“兩水準(zhǔn)兩階段”抗震性能化設(shè)計(jì)方法及工程應(yīng)用*

韓小雷，傅欽昭，季 靜，楊新剛

(1 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院， 廣州 510640；2 華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510640；3 廣州天萌建筑設(shè)計(jì)有限公司， 廣州 510640)

0 引言

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論和方法經(jīng)過長期理論研究、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和工程應(yīng)用，逐步成熟并寫入世界各國規(guī)范[1-4]，在大量工程建設(shè)中使用。然而，近百年來歷次強(qiáng)震均出現(xiàn)建筑物嚴(yán)重?fù)p壞甚至倒塌，導(dǎo)致巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[5-7]。通過震害分析和進(jìn)一步的研究，新的抗震加強(qiáng)措施被不斷提出，但如何評估既有建筑的抗震性能、是否必須對大量既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固是各國工程師面對的嚴(yán)峻問題。20世紀(jì)90年代初美國學(xué)者針對美國在20世紀(jì)二三十年代建設(shè)的大量混凝土結(jié)構(gòu)，特別是學(xué)校、醫(yī)院等公共建筑的抗震性能展開評估，提出基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與評估思想，其核心內(nèi)容是定量評估強(qiáng)震作用下混凝土結(jié)構(gòu)損壞程度和抗倒塌能力，形成設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如FEMA 273[8]等。我國10年前實(shí)施的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[9](簡稱《抗規(guī)》)、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[10]等現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)引入抗震性能化設(shè)計(jì)思想，近年來指導(dǎo)了大量新建高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計(jì)。2019年5月廣東省發(fā)布了《建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)規(guī)程》(DBJ /T 15-151—2019)[11](簡稱《抗震性能規(guī)程》)，2022年6月中國勘察設(shè)計(jì)協(xié)會發(fā)布了《建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(T/CECA 20024—2022)[12](簡稱《抗震性能標(biāo)準(zhǔn)》)，明確了“兩水準(zhǔn)兩階段”的抗震性能化設(shè)計(jì)方法。通過細(xì)化混凝土構(gòu)件變形控制指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了基于構(gòu)件的混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)抗震安全性評估[13]，與基于構(gòu)件試驗(yàn)的混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)典理論的理念完全一致，適用于新建結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)和既有結(jié)構(gòu)抗震安全性評估。

本文在對比分析小震計(jì)算設(shè)計(jì)方法與中震計(jì)算設(shè)計(jì)方法異同的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步論述“三水準(zhǔn)兩階段”抗震設(shè)計(jì)方法與“兩水準(zhǔn)兩階段”抗震性能化設(shè)計(jì)方法的本質(zhì)差異。最后以一棟復(fù)雜連體高層結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計(jì)為例，展示基于構(gòu)件的“兩水準(zhǔn)兩階段”抗震性能化設(shè)計(jì)方法在實(shí)際工程混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

1 抗震性能化設(shè)計(jì)方法

1.1 小震計(jì)算設(shè)計(jì)與中震計(jì)算設(shè)計(jì)

《抗規(guī)》采用小震計(jì)算設(shè)計(jì)方法，構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)如式(1)所示。

γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+ψwγwSwk≤Rd/γRE

(1)

式中：γG、γEh、γEv、γw分別為重力荷載、水平地震作用、豎向地震作用、風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)；SGE為重力荷載效應(yīng)代表值；SEhk、SEvk分別為水平和豎向地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；ψw為風(fēng)荷載組合值系數(shù)；Swk為風(fēng)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；Rd、γRE分別為構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值和承載力抗震調(diào)整系數(shù)。

廣東省《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ 15-92—2021)[14](簡稱廣東省《高規(guī)》)采用中震計(jì)算設(shè)計(jì)方法，構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)如式(2)所示。

(2)

小震和中震兩種計(jì)算設(shè)計(jì)方法的結(jié)構(gòu)整體計(jì)算均假設(shè)結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，折減部分延性構(gòu)件剛度，通過彈性計(jì)算得到的構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)，同時考慮抗震構(gòu)造措施。小震計(jì)算設(shè)計(jì)方法的內(nèi)力組合對豎向荷載、小震作用產(chǎn)生的內(nèi)力均乘以大于1.0的分項(xiàng)系數(shù)，同時考慮抗震等級對組合內(nèi)力進(jìn)行放大，采用材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值計(jì)算構(gòu)件承載力；中震計(jì)算設(shè)計(jì)方法的內(nèi)力組合對豎向荷載產(chǎn)生的內(nèi)力乘以1.0的分項(xiàng)系數(shù)，中震作用產(chǎn)生的內(nèi)力乘以考慮豎向構(gòu)件剛度退化小于1.0的分項(xiàng)系數(shù)，采用材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算構(gòu)件承載力并乘以小于1.0的構(gòu)件正截面、斜截面承載力利用系數(shù)。

小震和中震兩種計(jì)算設(shè)計(jì)方法的不同點(diǎn)如下：小震計(jì)算設(shè)計(jì)方法通過增大重力荷載和小震作用產(chǎn)生的內(nèi)力提高構(gòu)件安全性；中震計(jì)算設(shè)計(jì)方法保持重力荷載產(chǎn)生的內(nèi)力不變，組合中震作用產(chǎn)生的內(nèi)力提高構(gòu)件安全性。雖然兩種設(shè)計(jì)方法均能保證構(gòu)件抗震安全的目的，但小震計(jì)算設(shè)計(jì)方法組合的內(nèi)力不是地震作用時構(gòu)件的真實(shí)受力，中震計(jì)算設(shè)計(jì)方法組合的內(nèi)力可以反映中震作用時構(gòu)件的真實(shí)受力。

可見，小震和中震兩種設(shè)計(jì)方法的本質(zhì)是相同的，均為結(jié)構(gòu)彈性計(jì)算、構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)，且大量設(shè)計(jì)結(jié)果也顯示，此兩種設(shè)計(jì)方法得到的構(gòu)件截面和鋼筋用量相差不大，實(shí)現(xiàn)了通過兩條路徑達(dá)到同一個目標(biāo)。文獻(xiàn)[15]中的39個算例和試設(shè)計(jì)也得出了類似的結(jié)論。

1.2 “三水準(zhǔn)兩階段”與“兩水準(zhǔn)兩階段”設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)的“三水準(zhǔn)兩階段”抗震設(shè)計(jì)方法是對重力荷載和小震作用產(chǎn)生的內(nèi)力分別乘以大于1.0的分項(xiàng)系數(shù)，同時根據(jù)構(gòu)件抗震等級再乘以內(nèi)力放大系數(shù)，以保證中、大震作用下構(gòu)件承載力和結(jié)構(gòu)抗倒塌能力；基于性能的“三水準(zhǔn)兩階段”抗震設(shè)計(jì)方法是在上述方法的基礎(chǔ)上，針對重要構(gòu)件補(bǔ)充中震作用下的構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)，并與小震設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)，中震設(shè)計(jì)包括：彈性設(shè)計(jì)(考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)、材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值)和不屈服設(shè)計(jì)(荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0、材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值)，以保證結(jié)構(gòu)“小震不壞、中震可修、大震不倒”。

廣東省《抗震性能規(guī)程》和中國勘察設(shè)計(jì)協(xié)會《抗震性能標(biāo)準(zhǔn)》提出的“兩水準(zhǔn)兩階段”抗震性能化設(shè)計(jì)方法是在《抗規(guī)》小震計(jì)算設(shè)計(jì)方法或廣東省《高規(guī)》中震計(jì)算設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震作用下基于構(gòu)件的結(jié)構(gòu)彈塑性分析，計(jì)算時豎向荷載采用重力荷載代表值，材料強(qiáng)度采用平均值，對構(gòu)件正截面進(jìn)行承載力復(fù)核(性能水準(zhǔn)1、2、3)、變形復(fù)核(性能水準(zhǔn)4、5)，對構(gòu)件斜截面進(jìn)行承載力復(fù)核。

根據(jù)1.1節(jié)的分析可見，《抗規(guī)》的小震計(jì)算設(shè)計(jì)與廣東省《高規(guī)》的中震計(jì)算設(shè)計(jì)本質(zhì)是相同的，設(shè)計(jì)結(jié)果也相近，故可將此兩個水準(zhǔn)的抗震設(shè)計(jì)合并為一個水準(zhǔn)，同時定量評估大震作用下的構(gòu)件性能，準(zhǔn)確把控構(gòu)件損壞程度，確保結(jié)構(gòu)大震安全性。

1.3 “兩水準(zhǔn)兩階段”設(shè)計(jì)方法

本節(jié)采用小震、大震兩水準(zhǔn)，小震彈性設(shè)計(jì)、大震安全性復(fù)核兩階段，闡述“兩水準(zhǔn)兩階段”抗震性能化設(shè)計(jì)方法。

1.3.1 抗震性能目標(biāo)及性能水準(zhǔn)

根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震的重要性將結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)從高到低劃分為A、B、C、D四個等級，再根據(jù)地震水準(zhǔn)將結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)分為1、2、3、4、5五個級別。采用“兩水準(zhǔn)兩階段”方法進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)時，不同結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)和地震水準(zhǔn)對應(yīng)的最低抗震性能水準(zhǔn)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)

1.3.2 構(gòu)件性能設(shè)計(jì)和復(fù)核

根據(jù)構(gòu)件損壞對結(jié)構(gòu)安全性影響程度將構(gòu)件劃分為關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件、重要水平構(gòu)件和耗能構(gòu)件；根據(jù)鋼筋混凝土梁、柱、剪力墻的剪跨比和彎剪比將構(gòu)件破壞形態(tài)劃分為彎曲破壞、彎剪破壞和剪切破壞。彎曲破壞和彎剪破壞屬于正截面延性破壞，剪切破壞屬于斜截面脆性破壞。構(gòu)件延性破壞的損壞程度可劃分為6個狀態(tài)：無損壞、輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、比較嚴(yán)重?fù)p壞、嚴(yán)重?fù)p壞，超過嚴(yán)重?fù)p壞狀態(tài)則認(rèn)為構(gòu)件失效。

大震作用下混凝土構(gòu)件正截面可以采用承載力或變形復(fù)核，構(gòu)件斜截面只能采用承載力復(fù)核。構(gòu)件變形復(fù)核可以采用構(gòu)件位移角限值、損傷指數(shù)、材料應(yīng)變等。構(gòu)件位移角限值是通過大量構(gòu)件試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)回歸，并得到系列構(gòu)件試驗(yàn)驗(yàn)證和修正，充分考慮了箍筋對混凝土的約束作用，相對其他指標(biāo)不僅具有明確的物理意義、更準(zhǔn)確地反映構(gòu)件損壞程度，且容易被工程師理解，與基于構(gòu)件試驗(yàn)的混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)典理論的理念相同。

不同抗震性能水準(zhǔn)下構(gòu)件正截面和斜截面設(shè)計(jì)、復(fù)核按表2的規(guī)定執(zhí)行，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件通常分為梁(B)、柱(C)、剪力墻(SW)三大類，對應(yīng)6個性能狀態(tài)的構(gòu)件變形指標(biāo)限值分別為B1～B6、C1～C6、SW1～SW6。

表2 構(gòu)件設(shè)計(jì)和復(fù)核方法

1.3.3 構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)和復(fù)核公式

(1) 小震彈性設(shè)計(jì)

小震作用下彈性設(shè)計(jì)構(gòu)件承載力應(yīng)符合公式(1)的規(guī)定。

(2) 大震彈性設(shè)計(jì)

構(gòu)件承載力應(yīng)符合公式(3)的規(guī)定：

(3)

(3) 大震不屈服復(fù)核

構(gòu)件承載力應(yīng)符合公式(4)的規(guī)定：

(4)

(4) 大震極限承載力復(fù)核

構(gòu)件承載力應(yīng)符合公式(5)的規(guī)定：

(5)

式中Ru為按材料強(qiáng)度平均值計(jì)算得到的構(gòu)件承載力極限值。

(5) 大震最小抗剪截面復(fù)核

鋼筋混凝土豎向構(gòu)件的受剪截面應(yīng)符合公式(6)的規(guī)定，鋼-混凝土組合剪力墻的受剪截面應(yīng)符合公式(7)的規(guī)定：

(6)

(7)

1.3.4 構(gòu)件變形復(fù)核公式

應(yīng)采用彈塑性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行構(gòu)件變形復(fù)核，并應(yīng)符合公式(8)的要求。

δ≤[δ]

(8)

式中：δ為構(gòu)件在地震過程中所經(jīng)歷的最大位移角；[δ]為與構(gòu)件允許損壞程度對應(yīng)的構(gòu)件變形指標(biāo)限值。

構(gòu)件破壞形態(tài)劃分準(zhǔn)則[16-17]如表3～5所示。根據(jù)鋼筋混凝土梁、柱、剪力墻的彎剪比、軸壓比和配筋率等的不同，對應(yīng)于6個性能狀態(tài)的構(gòu)件變形限值如表6～8所示。不同損傷程度對應(yīng)的材料應(yīng)變限值、構(gòu)件損傷指數(shù)等詳見中勘協(xié)《抗震性能標(biāo)準(zhǔn)》。

表3 鋼筋混凝土梁破壞形態(tài)劃分準(zhǔn)則

表4 鋼筋混凝土柱破壞形態(tài)劃分準(zhǔn)則

表5 鋼筋混凝土剪力墻破壞形態(tài)劃分準(zhǔn)則

表6 鋼筋混凝土梁彈塑性位移角限值

表7 鋼筋混凝土柱彈塑性位移角限值

表8 鋼筋混凝土剪力墻彈塑性位移角限值

2 工程應(yīng)用

以一棟雙塔連體超限高層建筑為例，闡述基于構(gòu)件變形的“兩水準(zhǔn)兩階段”抗震性能設(shè)計(jì)方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

2.1 工程概況

某雙塔連體高層建筑位于廣州市增城區(qū)，總建筑面積61 096 m2，設(shè)地下室2層、裙房4層，裙房以上部分為雙塔連體結(jié)構(gòu)。塔1為酒店，36層，結(jié)構(gòu)高度148.75m；塔2為辦公樓，21層，結(jié)構(gòu)高度96.75m，建筑效果圖見圖1。

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，場地類別為Ⅱ類，50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.50kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與超限情況

2.2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

酒店主樓和辦公主樓均為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，辦公樓核心筒偏置，酒店主樓22、23層與辦公主樓20、21層通過鋼桁架在非主軸方向剛性連接，易引起結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。為保證連接體與兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)可靠連接，連接體桁架各層弦桿伸入兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)一跨，與連接體相連的主體結(jié)構(gòu)框架柱、框架梁采用型鋼混凝土，見圖2、3，典型結(jié)構(gòu)平面布置見圖4。

2.2.2 超限情況

酒店23層和辦公樓21層的X向扭轉(zhuǎn)位移比為1.37，Y向扭轉(zhuǎn)位移比為1.41，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；本項(xiàng)目為多塔結(jié)構(gòu)，因此存在尺寸突變；結(jié)構(gòu)首層、3層、酒店24層存在穿層柱，形成局部不規(guī)則。

2.3 抗震性能目標(biāo)的確定

在充分研究結(jié)構(gòu)體系受力與構(gòu)件變形特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)廣東省《抗震性能規(guī)程》、中國勘察設(shè)計(jì)協(xié)會《抗震性能標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)取為C級，對應(yīng)于小震和大震的結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)分別為1和4。構(gòu)件控制指標(biāo)、損壞程度如表9所示。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)核

該結(jié)構(gòu)最不利地震方向與X向成130°，因此分別對模型1(最不利地震方向與X向成130°)和模型2(最不利地震方向與X向成180°)進(jìn)行計(jì)算對比分析。

采用YJK和ETABS軟件分別對模型進(jìn)行小震整體計(jì)算對比分析。結(jié)果顯示，在小震作用下結(jié)構(gòu)各項(xiàng)控制指標(biāo)基本滿足規(guī)范要求，構(gòu)件沒有出現(xiàn)超筋現(xiàn)象，滿足承載力要求。

采用PERFORM-3D軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震彈塑性分析，按建筑場地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用2條人工波(GM1、GM2)和5條天然波(GM3～GM7)，分別按X向、Y向?yàn)橹鞣较?主、次、豎向地震波峰值加速度比例為1∶0.85∶0.65)進(jìn)行三向地震輸入彈塑性時程分析。

表9 結(jié)構(gòu)與構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

基于PBSD軟件實(shí)現(xiàn)彈性計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)果自動導(dǎo)入PERFORM-3D軟件，并對彈塑性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行構(gòu)件性能評估和可視化輸出，顯示所有構(gòu)件的性能水準(zhǔn)和損傷狀態(tài)，并對不滿足性能水準(zhǔn)要求的構(gòu)件采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

大震計(jì)算結(jié)果顯示，大部分構(gòu)件滿足設(shè)定的性能目標(biāo)要求，部分不滿足要求的構(gòu)件如下：

模型2中關(guān)鍵構(gòu)件連廊關(guān)聯(lián)樓層范圍內(nèi)部分型鋼混凝土柱斜截面驗(yàn)算結(jié)果不滿足抗剪不屈服性能水準(zhǔn)要求。如表10所示，通過增加配箍率的方法對相應(yīng)型鋼混凝土柱進(jìn)行加強(qiáng)，可使其滿足抗剪不屈服的性能水準(zhǔn)要求，如圖5所示。

表10 超限型鋼混凝土柱箍筋加強(qiáng)目標(biāo)

由于連廊所在樓層剛度增大，導(dǎo)致相應(yīng)樓層的剪力增大，模型1和模型2均在連廊關(guān)聯(lián)樓層處出現(xiàn)關(guān)鍵構(gòu)件剪力墻斜截面驗(yàn)算不滿足抗剪不屈服性能水準(zhǔn)要求的現(xiàn)象，剪力墻斜截面性能狀態(tài)如圖6、7所示。根據(jù)表11采取增加水平分布筋配筋率的方法對相應(yīng)剪力墻進(jìn)行加強(qiáng)，可使其滿足抗剪不屈服的性能水準(zhǔn)要求。采取加強(qiáng)措施后剪力墻斜截面性能狀態(tài)如圖8所示。

對于耗能構(gòu)件，模型1和模型2中絕大多數(shù)樓層跨高比在1.13～2.80的連梁斜截面超限，連梁斜截面性能狀態(tài)統(tǒng)計(jì)如圖9所示。模型1和模型2中均有部分連梁正截面達(dá)到縱筋屈服的輕微損壞狀態(tài)，連梁正截面性能狀態(tài)統(tǒng)計(jì)如圖10所示。對于斜截面超限連梁，其正截面均處于無損壞狀態(tài)，必須在保證豎向荷載作用下具有足夠抗彎承載力的前提下，盡量減少該部分連梁的縱筋配置，保證滿足“強(qiáng)剪弱彎”的抗震要求。

表11 超限鋼筋混凝土剪力墻水平分布筋加強(qiáng)目標(biāo)

綜上，通過基于構(gòu)件的大震計(jì)算復(fù)核，發(fā)現(xiàn)部分構(gòu)件不滿足設(shè)定的性能水準(zhǔn)要求，通過采取具有針對性的加強(qiáng)措施后，重新進(jìn)行大震復(fù)核，構(gòu)件均可滿足設(shè)定的性能水準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

(1)小震計(jì)算設(shè)計(jì)方法與中震計(jì)算設(shè)計(jì)方法的本質(zhì)是相同的，兩種方法的設(shè)計(jì)結(jié)果也相差不大，小震計(jì)算設(shè)計(jì)方法的組合內(nèi)力不反映構(gòu)件真實(shí)受力，中震計(jì)算設(shè)計(jì)方法的組合內(nèi)力可反映地震作用下構(gòu)件真實(shí)受力。

(2)采用基于構(gòu)件的“兩水準(zhǔn)兩階段”結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)方法，可以發(fā)現(xiàn)大震下結(jié)構(gòu)薄弱部位，并進(jìn)行精準(zhǔn)加強(qiáng)，確保結(jié)構(gòu)抗震安全。