考慮設備影響的建筑結構設計方法探討

2013-02-24 02:54:46陳大為

中國新技術新產品 2013年9期

陳大為

（長安大學工程設計研究院，陜西西安 710032）

1 概述

目前國內外的抗震設計理論大多都是基于力的抗震設計理論。近年來的歷次較大震害也表明簡單的基于力的設計方法將造成巨大的經濟損失和人員傷亡。值得注意的是，地震造成的次生災害。如非結構構件墜落、設備翻倒、天然氣管道破裂等，引起的經濟損失和社會影響已經不容忽視。

基于此，設計者可根據結構特點、設防烈度、場地條件及結構物的重要性采用不同的性能目標及抗震構造措施。

2 性能水準與性能目標的確定

2.1 性能水準

采用基于結構內容物的性能設計方法，首先要確定結構的性能水準和性能指標。性能水準表示建筑物在某一特定地震設計水準下預期破壞的最大程度；每一不同的性能水準對應不同的性能指標。一般來講，建筑物的性能是結構構件的性能、非結構構件的性能和結構體系的性能以及建筑內容物的性能的組合。如圖1所示。

結構構件的性能和結構體系的性能是相關的，但也出現的一種特殊情況是部分構件破壞卻并沒有對結構體系破壞有過大影響。這主要是因為該構件對結構體系性能的貢獻太有限。另一種情況是哪怕很少的構件破壞就引起了結構的破壞，這些構件往往是結構的主要構件，是構成結構體系的關鍵環節。

非結構構件破壞一方面容易引起次生災害，另一方面也造成修復的困難。

對常規建筑結構的內部設備而言，地震波經過結構自身的過濾而不會對設備造成太大的影響。影響較大的往往是位移敏感型設備，而結構自身也是對位移比較敏感的。所以，對位移的要求可以分為結構自身的要求和結構內容物的要求。當結構內容物的重要性大于結構時，應以結構內容物的要求為準。

現在設計通常考慮結構位移敏感型內容物的重要性，將建筑物從出現裂縫至結構倒塌劃分成以下幾個性能水準（圖2）。

裂縫出現：是指結構中鋼筋混凝土構件開始出現裂縫，結構中鋼構件也會出現少量的損傷。但是這些損傷是微小的，是不需要修復或者少量的修復工作就可以維持正常運行。

結構可修復，設備正常工作：隨著地震作用的增加，結構及設備的損傷加劇，但是正常生產可以得以維持。損傷是可以修復的，修復工作有所增加，但仍在可以接受的范圍內。

結構可修復，設備不能正常工作：在這一階段，與結構相連的設備開始出現較大程度的破壞。繼續正常工作是設備所不能接受的，而且會帶來較大的安全隱患。但由于結構的延性及安全儲備，結構是可以修復的，其修復費用小于設備損壞費用。

結構不可修，設備不能工作：此時，設備已停止運行，與結構相連的管道大多破壞，但更為嚴重的是結構因變形過大而難以修復，或者說修復費用過高。即使修復后也不能保證結構和設備的安全運行，修復是不可接受的。

結構倒塌：地震作用進一步增加，結構接近倒塌。結構極有可能不能被再次使用。高空墜物等次生災害也可能難以避免。

2.2 抗震設防水準

地震設防水準是指未來可能作用于建筑場地的地震作用大小。通常用某一基準期內可能發生的超越概率來表示。

圖2 結構性能水準的劃分

我國抗震規范的設防水準是根據我國華北、西北和西南地區地震發生概率的統計分析，50年內超越概率約為63%的地震烈度為眾值烈度，比基本烈度約低一度半，規范取為第一水準烈度；50年超越概率約10%的烈度即1990年中國地震烈度區劃圖規定的地震基本烈度或新修訂的中國地震動參數區劃圖規定的峰值加速度所對應的烈度，規范取為第二水準烈度；50年超越概率為2%～3%的烈度可作為罕遇地震的概率水準，規范取為第三水準烈度，當基本烈度6度是為7度強，7度時為8度強，8度時為9度弱，9度時為9度強。

確定合理的地震設防水準，應考慮投資和未來基準期內預期的經濟損失、人員傷亡水平和社會影響等因素。對重要結構，結構破壞后造成的經濟損失不僅僅是結構自身，連帶損失也很巨大時，應考慮更為全面的、嚴格的地震設防水準。在此，除考慮“小震、中震、大震”外，再考慮一種“極大震”的情況。“極大震”在此定義為比本地區設防烈度高一度地區對應的大震設防水平。