基于不同設(shè)防水準(zhǔn)的抗震對(duì)比分析

陳 波 樓映珠 蔣佳琪

（1.中國(guó)聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310051；2.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310051；3.浙江五洲工程項(xiàng)目管理有限公司，浙江 杭州 310053）

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的核心是滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)，我國(guó)采取兩階段設(shè)計(jì)步驟，第一階段設(shè)計(jì)，多遇地震下的承載力驗(yàn)算和彈性變形校核，即小震不壞的第一水準(zhǔn)目標(biāo)；第二階段設(shè)計(jì)，罕遇地震下的彈塑性變形驗(yàn)算，針對(duì)特殊建筑或薄弱不規(guī)則建筑的關(guān)鍵部位進(jìn)行彈塑性變形分析，以滿足大震不倒的第三設(shè)計(jì)水準(zhǔn)目標(biāo)。中震可修的第二水準(zhǔn)目標(biāo)，以小震不壞為前提，通過(guò)抗震概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施加以保證[1]。

針對(duì)某些特殊建筑，“三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)”不能滿足建筑全壽命周期的最優(yōu)成本要求。中震彈性和中震彈塑性是對(duì)此類建筑最常用的中震性能選擇，了解中震下各性能水準(zhǔn)，有利于合理地進(jìn)行性能目標(biāo)選擇。

1 抗震設(shè)計(jì)基本思路

我國(guó)現(xiàn)階段抗震設(shè)計(jì)方法是小震作用下的靜力彈性分析方法，根據(jù)現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)研究和材料本構(gòu)關(guān)系，通過(guò)數(shù)值模擬分析獲取各工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力組合及變形結(jié)果參數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估分析，判斷結(jié)構(gòu)是否滿足小震彈性的性能水準(zhǔn)要求。

中震彈性和中震彈塑性是中震水準(zhǔn)下的兩種常見(jiàn)設(shè)計(jì)方法，在滿足小震彈性的基礎(chǔ)上，選擇合適的地震波和人工模擬波進(jìn)行時(shí)程分析，通過(guò)包絡(luò)設(shè)計(jì)驗(yàn)算多組時(shí)程分析和小震設(shè)計(jì)的承載力及變形，達(dá)到中震預(yù)期的性能目標(biāo)要求。

結(jié)構(gòu)抗震性能是強(qiáng)度、剛度和延性的綜合體現(xiàn)，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)變形校核和構(gòu)件承載力驗(yàn)算保證水準(zhǔn)下的建筑抗震性能。

2 結(jié)構(gòu)變形校核

由結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理可知，建筑物水平自振周期與結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的平方根成反比關(guān)系，而自振周期越短，結(jié)構(gòu)水平地震作用力數(shù)值越大。因此，結(jié)構(gòu)抗側(cè)向剛度的選擇不宜過(guò)大，應(yīng)從根本上減小結(jié)構(gòu)水平地震作用力。結(jié)構(gòu)抗側(cè)向剛度也不應(yīng)過(guò)小，較小的側(cè)向剛度雖然減少了水平地震力，但是過(guò)大的側(cè)向位移形成重力二階效應(yīng)，加重了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞程度，影響建筑舒適性。考慮以上因素，抗震設(shè)計(jì)通過(guò)“七大基本參數(shù)”對(duì)建筑延性和變形進(jìn)行校核，其中，層間位移角是變形校核的重要控制指標(biāo)之一。

層間位移角是層間構(gòu)件相對(duì)變形與構(gòu)件高度的比值，彈性階段近似為構(gòu)件變形的正切值。層間位移角的大小和構(gòu)件抗側(cè)向剛度密切相關(guān)，能夠很好地反映構(gòu)件的抗變形能力和震后損壞程度，是進(jìn)行變形校核和鑒定結(jié)構(gòu)損傷的重要指標(biāo)之一。

參照我國(guó)地震破壞等級(jí)劃分[2]和各抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，最大層間位移角控制目標(biāo)參考值如表1所示。

表1 最大層間位移角控制目標(biāo)參考值

地震破壞分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：

（1）完好。受力構(gòu)件完好，處于彈性變形狀態(tài)，個(gè)別非受力構(gòu)件出現(xiàn)輕微裂縫，是構(gòu)件彈性位移角的限值參考值，震后不影響承載力和正常使用。

（2）輕微損壞。個(gè)別受力構(gòu)件出現(xiàn)輕微裂縫，處于基本彈性狀態(tài)，部分非受力構(gòu)件明顯裂縫，震后稍加維修即可正常使用。

（3）中等破壞。部分受力構(gòu)件出現(xiàn)明顯裂縫，屬于保證人身安全水準(zhǔn)的參考值，多數(shù)非受力構(gòu)件明顯破壞，震后經(jīng)一般維修可以適當(dāng)使用。

（4）嚴(yán)重破壞。多數(shù)受力構(gòu)件出現(xiàn)破壞，耗能構(gòu)件優(yōu)先進(jìn)入屈服狀態(tài)，是極限變形狀態(tài)參考值。多數(shù)非受力構(gòu)件破壞明顯，震后需要進(jìn)行修復(fù)或者加固才能正常使用。

對(duì)比結(jié)構(gòu)最大層間位移角，可以分析建筑物在設(shè)防水準(zhǔn)下具備的抗變形能力和震后損壞程度是否滿足預(yù)期目標(biāo)下的延性要求。

3 承載力驗(yàn)算

小震下的承載力驗(yàn)算是抗震設(shè)計(jì)保證建筑安全的基本要求，對(duì)于超限項(xiàng)目或功能特殊性項(xiàng)目還需要滿足更高的性能要求，中震性能設(shè)計(jì)方法包括中震彈性和中震彈塑性，在設(shè)計(jì)方法和概念上與小震具有較大不同。文章選取框架結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)體系，初步分析小震和中震條件下豎向構(gòu)件的綜合內(nèi)力放大系數(shù)。

（1）內(nèi)力影響參數(shù)。小震不壞的第一水準(zhǔn)要求建筑結(jié)構(gòu)在小震作用中處于彈性設(shè)計(jì)階段，地震影響系數(shù)最大值αmax按照多遇地震取值，按規(guī)范需要考慮豎地震計(jì)算內(nèi)力調(diào)整系數(shù)、材料強(qiáng)度調(diào)整系數(shù)、地震荷載分項(xiàng)系數(shù)以及承載力抗震調(diào)整系數(shù)[3]。

中震作用下，地震影響系數(shù)最大值αmax按照抗震設(shè)防烈度取值。中震彈性設(shè)計(jì)考慮材料強(qiáng)度調(diào)整系數(shù)、地震荷載分項(xiàng)系數(shù)以及承載力抗震調(diào)整系數(shù)，但不考慮地震計(jì)算內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，保留構(gòu)件承載力的安全余量。其中，中震彈塑性設(shè)計(jì)屬于中震條件下的承載能力極限設(shè)計(jì)，上述所有內(nèi)力調(diào)整系數(shù)均不考慮[3]。小震和中震條件下內(nèi)力影響參數(shù)如表2所示。

表2 小震和中震條件下內(nèi)力影響參數(shù)

（2）水平地震影響系數(shù)最大值αmax。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，水平地震影響系數(shù)最大值αmax如表3所示。由表3可知，中震作用下的地震影響系數(shù)αmax為小震作用下2.81～3.00倍，綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)討論中，比例關(guān)系取2.80倍進(jìn)行計(jì)算分析。

表3 水平地震影響系數(shù)最大值αmax

（3）內(nèi)力調(diào)整系數(shù)。根據(jù)抗震概念設(shè)計(jì)，豎向構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算需要進(jìn)行“強(qiáng)柱弱梁”和“強(qiáng)剪弱彎”的內(nèi)力調(diào)整，其中“強(qiáng)剪弱彎的最終剪力”調(diào)整需在“強(qiáng)柱弱梁的彎矩”調(diào)整基礎(chǔ)上迭代進(jìn)行。

剪力墻底部加強(qiáng)部位彎矩?zé)o須調(diào)整，非底部加強(qiáng)部位針對(duì)一級(jí)抗震等級(jí)進(jìn)行放大計(jì)算[5]。豎向構(gòu)件地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù)如表4所示。

表4 豎向構(gòu)件地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù)

（4）綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)。結(jié)合抗震設(shè)計(jì)思路，以方案一為基準(zhǔn)方案，計(jì)算各設(shè)防水準(zhǔn)下綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)：各水準(zhǔn)下的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)=水平地震影響系數(shù)最大值×地震計(jì)算內(nèi)力調(diào)整系數(shù)×材料強(qiáng)度調(diào)整系數(shù)×荷載分項(xiàng)系數(shù)×承載力抗震調(diào)整系數(shù)；綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)=（相應(yīng)水準(zhǔn)下總內(nèi)力調(diào)整系數(shù)）/（方案一總內(nèi)力調(diào)整系數(shù)）。

中震彈性工況較基準(zhǔn)方案，僅水平地震影響系數(shù)最大值αmax不同，剪力墻和框架柱綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)均為2.8；中震彈塑性工況較基準(zhǔn)方案，表2中五項(xiàng)參數(shù)均不同，框架柱和剪力墻綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)分別為2.8/(1.4×1.3×0.8)=1.92和2.8/(1.4×1.3×0.85)=1.81。小震工況較基準(zhǔn)方案，僅地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù)不同，結(jié)合表4豎向構(gòu)件地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，小震彈性、中震彈性以及中震彈塑性的綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)如表5所示。

表5 小震彈性、中震彈性以及中震彈塑性的綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)

對(duì)比綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，中震彈性設(shè)計(jì)綜合內(nèi)力調(diào)整明顯，高于一級(jí)抗震條件下的小震地震承載力極限狀態(tài)；中震彈塑性設(shè)計(jì)內(nèi)力調(diào)整在高抗震等級(jí)下放大倍數(shù)可能小于小震彈性設(shè)計(jì)，尤其是框架結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)下的框架柱構(gòu)件。在高抗震等級(jí)時(shí)，應(yīng)合理選擇性能設(shè)計(jì)目標(biāo)；框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的框架柱作為第二道抗震防線，在同一抗震等級(jí)下內(nèi)力放大系數(shù)較框架結(jié)構(gòu)有所降低。

4 結(jié)語(yǔ)

“三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)”是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)核心準(zhǔn)則，也是抗震設(shè)計(jì)的最低設(shè)防要求，但是針對(duì)某些特殊建筑，地震災(zāi)害所引起的功能關(guān)閉和后期維修會(huì)引起重大的經(jīng)濟(jì)損失，此時(shí)以生命安全作為唯一目標(biāo)的“三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)”并不全面。因此，有必要采取高于基本抗震目標(biāo)的設(shè)計(jì)手段，對(duì)小震、中震條件下的變形校核和承載能力驗(yàn)算能夠有效反映小、中震選擇下的抗震能力基本水平，為合理進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)提供參考。