基于性能的鋼筋混凝土框架校舍抗震鑒定方法及應(yīng)用

郭樟根，趙　磊，李憫粟，孫偉民

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京　210000)

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基于性能的鋼筋混凝土框架校舍抗震鑒定方法及應(yīng)用

郭樟根，趙磊，李憫粟，孫偉民

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京210000)

摘要：基于性能抗震設(shè)計可使所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能將各種可能遇到的地震作用下的反應(yīng)和損傷狀態(tài)控制在設(shè)計預(yù)期要求的范圍內(nèi).將基于性能抗震設(shè)計的理論引入抗震鑒定工作中，提出基于性能的抗震鑒定方法，選取結(jié)構(gòu)的層間位移角和塑性鉸轉(zhuǎn)角作為評估指標(biāo)，制定結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo).對一框架校舍采用彈塑性時程分析方法，進(jìn)行抗震鑒定.結(jié)果表明，相比兩級鑒定方法，該方法可以更全面反映結(jié)構(gòu)在地震中的性能表現(xiàn)，全面評價結(jié)構(gòu)的抗震性能，其鑒定結(jié)果更接近真實(shí)情況.

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土框架；性能抗震鑒定；彈塑性時程分析

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)因其平面布置靈活、造價低廉，被廣泛用于中、小學(xué)校舍.但我國大量現(xiàn)有的建造年代較早的框架校舍未考慮抗震設(shè)防或其抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)較低，抗震性能不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，地震中極易遭到破壞.2008年汶川特大地震中，許多中小學(xué)建筑遭到嚴(yán)重破壞甚至倒塌，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，社會影響極大[1].因此，對我國既有中小學(xué)校舍進(jìn)行抗震鑒定，對不滿足抗震要求的建筑進(jìn)行加固，才是避免悲劇重演的有效行為.

我國現(xiàn)行的GB 50023—2009《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》采用兩級鑒定方法評價多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu).這種方法在很多方面仍然停留在定性判斷的層面上，對各水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形、結(jié)構(gòu)的薄弱部位、塑性鉸出現(xiàn)的部位及出現(xiàn)順序、最終的破壞模式等無法進(jìn)行全面的預(yù)測，事實(shí)上很多即使?jié)M足現(xiàn)行兩級鑒定的各項(xiàng)要求的建筑物在地震中也遭到了破壞.

基于性能抗震設(shè)計[2]可使所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能將各種可能遇到的地震作用下的反應(yīng)和損傷狀態(tài)控制在設(shè)計預(yù)期要求的范圍內(nèi).該方法不僅要求結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下不能倒塌，以保證生命安全，而且要使結(jié)構(gòu)在各水準(zhǔn)地震作用下的經(jīng)濟(jì)損失最小.當(dāng)前，基于性能抗震設(shè)計方法是國內(nèi)外科研人員研究重點(diǎn)，且已在工程設(shè)計中得到了大量應(yīng)用.為了彌補(bǔ)現(xiàn)行抗震鑒定方法的不足，本研究將基于性能的抗震設(shè)計方法引入現(xiàn)有中小學(xué)校舍的抗震鑒定，提出了基于性能的抗震鑒定方法，選取結(jié)構(gòu)的層間位移角和塑性鉸轉(zhuǎn)角作為評估指標(biāo)，制定了結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)，并對一框架校舍采用彈塑性時程分析的方法，進(jìn)行了建筑物基于性能的抗震鑒定，全面評價結(jié)構(gòu)在各水準(zhǔn)地震作用下的抗震性能，以求指導(dǎo)后續(xù)的加固工作.

1基于性能的中小學(xué)RC框架校舍抗震鑒定方法

基于性能的抗震鑒定應(yīng)首先分析不同水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，在此基礎(chǔ)上全面評價結(jié)構(gòu)的抗震性能，評估結(jié)構(gòu)的整體受力性能是否滿足規(guī)范要求.其基本思路是：1)確定結(jié)構(gòu)的評估指標(biāo)、性能水準(zhǔn)、性能目標(biāo)；2)分析結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)地震作用下的位移、速度等動力反應(yīng)；3)在此基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能鑒定.

確定結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于性能的抗震鑒定的基礎(chǔ),確定性能目標(biāo)時應(yīng)考慮到社會的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平、建筑的使用功能、抗震設(shè)防烈度、場地條件、抗震設(shè)防類別以及結(jié)構(gòu)類型.

通過彈塑性計算分析可以得到不同地震作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，進(jìn)而可以分析不同地震作用下結(jié)構(gòu)的性能水平.常用的分析方法有靜力彈塑性分析方法和彈塑性動力時程分析方法.

1.1結(jié)構(gòu)的評估指標(biāo)

力、位移和能量[3]是3種比較常用的量化結(jié)構(gòu)性能的物理指標(biāo).研究表明，截面的變形、極限應(yīng)變與結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)密切相關(guān).截面的變形通過轉(zhuǎn)化為位移的形式來控制結(jié)構(gòu)的損傷程度，故而選取結(jié)構(gòu)的層間位移角和構(gòu)件的塑性鉸轉(zhuǎn)角作為評估指標(biāo).

1.2結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)

性能水準(zhǔn)是指在遭遇特定設(shè)防地震作用時，所設(shè)計的建筑物出現(xiàn)的在規(guī)定范圍內(nèi)的最大容許破壞或容許的極限破壞.對結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于性能的抗震評估必須先確定相應(yīng)的性能水準(zhǔn)，就目前而言，各國對性能水準(zhǔn)的劃分尚未統(tǒng)一.

FEMA273中規(guī)定的結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)包括可繼續(xù)使用(S-1)、生命安全(S-3)、防止倒塌(S-5)這3個離散的結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)，另有控制破壞程度(S-2)：介于S-1和S-3之間的性能水準(zhǔn)和安全極限(S-4)：介于S-3和S-5之間的性能水準(zhǔn)[4]；國際結(jié)構(gòu)混凝土聯(lián)合會( 簡稱FIB) 結(jié)合各國劃分的標(biāo)準(zhǔn)，提出了損傷出現(xiàn)、正常運(yùn)作、能繼續(xù)居住、可修復(fù)、生命安全和預(yù)防倒塌6個性能水準(zhǔn)[5-7].

參考上述文獻(xiàn)及我國現(xiàn)行的GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[8]，將鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)校舍的性能水準(zhǔn)分為5檔，各性能水準(zhǔn)的定義與描述如表1 所示.

表1　結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)

1.3結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)

性能目標(biāo)是指所考察的建筑物在每一個設(shè)計地震水平下所要求達(dá)到的性能水準(zhǔn)的總和，即性能目標(biāo)是地震設(shè)防水準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的組合，因而應(yīng)考慮建筑物的使用要求、功能要求、經(jīng)濟(jì)條件要求等其他因素后綜合確定.參考規(guī)范中關(guān)于建筑性能化抗震設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，給出結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)，如表2所示.

表2　結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)

2工程應(yīng)用

2.1工程概況

本工程為南京市浦口區(qū)某中學(xué)宿舍樓，建于2003年.房屋總長為29.6 m，總寬為9.6 m，主體結(jié)構(gòu)共5層，層高均為3.2 m(宿舍樓被伸縮縫分為A、B兩部分，這里只研究B部分).房屋B部分的標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖1所示.

該宿舍樓為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，原為丙類建筑，抗震設(shè)防烈度為7度(0.1 g)，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類.A、D軸線柱截面為300 mm×400 mm，B、C軸線柱截面為350 mm×400 mm，A～D軸線梁截面為250 mm×500 mm，1～9軸線梁截面為250 mm×550 mm，各層梁柱截面尺寸相同.

圖1　宿舍樓標(biāo)準(zhǔn)層平面圖(單位：mm)

2.2基于彈塑性時程分析的抗震鑒定

2.2.1分析模型及地震波選取

采用SAP2000進(jìn)行建模分析.框架梁、柱均采用三維梁單元模擬，單元尺寸由程序自動劃分.樓板采用殼單元模擬，單元尺寸為500 mm×500 mm.對框架梁，考慮彎曲鉸；對框架柱，考慮由軸力和雙向彎曲耦合的塑性鉸.分析程序指定構(gòu)件的截面尺寸、混凝土強(qiáng)度等級、鋼筋強(qiáng)度等級及數(shù)量，通過分析得到各塑性鉸的屬性.結(jié)構(gòu)分析模型如圖2所示.

本工程場地特征周期Tg=0.45 s，抗震設(shè)防烈度為7度(0.10 g)，阻尼比為0.05.對比GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》反應(yīng)譜與ATC-40建議的反應(yīng)譜，可以確定多遇地震時地震系數(shù)CA=0.032,CV=0.036；設(shè)防地震時地震系數(shù)CA=0.092,CV=0.104；罕遇地震時地震系數(shù)CA=0.2,CV=0.225.

圖2　結(jié)構(gòu)分析模型

參照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于時程分析的相關(guān)規(guī)定，這里選取了適用于Ⅲ類場地的2組實(shí)際強(qiáng)震記錄和1組人工模擬的加速度時程曲線：1971年San Fernando地震記錄，PGA=207 gal；1994年Northridge地震記錄(東西向)，PGA=120 gal；根據(jù)工程場地條件生成的人工波，PGA=114 gal.

2.2.2抗震性能分析

1)層間位移角.為了方便，選取3條地震記錄作用下層間位移角的平均值對結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行評估.結(jié)構(gòu)底層在多遇地震作用下，X向的最大層間位移角平均值為0.001 23；設(shè)防地震作用下，X向的最大層間位移角平均值為0.003 48；罕遇地震作用下，X向的最大層間位移角平均值為0.007 15.

2)塑性鉸發(fā)展情況.在多遇地震作用下，梁柱基本保持彈性，均未出現(xiàn)塑性鉸；在設(shè)防地震作用下，2層樓面?zhèn)€別梁端出現(xiàn)塑性鉸；在罕遇地震作用下，2、3、4層樓面梁相繼出鉸，隨后，結(jié)構(gòu)底層大多數(shù)柱的根部出現(xiàn)塑性鉸.罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的塑性鉸分布如圖3所示.

3)結(jié)構(gòu)抗震性能評價.在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)X向的最不利層間位移角為0.001 16，小于[Δuε]，結(jié)構(gòu)基本完好；設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)X向的最不利層間位移角為0.003 19，結(jié)構(gòu)輕微損壞；罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)X向的最不利層間位移角為0.006 71，結(jié)構(gòu)中等破壞.根據(jù)表2，宿舍樓的抗震性能達(dá)到性能目標(biāo)3的要求.

圖3　罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的塑性鉸分布

在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的塑性鉸分布如圖3所示,2、3層樓面的梁端全部出現(xiàn)塑性鉸，底層部分柱根也出現(xiàn)了塑性鉸，不會引起結(jié)構(gòu)的局部倒塌或整體倒塌.

X向罕遇地震作用時，2、3層樓面梁相繼出現(xiàn)塑性鉸，隨后結(jié)構(gòu)底層大部分柱根部出現(xiàn)塑性鉸.結(jié)構(gòu)基本符合“強(qiáng)柱弱梁”的要求.

綜上所述，該綜合樓在多遇地震作用下基本保持彈性；在設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)輕微損壞，簡單修理后即可繼續(xù)使用；在罕遇地震作用下，最大層間位移角接近4[Δuε]，結(jié)構(gòu)中等破壞至接近嚴(yán)重破壞，需要大修后才可以繼續(xù)使用.

3結(jié)論

為了彌補(bǔ)現(xiàn)行抗震鑒定方法的不足，本文將基于性能的抗震設(shè)計方法引入現(xiàn)有中小學(xué)校舍的抗震鑒定，提出了基于性能的抗震鑒定方法，得到了以下主要結(jié)論：

1)基于性能的抗震鑒定方法通過選取結(jié)構(gòu)的層間位移角和塑性鉸轉(zhuǎn)角作為評估指標(biāo)，制定結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)，分析結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的反應(yīng).該方法可全面評價結(jié)構(gòu)在各水準(zhǔn)地震作用下的抗震性能，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，以指導(dǎo)后續(xù)的加固工作.

2)參照現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，選取了結(jié)構(gòu)的層間位移角和構(gòu)件的塑性鉸轉(zhuǎn)角作為評估指標(biāo)，并確定了結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo).這兩個評估指標(biāo)從結(jié)構(gòu)整體和構(gòu)件兩個層次對結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行控制，可以有效地防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體倒塌或者由個別構(gòu)件的破壞引起的局部倒塌.對汶川地震中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)校舍的破壞形式及破壞原因的分析表明，這種做法是合適的.

3)選取了3條典型的地震記錄，采用彈塑性時程法對一框架校舍結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析.分析結(jié)果表明，利用時程分析方法可以得到結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制、變形和塑性鉸的出現(xiàn)順序及分布，進(jìn)而可以更全面地了解結(jié)構(gòu)在地震中的性能表現(xiàn)，其鑒定結(jié)果能更真實(shí)、更準(zhǔn)確反應(yīng)結(jié)構(gòu)的抗震性能.

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[8] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

(編輯徐永銘)

On the Methods and Application of Performance-based

Aseismic Appraisal on RC Frame School Buildings

GUO Zhang-gen, ZHAO Lei, LI Min-su, SUN Wei-min

(College of Civil Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210000，China)

Abstract:Performance-based aseismic design can make the response and damage state of structures controlled within the scope of the designed expectations in any possibly encountered seismic actions.This paper put the performance-based aseismic design theory into the aseismic appraisal practice and proposed the methods of performance-based aseismic appraisal.Taking the inter-story displacement angle and plastic hinge rotation as evaluation index to determine the performance objectives, a seismic assessment was conducted in the framework of a schoolhouse with elasto-plastic time-history analysis method which, compared to the two-step method, fully reflected the performance of the structure in the earthquake, and made more comprehensive evaluation of it.The appraisal result was then closer to the real situation.

Key words:reinforced concrete frame; performance-based seismic appraisal; elasto-plastic time-history analysis

中圖分類號：TU375.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-358X(2015)01-0062-05

作者簡介：郭樟根(1977-)，男，江西吉安人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事混凝土與砌體結(jié)構(gòu)基本理論、結(jié)構(gòu)鑒定與加固改造研究.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50708045)

收稿日期：2014-11-28 2014-10-12