(jìn)行小震下結(jié)構(gòu)的抗震性能對比分析。采用EPDA軟件和ETABS進(jìn)行彈塑性靜力及動力時(shí)程對比分析。樓板采用剛性板假定計(jì)算結(jié)構(gòu)位移比，以地下室頂板作為嵌固端。

3.2 多遇地震下的抗震性能分析結(jié)果

3.2.1 結(jié)構(gòu)動力特性分析

結(jié)構(gòu)自振周期計(jì)算結(jié)果如表2所示，可以看出由于采用支撐的截面較大，導(dǎo)致自振周期也偏大。兩個軟件的計(jì)算結(jié)果相差不大。第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比:SATWE為0.661和0.632，ETABS為0.615和0.603，均滿足規(guī)范要求。

表2 結(jié)構(gòu)自振周期計(jì)算結(jié)果

3.2.2 側(cè)移計(jì)算

(1)層間位移角

SATWE小震作用下的最大層間位移為:X向1/716，Y向1/712;ETABS為:X向1/747，Y向1/772，SATWE及ETABS計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。圖2為SATWE采用阻尼器工況下的X、Y方向的最大層間位移角曲線。

圖2 SATWE采用阻尼器工況下的最大層間位移角曲線

(2)位移比

結(jié)構(gòu)在小震時(shí)考慮偶然偏心的樓層最大位移與平均位移比，兩種支撐情況兩種軟件的計(jì)算結(jié)果均小于1.2，滿足規(guī)范要求。圖3為ETABS在采用阻尼器工況下的X、Y方向的位移比曲線。

圖3 ETABS在采用阻尼器工況下的位移比曲線

由上可知，經(jīng)加設(shè)支撐或阻尼器之后，體育館的位移比能夠滿足規(guī)范要求，并實(shí)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)規(guī)則。

4.2.3 內(nèi)力計(jì)算

X方向上的各層剪力和樓層剪重比如表3所示，可以看出阻尼器在多遇地震作用時(shí)，由于位移很小作用不大，鋼支撐則在小震時(shí)起到比較理想的抗側(cè)力效果，兩種方案均能滿足結(jié)構(gòu)在多遇地震下的受力要求，規(guī)范中的各項(xiàng)指標(biāo)(軸壓比，長細(xì)比，剪重比，剛度比，地震剪力系數(shù)等)均符合規(guī)定。

表3 X方向上的各層剪力和樓層剪重比(kN)

圖4 分析成果曲線

3.3 罕遇地震下的抗震性能分析結(jié)果

3.3.1 靜力彈塑性分析

Push-over方法是一種結(jié)構(gòu)抗震能力評價(jià)的新方法，其應(yīng)用范圍主要集中于對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震能力的估計(jì)。從本質(zhì)上說屬于靜力非線性計(jì)算方法。利用該方法，可將每個不同的結(jié)構(gòu)自振周期及其對應(yīng)的地震影響系數(shù)繪成曲線，也把相應(yīng)場地的各條反應(yīng)譜曲線繪在一起，如圖4所示。如果結(jié)構(gòu)反應(yīng)曲線能夠穿過某條反應(yīng)譜，就說明結(jié)構(gòu)能夠抵抗那條反應(yīng)譜所對應(yīng)的地震烈度。

采用EPDA和ETABS進(jìn)行結(jié)構(gòu)的push-over靜力彈塑性分析(大震參數(shù)按表1進(jìn)行調(diào)整)，計(jì)算得到的基底剪力和最大層間位移角如表4所示。表中可以看出，結(jié)果均滿足規(guī)范中彈塑性位移角限值的要求(1/55)，EPDA計(jì)算得到的基底剪力值偏大，兩種軟件采用了不同的計(jì)算模型(EPDA纖維束模型，ETABS塑性鉸模型)，塑性鉸模型剛度退化較快，導(dǎo)致性能點(diǎn)基底剪力值較小。采用阻尼器方案的結(jié)構(gòu)在大震下的反應(yīng)表現(xiàn)優(yōu)于僅采用鋼支撐的結(jié)構(gòu)。

表4 push-over X向計(jì)算結(jié)果

圖5 EPDA采用鋼支撐結(jié)構(gòu)的能力曲線

3.3.2 動力彈塑性時(shí)程分析

采用的地震波為場地相對應(yīng)的ElCentro波、Taft波和中國建筑科學(xué)研究院提供的人工波RH1TG035，按設(shè)防烈度8度(0.2g)并按表1系數(shù)進(jìn)行調(diào)整后進(jìn)行時(shí)程分析所用的地震加速時(shí)程曲線的最大值:多遇地震下取102 cm/s2，罕遇地震下取532 cm/s2。動力弾塑性時(shí)程分析采用EPDA進(jìn)行，計(jì)算得到的基底剪力和最大層間位移角如表5、6所示。表中可以看出，結(jié)果均滿足規(guī)范中彈塑性位移角限值的要求(1/55)，其結(jié)果同靜力弾塑性分析結(jié)果相差在10%以內(nèi)，其中人工波下的層間位移角較為接近于Pushover分析結(jié)果。

表5 大震弾塑性層間位移角和底部剪力(鋼支撐)

表6 大震弾塑性層間位移角和底部剪力(阻尼器)

結(jié)構(gòu)所形成的塑性鉸以梁鉸居多，三層處動靜力分析下內(nèi)部梁兩端基本都屈服。如圖6所示。

圖6 三層塑性鉸分布圖

4 結(jié)論

(1)嚴(yán)格按照本地區(qū)設(shè)防要求的體育館結(jié)構(gòu)，經(jīng)二次設(shè)計(jì)，加設(shè)必要的支撐或者減震構(gòu)件之后，能夠滿足《防災(zāi)避難場所設(shè)計(jì)規(guī)范》對避難建筑的要求;但是支撐及減震構(gòu)件的布置、個數(shù)和參數(shù)是一個優(yōu)化問題，需要進(jìn)行反復(fù)比較和試算。

(2)采用框架結(jié)構(gòu)的體育館建筑由于地震作用下變形較大，不利于此類結(jié)構(gòu)的抗震，因此改變結(jié)構(gòu)體系提高抗側(cè)剛度應(yīng)該為首選方案。這樣，一方面可以增加結(jié)構(gòu)剛度，減小地震作用下的變形;另一方面也可以增加一道強(qiáng)大的抗震防線，可以使原有框架結(jié)構(gòu)退居第二道防線，從而也就可以降低原有框架結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施要求。

(3)對于避難建筑的設(shè)計(jì)，宜采用反應(yīng)譜法和靜力弾塑性以及動力弾塑性時(shí)程分析法進(jìn)行計(jì)算，并加以比較分析和校核。各種計(jì)算方法均應(yīng)滿足規(guī)范對位移角和基底剪力的限制。

［1］ 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).防災(zāi)避難場所設(shè)計(jì)規(guī)范(報(bào)批稿)［S］.

［2］ 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2010)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］ 歐進(jìn)萍，吳斌，龍旭.結(jié)構(gòu)被動耗能減振效果的參數(shù)影響［J］.地震工程和工程振動，1998，18(1):60-70.

［4］ 李文峰，苗啟松，盧清剛.體育館加固工程消能減震技術(shù)應(yīng)用的若干問題探討［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2006，36(6):96-98.

［5］ 翁大根，呂西林.消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)研究與試驗(yàn)驗(yàn)證［J］.地震工程和工程振動，2004，24(2):150-157.