歷史建筑性能化隔震設(shè)計(jì)方法初探

謝沐玄 潘晴煒 李 軒 盧文勝，*

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，上海200092）

0 引 言

歷史建筑在長(zhǎng)期使用過程中，受自然、人為等因素的影響，會(huì)產(chǎn)生材料和結(jié)構(gòu)上的不同程度的損傷，即建筑的時(shí)隨劣化［1］。這種損傷的積累會(huì)造成材料、構(gòu)件乃至結(jié)構(gòu)整體的性能降低，降低結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性，從而嚴(yán)重影響建筑結(jié)構(gòu)的正常使用功能。此外，由于新規(guī)范的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及要求提升，許多歷史建筑難以滿足現(xiàn)行規(guī)范抗震要求，故需對(duì)其抗震性能進(jìn)行適度提升。

在歷次的地震中，歷史建筑損傷及震害均較為嚴(yán)重，尤其是具有人文藝術(shù)價(jià)值的文物部件的損傷［2-3］，往往造成無法彌補(bǔ)的損失。

2008 年汶川地震中，都江堰標(biāo)志性古建筑“二王廟”損毀嚴(yán)重，多處墻壁倒塌（圖1）；2015年尼泊爾地震中，加德滿都杜巴廣場(chǎng)瑪珠廟等多處世界文化遺產(chǎn)建筑倒塌（圖2），造成歷史建筑文化藝術(shù)價(jià)值的喪失。

圖1 都江堰二王廟在汶川地震中震毀Fig.1 The Erwang Temple in Dujiangyan was destroyed under the Wenchuan Earthquake

圖2 尼泊爾地震中歷史建筑倒塌Fig.2 Historic buildings collapsed under the Nepal Earthquake

一般而言，傳統(tǒng)加固手段對(duì)歷史建筑及文物很難起到較好的保護(hù)效果，而采取隔震保護(hù)措施則是提升其建筑功能和安全性的重要解決方案［4］。通過明確歷史建筑保護(hù)目標(biāo)，采取合理的技術(shù)措施，既可確保在改造加固時(shí)建筑的內(nèi)部及外部不產(chǎn)生不可控破壞，又可提升加固后建筑的安全性。

長(zhǎng)期以來，一些建筑結(jié)構(gòu)雖然在地震中可以有效防止倒塌，但由于建筑正常使用功能和文化價(jià)值的喪失所造成的損失依然巨大。因此，國(guó)內(nèi)外較早開展了建筑結(jié)構(gòu)的性能化抗震設(shè)計(jì)與研究工作，取得了較大進(jìn)展［5］，即通過更靈活多樣的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)及更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析方法，將建筑結(jié)構(gòu)由于地震作用產(chǎn)生的損傷及損失控制在預(yù)期目標(biāo)的范圍內(nèi)，在保證結(jié)構(gòu)與生命安全的前提下，盡可能地減小經(jīng)濟(jì)損失。

基于多年研究工作，國(guó)內(nèi)在相關(guān)規(guī)范規(guī)程中，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)具有較為明確的劃分［6-7］，國(guó)外也在實(shí)際工程運(yùn)用中，體現(xiàn)了關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)抗震的性能化設(shè)計(jì)的步驟及標(biāo)準(zhǔn)［8-10］。

1 歷史建筑性能化隔震兩階段設(shè)計(jì)方法

考慮到歷史建筑及其隔震結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)分析尚無工程經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，特提出針對(duì)歷史建筑結(jié)構(gòu)的性能化隔震兩階段設(shè)計(jì)方法，如圖3所示，即：

第一階段，對(duì)歷史建筑結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)進(jìn)行鑒定評(píng)估，明確其保護(hù)需求。

第二階段，根據(jù)歷史建筑的抗震性能評(píng)估設(shè)定隔震加固目標(biāo)，進(jìn)行性能化隔震設(shè)計(jì)。

本文主要討論第二階段的性能化隔震設(shè)計(jì)方法。

2 歷史建筑隔震性能化水準(zhǔn)及指標(biāo)分析

根據(jù)歷史建筑保護(hù)需求，探討歷史建筑性能水準(zhǔn)，確定合理的隔震性能量化指標(biāo)，并明確歷史建筑隔震性能目標(biāo)。

2.1 歷史建筑隔震性能水準(zhǔn)

借鑒國(guó)內(nèi)相關(guān)性能水準(zhǔn)劃分，并結(jié)合國(guó)外相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，將歷史建筑隔震結(jié)構(gòu)性能劃分為三類：第一類，主要根據(jù)結(jié)構(gòu)宏觀損壞程度、不同類別結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞程度和結(jié)構(gòu)震后繼續(xù)使用的可能性等進(jìn)行水準(zhǔn)劃分，參見表1；第二類，主要考慮歷史建筑中具有保護(hù)價(jià)值的歷史文物，明確與主體結(jié)構(gòu)連接較為緊密的關(guān)鍵非結(jié)構(gòu)構(gòu)件需求，并要求非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水平與主體結(jié)構(gòu)性能水平協(xié)調(diào)統(tǒng)一，參見表2；第三類，考慮隔震層構(gòu)件同樣需要保持功能需求，如穿越隔震層的管線和設(shè)備的變形適應(yīng)能力等，其性能水準(zhǔn)劃分參見表3。

圖3 歷史建筑結(jié)構(gòu)性能化隔震設(shè)計(jì)方法Fig.3 The method of structural performance-based design for based-isolated historic buildings

表1 歷史建筑主體結(jié)構(gòu)隔震性能水準(zhǔn)（第一類）Table 1 The performance level of historic buildings with isolation based on main structure（Category Ⅰ）

表2 歷史建筑關(guān)鍵非結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能水準(zhǔn)（第二類）Table 2 The performance level of historic buildings based on key non-structural components（Category Ⅱ）

2.2 歷史建筑隔震性能量化指標(biāo)

已有研究、震害經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)例分析等結(jié)果表明，采用層間位移角來衡量結(jié)構(gòu)變形能力，從而判別是否滿足建筑功能要求是合理的，層間位移角也是國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)中最為常用的量化指標(biāo)。

對(duì)于歷史建筑第一類性能水準(zhǔn)，針對(duì)較為常見的木構(gòu)古建和框架結(jié)構(gòu)歷史建筑，參考技術(shù)規(guī)程［11-12］，并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)［13］，擬定不同性能水準(zhǔn)下的層間位移角限值，如表4所示。

表3 歷史建筑隔震層構(gòu)件性能水準(zhǔn)（第三類）Table 3 The performance level of historic buildings based on components in isolation layer（Category Ⅲ）

對(duì)于歷史建筑第二類性能水準(zhǔn)，考慮一般具有保護(hù)價(jià)值的文物，像佛像、壁畫等，大都附著于填充墻上，故以填充墻作為關(guān)鍵非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其性能量化指標(biāo)如表5所示。

表4 歷史建筑第一類性能量化指標(biāo)Table 4 The quantitative index of performance for Category Ⅰof historic buildings

表5 歷史建筑第二類性能量化指標(biāo)Table 5 The quantitative index of performance for Category Ⅱof historic buildings

對(duì)于歷史建筑第三類性能水準(zhǔn)，隔震支座（以橡膠隔震支座為例）以支座剪切變形作為評(píng)價(jià)指標(biāo)［14-15］；而隔震層中的設(shè)備、管線等構(gòu)件，在隔震層發(fā)生較大水平位移時(shí)將出現(xiàn)損壞情況，則以層間位移角作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體指標(biāo)如表6 所示。在最后確定隔震層的性能量化指標(biāo)時(shí)，取兩者的較小值。

表6 歷史建筑第三類性能量化指標(biāo)Table 6 The quantitative index of performance for Category Ⅲof historic buildings

2.3 歷史建筑隔震性能目標(biāo)

歷史建筑隔震性能目標(biāo)由抗震設(shè)防水準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)組合，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的特殊性、歷史文化價(jià)值、修復(fù)難易程度等多重因素。結(jié)合提出的三類性能水準(zhǔn)，將歷史建筑隔震設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)劃分為四個(gè)等級(jí)，A 表示最為嚴(yán)格的性能目標(biāo)，D表示最基本的性能目標(biāo)。

在具體工程案例分析時(shí)，為保證性能化隔震設(shè)計(jì)的合理性，需要結(jié)合歷史建筑結(jié)構(gòu)以及使用功能現(xiàn)狀，明確其保護(hù)需求，從而確定如何組合三類性能水準(zhǔn)，即從第一類和第二類水準(zhǔn)中選擇其一或?qū)⒍呓M合，再與第三類水準(zhǔn)結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表7 歷史建筑隔震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)（1）Table 7 The performance targets of base-isolated historic buildings（1）

表8 歷史建筑隔震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)（2）Table 8 The performance targets of based-isolated historic buildings（2）

根據(jù)性能水準(zhǔn)的組合情況，提出相應(yīng)的性能目標(biāo)。表7 和表8 分別為某歷史建筑典型性能水準(zhǔn)組合情況下的性能目標(biāo)，具體案例分析見后文。

3 案例分析

通過兩個(gè)歷史建筑隔震工程案例，進(jìn)行性能化隔震設(shè)計(jì)，驗(yàn)證性能化隔震設(shè)計(jì)的合理性、有效性。

3.1 某框架結(jié)構(gòu)歷史建筑組合隔震設(shè)計(jì)

3.1.1 第一階段：歷史建筑性能評(píng)估

某市級(jí)優(yōu)秀歷史建筑，建成于1935 年。其外立面呈現(xiàn)現(xiàn)代主義風(fēng)格，清水紅磚墻，各立面橫縱線條構(gòu)圖韻味濃厚，原檐口有多重線腳，室內(nèi)大廳中庭設(shè)計(jì)，帶有裝飾派藝術(shù)技巧，是該歷史建筑的主要保護(hù)范圍。

圖4 某市級(jí)優(yōu)秀歷史建筑外立面Fig.4 The facade of a municipal excellent historical building

該房屋結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)共六層（屋面有出屋面樓梯間、電梯機(jī)房），柱距為6.00～6.25 m。柱截面尺寸由下至上逐漸減小，梁截面尺寸從2～6 層保持不變，但屋面梁截面尺寸較小。結(jié)構(gòu)平面如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖（單位：mm）Fig.5 Typical floor plan（Unit：mm）

經(jīng)第一階段結(jié)構(gòu)性能評(píng)估，原框架結(jié)構(gòu)按靜力設(shè)計(jì)，兩個(gè)方向框架梁截面相差較大，抗側(cè)性能存在差別，房屋結(jié)構(gòu)混凝土碳化嚴(yán)重，強(qiáng)度普遍較低，僅為C13；局部構(gòu)件鋼筋銹蝕、銹脹嚴(yán)重，導(dǎo)致混凝土表面開裂；部分非結(jié)構(gòu)構(gòu)件有裂縫。為保護(hù)房屋外立面歷史風(fēng)貌，保證房屋的后期安全使用，需要對(duì)其采取隔震加固措施［16］。

3.1.2 第二階段：性能化隔震設(shè)計(jì)

（1）性能目標(biāo)設(shè)定。根據(jù)歷史建筑保護(hù)要求，房屋外立面建筑風(fēng)格不得改變，內(nèi)部非結(jié)構(gòu)構(gòu)件無保護(hù)需求，同時(shí)按照建筑功能要求，并考慮到房屋結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度較低，不適宜采用增加梁柱構(gòu)件截面或設(shè)置柱間支撐的形式進(jìn)行加固。

綜合房屋安全和經(jīng)濟(jì)性［17］，并考慮上部結(jié)構(gòu)和隔震層性能，結(jié)合歷史建筑第一類及第三類性能水準(zhǔn)進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)。

根據(jù)歷史建筑隔震性能目標(biāo)等級(jí)劃分（表7），雖然該歷史建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度偏低，但結(jié)構(gòu)完整性較好，故擬定該隔震結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)為B級(jí)，具體位移限值如表9所示。

表9 隔震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)Table 9 Performance targets of the isolation structure

（2）場(chǎng)地及地震波選取。建筑位于Ⅳ類場(chǎng)地、按七度設(shè)防要求以及結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)，選取多條天然地震波和一條人工模擬地震波，進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析（直接積分法）。分別進(jìn)行多遇、基本、罕遇地震下的時(shí)程驗(yàn)算。

（3）隔震設(shè)計(jì)。建立SAP2000 結(jié)構(gòu)模型，如圖6 所示。采用鉛芯橡膠支座與彈性滑板支座組合隔震的方式，布置如圖7 所示，相對(duì)應(yīng)的支座參數(shù)可參見表10。

圖6 SAP2000有限元模型Fig.6 Finite element model in SAP2000

（4）隔震結(jié)構(gòu)性能分析。

①結(jié)構(gòu)周期。從表11可以看出，隨著地震作用水準(zhǔn)的提升，隔震層對(duì)結(jié)構(gòu)周期有逐漸顯著的延長(zhǎng)效果。

②上部結(jié)構(gòu)層間位移角。從表12可以看出，罕遇地震下，上部結(jié)構(gòu)層間位移角滿足以1/250為限值的性能目標(biāo)要求。

圖7 隔震支座布置平面圖（單位：mm）Fig.7 The layout of isolation bearings（Unit：mm）

表10 隔震層支座性能參數(shù)表Table 10 Table of performance parameters of isolation bearings

表11 隔震前后結(jié)構(gòu)周期對(duì)比Table 11 Structural periods with/without isolation s

③隔震層位移罕遇地震工況下，隔震層最大水平位移為237.4 mm，滿足表9 設(shè)定的性能目標(biāo)（隔震層位移限值250 mm），保證了隔震層支座的性能需求。

3.2 某木構(gòu)古建的摩擦滑移隔震設(shè)計(jì)

3.2.1 第一階段：歷史建筑性能評(píng)估

該大雄寶殿古建筑始建于約1918 年，為木結(jié)構(gòu)重檐歇山式單層建筑，屬江南明清殿閣建筑風(fēng)格，其主體結(jié)構(gòu)、隔墻及其內(nèi)部佛像等均為該歷史建筑的主要保護(hù)范圍。

表12 罕遇地震下樓層層間位移角及減震系數(shù)Table 12 The story-drift and seismic decrease coefficient under rare earthquake

建筑平面呈矩形，東西向?yàn)殚L(zhǎng)邊，共五開間。外立面如圖8所示。

圖8 某木構(gòu)大雄寶殿Fig.8 Timber Great Buddha’s Hall

主體結(jié)構(gòu)采用中國(guó)傳統(tǒng)的抬梁式木結(jié)構(gòu)體系，主要豎向承重構(gòu)件為木柱，柱底置于鼓磴之上；梁為水平承重構(gòu)件，截面形式有矩形和圓形兩種；梁柱間采用榫卯連接，榫頭凸出處用鐵銷插入固定。其結(jié)構(gòu)剖面圖如圖9所示。

圖9 某木構(gòu)大雄寶殿結(jié)構(gòu)剖面圖（單位：mm）Fig.9 The structural profile of Timber Great Buddha’s Hall（Unit：mm）

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，無論是主體結(jié)構(gòu)還是非結(jié)構(gòu)構(gòu)件等均出現(xiàn)了不同程度的損壞。大雄寶殿外立面存在墻面粉刷龜裂、屋脊局部開裂、走獸泥塑開裂、瓦片松動(dòng)移位或缺損等破損現(xiàn)狀；大殿室內(nèi)則存在部分雕塑老化損壞，屋面板底木檁、木椽、木梁、斗拱開裂，部分榫卯連接出現(xiàn)脫榫等情況。

3.2.2 第二階段：性能化隔震設(shè)計(jì)

（1）性能目標(biāo)設(shè)定?？紤]該木構(gòu)古建中各類具有保護(hù)價(jià)值的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如佛像、壁塑、壁畫、室內(nèi)外裝修等，且中國(guó)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，所以確定保護(hù)主體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵非結(jié)構(gòu)構(gòu)件為該歷史建筑的抗震性能目標(biāo)，即結(jié)合歷史建筑第一類、第二類及第三類性能水準(zhǔn)進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)。

根據(jù)已提出的性能目標(biāo)等級(jí)劃分（表8），考慮到該歷史建筑為木結(jié)構(gòu)，且構(gòu)件存在較多的損壞情況，故擬定該隔震結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)為C級(jí)，具體位移限值如表13所示。

表13 隔震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)Table 13 Performance targets of the isolation structure

（2）場(chǎng)地及地震波選取。建筑位于Ⅳ類場(chǎng)地，抗震設(shè)防烈度為7 度，選取多條天然地震波和人工模擬地震波，分別進(jìn)行多遇、基本和罕遇地震下的時(shí)程驗(yàn)算。

（3）隔震設(shè)計(jì)。建立SAP2000 軟件結(jié)構(gòu)模型，如圖10 所示。該木結(jié)構(gòu)古建筑建造年代久遠(yuǎn)，存在較多破損情況，因此在建模過程中根據(jù)木材使用年限對(duì)其材料強(qiáng)度進(jìn)行折減。同時(shí)對(duì)于結(jié)構(gòu)中較為關(guān)鍵的榫卯節(jié)點(diǎn)，在軟件中采用線性彈簧單元模擬，該單元可將轉(zhuǎn)動(dòng)剛度作為輸入?yún)?shù)，從而模擬任意剛度的節(jié)點(diǎn)，依據(jù)榫卯節(jié)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果設(shè)定模型節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度［18］。

采用以彈性滑板支座為主，輔以少量厚層橡膠隔震支座及黏滯阻尼器的摩擦滑移組合隔震方案。支座摩擦滑移使得隔震層等效剛度變化幅度較大，其等效頻域范圍較寬，適合于軟土場(chǎng)地長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)隔震；增設(shè)少量厚層橡膠支座與黏滯阻尼器，可在保持減震效果的前提下，適度限制隔震層的不利位移及減小隔震系統(tǒng)的震后殘余變形，從而滿足罕遇地震下隔震層位移要求。摩擦滑移隔震體系不具備大震下的自復(fù)位功能，在大震后將存在殘余變形，因此在隔震層的四周布置四個(gè)復(fù)位節(jié)點(diǎn)，在震后可通過安裝千斤頂?shù)确绞綄?duì)大雄寶殿進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位節(jié)點(diǎn)側(cè)面設(shè)置預(yù)埋件，方便千斤頂?shù)妊b置的安裝或更換。隔震層支座布置可參見圖11，復(fù)位節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖12所示。

圖10 SAP2000有限元模型Fig.10 Finite element model in SAP2000

圖11 隔震支座布置平面圖（單位：mm）Fig.11 The layout of isolation bearings（Unit：mm）

圖12 復(fù)位節(jié)點(diǎn)（單位：mm）Fig.12 Resetting joint（Unit：mm）

（4）隔震結(jié)構(gòu)性能分析。

①結(jié)構(gòu)周期。隔震前后結(jié)構(gòu)周期對(duì)比如表14 所示。可見在不同水準(zhǔn)地震下，以摩擦滑移支座為主的組合隔震層對(duì)周期延長(zhǎng)效果較佳，能夠有效避開場(chǎng)地特征周期。

表14 隔震前后結(jié)構(gòu)周期對(duì)比Table 14 Structural periods with/without isolation s

②上部結(jié)構(gòu)層間位移角。隔震加固前，結(jié)構(gòu)層間位移角在多遇地震下為1/410，基本地震下1/143，罕遇地震下1/60；隔震加固后，大雄寶殿在多遇地震、基本地震、罕遇地震下的層間位移角分別是1/586、1/295 和1/186，較隔震前顯著降低，有效提升了大雄寶殿古建筑的結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水準(zhǔn)，滿足所提出的預(yù)期性能目標(biāo)。

圖13 罕遇地震下隔震前后層間位移角時(shí)程對(duì)比Fig.13 Comparison of story-drift under time history before and after isolation in rare earthquakes

③隔震層位移。罕遇地震工況下，隔震層最大水平位移為238.4 mm，滿足表13設(shè)定的性能目標(biāo)（隔震層位移限值480 mm）。

由于本文對(duì)關(guān)鍵非結(jié)構(gòu)構(gòu)件所采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)尚不能涵蓋種類繁多的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，此方面有待進(jìn)一步研究完善。

4 結(jié) 論

以歷史建筑為對(duì)象，針對(duì)城市更新修繕過程中所遇到的歷史建筑老化損傷以及文化價(jià)值保護(hù)等需求，結(jié)合在歷史建筑改造加固中可采取的隔震技術(shù)措施，提出了綜合考慮上部結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及隔震層的性能化隔震兩階段設(shè)計(jì)方法，并通過實(shí)際案例分析，得出以下結(jié)論：

（1）在歷史建筑改造加固中，需對(duì)其性能現(xiàn)狀進(jìn)行有效評(píng)估，明確建筑抗震性能保護(hù)需求。

（2）針對(duì)不同歷史建筑的特點(diǎn)，區(qū)分重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象，將隔震性能水準(zhǔn)分為三類，分別設(shè)定保護(hù)主體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵非結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及隔震層構(gòu)件的性能量化指標(biāo)。

（3）確定性能化隔震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)，保證上部結(jié)構(gòu)安全性能，以及確保關(guān)鍵非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、隔震層構(gòu)件及設(shè)備管線等抗震性能。

（4）通過框架結(jié)構(gòu)和木構(gòu)古建兩項(xiàng)工程案例的設(shè)計(jì)分析，驗(yàn)證了所提出的歷史建筑性能化隔震設(shè)計(jì)方法的合理性及有效性。