淺析多層建筑抗震性能化設(shè)計及超限應(yīng)對措施

陳俊 劉及進

1. 重慶市設(shè)計院有限公司 重慶 400015；2. 中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司 重慶 400013

引言

隨著社會的發(fā)展，人民物質(zhì)生活文明的日益豐富，城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷加速，大家對建筑的功能的需求越來越高，各類大型綜合體急速涌現(xiàn)。為了能帶來更好的建筑空間體驗感或視覺沖擊感，建筑師往往采用大懸挑、大開洞、樓層錯層等構(gòu)造手法來提升建筑的實用性，這也使得建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性極可能超出現(xiàn)有規(guī)范體系的范圍，讓結(jié)構(gòu)成為特別不規(guī)則的超限建筑結(jié)構(gòu)[1]。隨著此類多層特別不規(guī)則建筑比例的增加，結(jié)構(gòu)工程師必須理解到規(guī)范體系和抗震性能化設(shè)計的對象及思路的異同。

1 現(xiàn)有規(guī)范的設(shè)計思路

現(xiàn)有規(guī)范體系采取的是三水準設(shè)防目標的性能水準，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”。規(guī)則性建筑結(jié)構(gòu)和一般不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)按照現(xiàn)有規(guī)范體系進行設(shè)計，則可以滿足結(jié)構(gòu)在遭遇到地震動峰值加速度低于本地區(qū)設(shè)防烈度的峰值加速度時，即地震動峰值加速度超越概率50年63.2%[2]，主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件彈性和二次結(jié)構(gòu)構(gòu)件無損壞；結(jié)構(gòu)在遭遇到地震動峰值加速度和本地區(qū)設(shè)防烈度峰值加速度相當?shù)卣鹱饔脮r，即地震動峰值加速度50年超越概率10%，主體結(jié)構(gòu)不發(fā)生損壞或耗能區(qū)域輕微損壞，二次結(jié)構(gòu)有一定程度的損壞，經(jīng)過一定的修復(fù)，建筑結(jié)構(gòu)可以繼續(xù)服役；當結(jié)構(gòu)在遭遇到地震動峰值加速度高于本地區(qū)設(shè)防烈度峰值加速度時，即地震動峰值加速度50年超越概率在2%～3%，主體結(jié)構(gòu)可能損壞嚴重，但是不能倒塌或發(fā)生嚴重損壞，二次結(jié)構(gòu)可能破壞嚴重。

常規(guī)規(guī)則及一般不規(guī)則建筑，通過第一階段設(shè)計，建筑結(jié)構(gòu)就能滿足現(xiàn)有規(guī)范性能目標，如果是特別不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，則還需要進行深入進行第二階段彈塑性變形驗算，針對強烈地震時易倒塌的結(jié)構(gòu)、有明顯薄弱點、易形成地震作用下的集中破壞的建筑，應(yīng)進行結(jié)構(gòu)薄弱部位的彈塑性分析，并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，才能保證建筑結(jié)構(gòu)在第三水準的設(shè)防要求下可靠。

針對結(jié)構(gòu)體系而言，現(xiàn)有規(guī)范體系設(shè)計思路是首先從概念上保證結(jié)構(gòu)是規(guī)則的或趨于規(guī)則的建筑，規(guī)范主要通過限制周期比，位移比，層間位移角，樓層平面規(guī)則性，樓板完整性，剛度比，主要豎向構(gòu)件連續(xù)性，樓層承載力比等參數(shù)來保證概念上結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，讓建筑本身擁有對抗震有利的結(jié)構(gòu)布置，從而從前端去保證結(jié)構(gòu)在概念和體系上的安全可靠。

而針對結(jié)構(gòu)地震力計算而言，現(xiàn)有規(guī)范體系的抗震設(shè)計主要包括地震作用計算，地震作用調(diào)整，抗震構(gòu)造措施。1958年，劉恢先[3]首次將反應(yīng)譜理論應(yīng)用于我國建筑抗震設(shè)計中，之后我國規(guī)范慢慢形成了以規(guī)范設(shè)計反應(yīng)譜為理論基礎(chǔ)的計算方法。規(guī)范設(shè)計反應(yīng)譜是根據(jù)大量地震記錄算出對應(yīng)于每一條地震記錄的反應(yīng)譜曲線，然后統(tǒng)計求出最有代表性的平均曲線，并繪制相對于重力加速度的單質(zhì)點絕對最大加速度與體系自振周期之間的關(guān)系而形成設(shè)計反應(yīng)譜地震影響系數(shù)曲線，地震作用調(diào)整則根據(jù)設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)高度等的不同，進行強柱弱梁、強剪弱彎等的地震內(nèi)力調(diào)整；最后根據(jù)構(gòu)件類別和構(gòu)件本身對延性的需求，在構(gòu)造上對構(gòu)件進行軸壓比、配筋率等的限制，保證相應(yīng)抗震等級的構(gòu)件具有足夠的抗震延性。

3 抗震性能化設(shè)計思路

規(guī)范[4]指出不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)按規(guī)定采取加強措施；特別不規(guī)則的建筑應(yīng)進行專門研究和論證，采取特別的加強措施；嚴重不規(guī)則的建筑不應(yīng)采用。規(guī)則建筑及一般不規(guī)則建筑，通常按照三水準和第一階段或簡化的二階段設(shè)計就可以滿足規(guī)范的性能目標，而針對特別不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的專門研究，也就是第二階段的彈塑性設(shè)計，需要采用抗震性能化思路進行第二階段深入的彈塑性分析計算和加強。除了特別不規(guī)則建筑，一些功能特別重要，在災(zāi)后承擔重要搶險功能的建筑，也可以提出高于基本三水準性能目標的性能水準，進行抗震性能化設(shè)計。

抗震性能化設(shè)計思路與常規(guī)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計相比，有著實質(zhì)性的變化[5]。在性能設(shè)計時，所制定的性能目標，不得低于規(guī)范要求的三水準設(shè)防目標，西方國家早在在二十世紀末期紛紛對抗震結(jié)構(gòu)性能理論的法律法規(guī)重新進行了完善[6]?？拐鹦阅茉O(shè)計是解決復(fù)雜超限建筑的基本方法，建筑抗震性能化設(shè)計需要根據(jù)實際工程的具體情況，根據(jù)規(guī)則性從概念上判定出結(jié)構(gòu)的薄弱部位，或通過小震反應(yīng)譜分析，初步判定出結(jié)構(gòu)的薄弱部位，確定合理的抗震性能目標，采取多軟件對比、彈塑性時程分析等手段確定加強構(gòu)造措施，實現(xiàn)最終預(yù)設(shè)的抗震性能目標。

建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析的重點是深入的從概念設(shè)計和有限元軟件分析對工程進行剖析判斷，找出結(jié)構(gòu)在地震作用下可能率先屈服或破壞的薄弱部位，設(shè)定性能目標，有針對性地采取提高抗力、提高延性或轉(zhuǎn)移薄弱部位、增加局部體系超靜定等措施，有針對性的抗震加強并進行數(shù)字模擬驗證或結(jié)構(gòu)試驗驗證，再通過分析結(jié)果或試驗結(jié)果對是否達到性能目標進行驗證。

抗震性能化分析主要按以下思路進行設(shè)計：

3.1 判定結(jié)構(gòu)不規(guī)則項

通過規(guī)范[4]3.4.3及其附錄進行規(guī)則性判定，利用結(jié)構(gòu)概念及初步計算指標，判定建筑是否屬于特別不規(guī)則的多層建筑，哪些部位存在規(guī)范認定的不規(guī)則項，哪些部位可能存在地震作用中薄弱部位。

3.2 設(shè)定性能目標

據(jù)場地條件、抗震設(shè)防類別、結(jié)構(gòu)形式，對特別不規(guī)則建筑設(shè)定性能目標，性能目標的設(shè)定可以根據(jù)建筑實際情況，對整棟建筑以及薄弱部位分別指定，對普通構(gòu)件和關(guān)鍵構(gòu)件進行區(qū)分。

厭食癥是指排除全身性和消化道器質(zhì)性疾病，以較長時間的食欲減退或消失、食量減少甚至拒食為表現(xiàn)的病癥，是一種飲食行為異常，多發(fā)生于1～6歲兒童，城市發(fā)病率高于農(nóng)村[1]。長期厭食會導致貧血、營養(yǎng)不良、生長發(fā)育遲緩，并可造成機體免疫力下降，容易患其他疾病[2]。近年來，小兒厭食癥有增長的趨勢，本文從中西醫(yī)角度對本病的病因概述如下。

3.3 制定性能評判標準

結(jié)構(gòu)分析得到結(jié)果僅僅是混凝土及鋼筋鋼材的損傷、應(yīng)變等數(shù)據(jù)，而建立這些數(shù)據(jù)與性能目標之間的關(guān)系決定了對分析結(jié)果的準確性，現(xiàn)階段一些學者也有了相當?shù)难芯砍晒?，并?yīng)用于一些商用軟件中。

3.4 彈塑性分析

深入進行小震彈性分析，采取靜力分析多模型、多程序的比較計算判定模型合理性，通過地震作用放大，構(gòu)造措施加強等進行結(jié)構(gòu)小震或中震設(shè)計，利用小、中震設(shè)計形成帶配筋信息的模型成果，在大震彈塑性分析中進行性能目標驗證，如若大震性能目標沒有完成，則需重新有針對性地設(shè)置更高要求的加強措施。

3.5 針對構(gòu)件、節(jié)點分析

模型層面的分析對節(jié)點層面而言均是采用的剛性假定，同時對于一些穿層柱，吊層柱等特殊構(gòu)件，無法做到精準分析，因此對于概念分析中的薄弱構(gòu)件或節(jié)點，還需要針對性進行單構(gòu)件或單節(jié)點的分析，通過針對性專項分析結(jié)果，確認加強措施及加強部位。

3.6 形成加強措施成果

通過上訴反復(fù)分析論證，形成抗震性能化分析的加強成果，指導施工圖設(shè)計及施工。

在抗震性能化設(shè)計的步驟中，抗震性能目標的設(shè)定是十分關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對房屋安全及工程經(jīng)濟型均極為重要，結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計應(yīng)分析結(jié)構(gòu)方案的特殊性，選用適宜的結(jié)構(gòu)抗震性能目標[7]，通常需要根據(jù)建筑功能，業(yè)主需求，抗震設(shè)防類別、場地條件、建造成本、震后損失和修復(fù)難易程度等因素綜合考慮，性能目標選用時，一般征求業(yè)主和有關(guān)專家的意見。

4 常見規(guī)則性超限項的應(yīng)對措施

多層建筑結(jié)構(gòu)通常面臨的超限項有平面不規(guī)則、樓板不連續(xù)、豎向不規(guī)則以及承載突變，結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)該根據(jù)項目實際情況，做到對癥下藥，要有針對性分析和針對性加強措施。

4.1 平面不規(guī)則

商業(yè)綜合體、交通樞紐等大型綜合體，因為建筑功能，場地條件，流線組織等原因，常常會遇到平面不規(guī)則項，平面不規(guī)則包括結(jié)構(gòu)平面尺寸的凹進和凸出，規(guī)定水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)位移比超限等。結(jié)構(gòu)工程師更希望結(jié)構(gòu)抗震單元是規(guī)則的平面，這樣更有利于抗震，當然采取增設(shè)抗震縫的措施可以有效解決平面不規(guī)則項，但是增設(shè)抗震縫會導致屋面滲漏以及立面效果打折等建筑負面效果。此時為了保證建筑需求，結(jié)構(gòu)工程師則可能會選擇保留此超限項，而通過提高邊框剛度、增設(shè)剛度墻或剛度支撐來減少平面不規(guī)則帶來的影響，凹進凸出處的樓板也通過樓板應(yīng)力分析來找出薄弱部位，并進行針對性加強。

4.2 樓板不連續(xù)

樓板不連續(xù)是指樓板的尺寸和平面極具變化，如樓板開洞面積占比樓面面積較大或開洞寬度過寬，影響了結(jié)構(gòu)分析時的剛性樓板基本假定，此時樓板無法較均勻地分配地震力給各個結(jié)構(gòu)柱，同時其本身也會出現(xiàn)不同程度的變形，造成局部豎向構(gòu)件承擔過大地震力而成為薄弱部位。對此應(yīng)當進行中、大震樓板應(yīng)力分析，找出樓板薄弱部位，進行樓板厚度加強及配筋加強。同時在結(jié)構(gòu)分析時，應(yīng)該按實際樓板剛度進行設(shè)計，確?？箓?cè)力構(gòu)件分配的地震力和實際更為接近。

4.3 豎向不規(guī)則

豎向不規(guī)則項包括底部某樓層剛度較明顯地低于上部一層或上部幾層的平均值，或豎向構(gòu)件局部收進過多，抑或豎向構(gòu)件不連續(xù)而形成轉(zhuǎn)換。此時極有可能在地震作用下造成局部樓層地震力突然增大，形成薄弱層。對此部分樓層應(yīng)該首先采取調(diào)整布置消除或減小豎向不規(guī)則程度，同時有針對性地分析，采取提高承載力如地震作用放大或提高延性，如抗震構(gòu)造措施加強的措施，保證薄弱層安全。豎向構(gòu)件不連續(xù)處還應(yīng)計算豎向地震作用，保證轉(zhuǎn)換構(gòu)件的安全。

4.4 承載力突變

承載力突變是指抗側(cè)力構(gòu)件結(jié)構(gòu)的層間收剪承載力小于相鄰上一樓層過多，而呈現(xiàn)出承載能力下小上大的不利情況。通常此類不規(guī)則項在實際工程中較為容易消除，如鋼筋混凝土構(gòu)件可以采取在計算配筋的基礎(chǔ)上增設(shè)鋼筋的措施，來達到對剛度影響較小的情況下增加某層的受剪承載力。

5 結(jié)束語

常規(guī)體系的建筑結(jié)構(gòu)按照三水準目標進行設(shè)計，如果特別不規(guī)則的建筑也按照常規(guī)規(guī)范體系進行設(shè)計，則有可能無法保證結(jié)構(gòu)的安全。現(xiàn)今多層不規(guī)則建筑越來越多，針對此類特別不規(guī)則的建筑需要判定結(jié)構(gòu)不規(guī)則項，設(shè)定好性能目標和性能評判標準，深入進行彈塑性分析及節(jié)點專項分析，最后提出抗震加強措施，保證結(jié)構(gòu)性能水平不低于規(guī)范要求。針對各類不規(guī)則項，應(yīng)該做到對癥下藥，經(jīng)過針對性分析提出針對性措施。