中日鋼筋混凝土結構抗震鑒定標準的對比分析

張 力

(福建省建筑科學研究院 福建福州350025)

引 言

中國和日本一衣帶水，同樣是地震多發國家，但由于國民經濟及技術發展水平不同，對房屋抗震的研究及抗震要求也存在差異。日本第一版的《既存鋼筋混凝土結構建筑物的抗震鑒定標準》于1977年頒布實施，隨后分別于1991年、2001年進行了修訂，現行的鑒定標準為2001版的《既存鋼筋混凝土結構建筑物的抗震鑒定標準·同解說》。該標準是日本長期應對地震災害的實踐經驗積累以及多年的工程應用及研究成果的結晶，具有很高的抗震水準。中國第一版的抗震鑒定標準是在1976年唐山大地震后由國家建委抗震辦公室主持編制的，于1977年12月正式頒布實施的《工業與民用建筑抗震鑒定標準》(TJ23－77)。1996年頒布實施了國家標準《建筑抗震鑒定標準》(GB50023－95)，針對建筑抗震設計規范TJ11－78實施以前設計建造的房屋進行抗震鑒定。2008年汶川大地震造成大量的房屋破壞和人員傷亡，暴露了原有抗震設計和抗震鑒定的一些不足，在總結多年的工程經驗和科研成果的基礎上，并考慮我國國民經濟水平有了較大提高的因素，2009年7月1日，我國頒布實施了最新版的《建筑抗震鑒定標準》(GB50023－2009)，對既有建筑的抗震要求做了較為全面的規定。

1 日本抗震鑒定標準

1.1 適用對象及評定原則

該鑒定標準適用于正常設計施工建造的，原則上為5～6層以下(不超過31m)的中低層既有鋼筋混凝土結構的建筑物的抗震鑒定。不僅可用于一般的既有建筑物和抗震加固后的建筑物，也可以用于新建建筑物從抗震鑒定角度確定其抗震性能。

建筑物抗震性能包含承重結構抗震性能和非承重結構抗震性能，以結構層為對象分縱橫兩個方向分別進行評定。根據計算精度不同，分為第一級評定、第二級評定及第三級評定，三級評定的精度依次提高。任一級的評定結果合格，均可判定鑒定對象的抗震性能滿足要求。

非承重結構抗震性能是通過計算非承重結構的抗震指標IN進行抗震性能評定，IN是用以判斷非結構構件是否塌落、破壞，從而影響人類生命安全或出逃路線安全的重要參數。

承重結構抗震性能是通過計算結構抗震指標Is，由下式進行判斷:

其中Is為結構抗震指標，是根據樓層的豎向構件的抗側變形能力及抗剪承載能力進行計算，并考慮結構形狀和使用年限的影響進行修正而得到的一個連續量。Is0為結構抗震評定指標，Is0=ES·Z·G·U，是根據以往地震作用下受損建筑物的分析結果，以未來發生大地震時建筑物不致倒塌為原則確定的抗震評定基本指標ES，并考慮建筑物所在的地域特征Z、場地類型G以及使用功能U進行修正而得到的一個數值。

1.2 結構抗震指標Is

各樓層縱橫方向上的Is由下式計算:

式中:E0為抗震能力基本指標，取決于該樓層的豎向抗側力構件的破壞模式、抗剪承載能力和極限變形能力。SD為結構的體型折減系數，由平面形狀的規則性、長寬比、平面凹凸、伸縮縫、樓板開洞(大小及偏置)、地下室的有無、層高的均一性、框支柱、質心和剛心的偏位及相鄰層的剛度比共計十一項指標的乘積確定。T為使用年限系數，是考慮結構已使用年限及使用狀況(裂縫、變形、老化等缺陷)等對建筑物抗震性能影響的折減系數。

1.3 抗震能力基本指標E0

抗震能力基本指標E0按下式確定:

式中Φ為樓層影響系數，Φ=(N+i)/(N+1)。C為結構承載能力指標，等于結構層抗剪承載能力與該層及以上各層重量總和的比值。F為延性指標，是根據不同構件類型的塑性變形能力對構件承載能力指標C的影響系數。

1.3.1 強度型抗震能力指標E0計算方法

當同一樓層由多個極限變形能力不同的豎向構件組成時，極限變形能力最小的脆性構件達到其極限剪力時，層剪力達到最大，構件破壞，其余構件不能繼續承載，層剪力顯著降低，具有脆性破壞特征，這種情況E0按下式計算:

式中C1和F1為極限變形能力最小的第一類豎向構件的結構承載能力指標和延性指標。Cj和αj為第j類豎向構件結構承載能力指標及其折減系數。C－F關系示意圖(見圖1)。

圖1 強度型C－F關系圖

1.3.2 延性型抗震能力指標E0計算方法

當同一樓層由多個極限變形能力不同的豎向構件組成時，極限變形能力最小的脆性構件達到其極限剪力時，脆性構件破壞，但其余構件還能繼續承載，層剪力不會顯著降低，其層抗剪承載能力由極限變形能力最大的延性構件控制，具有延性破壞特征。這種情況E0可按下式計算:

圖2 延性型C－F關系圖

C－F關系示意圖(見圖2)。

1.3.3 第一級評定階段E0的計算方法

第一級評定時，按極限變形能力將豎向構件分成3類:短柱、一般柱及墻。E0可按下式計算:

無短柱、墻，僅有一般柱時，CSC=CW=0，

無短柱，有墻、一般柱時，CSC=0，

圖2 延性型C－F關系圖

所有三類構件均有時，

式中:α1、α2、α3為抗剪承載能力折減系數，一般可取0.7、0.7、0.5。

CSC、CC、CW為短柱、一般柱及墻的結構承載能力指標，采用混凝土抗剪強度與截面積的乘積計算得到的構件抗剪承載能力與該樓層及其上所有樓層重量的比值，并考慮混凝土強度等級的影響進行修正。

FSC、FC、FW為短柱、一般柱及墻的延性指標，分別取0.8、1.0、1.0。

第一級評定為粗略估算，計算簡單，只考慮各豎向構件的抗震承載能力，不考慮變形影響，評定結果偏于保守。

1.3.4 第二級評定階段E0的計算方法

第二級評定時，將梁和樓板的剛度假設為無限大，根據設計規范公式或經驗公式計算柱、墻在水平荷載作用下的極限破壞模式，即是剪切破壞還是彎曲破壞，將豎向構件分成五類，分別為脆性柱、剪切柱、剪切墻、彎曲柱和彎曲墻。對應于極限破壞時的最大剪力即為構件的抗剪承載能力QU。

脆性柱、剪切墻的延性指標F分別取0.8、1.0，剪切柱、彎曲柱和彎曲墻的延性指標F可通過樓層屈服位移角、標準層間位移角以及構件屈服時的層間位移角通過計算求得。

根據求得的五類構件的延性指標，將所有該層的豎向構件分組，最多不超過三組。各組的結構承載能力指標C由該組的所有構件的抗剪承載力QU除以其上樓層總重量求得，Cj=ΣQUj/ΣW。取該組構件的延性指標最小者作為該組延性指標Fj。根據各組延性指標F按從小到大的順序，記為(C1，F1)、(C2，F2)、(C3，F3)，按照脆性柱的分布情況按式(4)或式(5)計算抗震能力指標E0。式(4)中的αj根據構件的破壞模式和屈服時的層間位移角等參數求得。

第二級評定中，構件的分類、抗剪承載能力以及延性指標均較第一級評定更為精確，因此其評定結果也比第一級評定具有更高的可靠性。

1.3.5 第三級評定階段E0的計算方法

第三級評定時，假定梁柱節點為剛性節點，考慮梁板構件的影響以及墻體因基礎上浮引起傾覆轉動的影響等因素，較第二級評定增加了三類構件，分別是剪切梁控制的柱(柱的抗側承載能力由梁剪切破壞控制)、彎曲梁控制的柱(柱的抗側承載能力由梁彎曲破壞控制)、傾覆墻(墻底基礎上浮破壞先于墻彎曲破壞或剪切破壞)。E0的計算過程與第二級鑒定類似，不同之處主要有:

(1)新增3類豎向構件的強度指標和延性指標計算;

(2)利用桿端彎矩分配法計算豎向構件的極限承載力，并依此判斷破壞模式;

(3)可計入梁柱節點對拉結破壞或剪切強度的影響;

(4)為了避免局部樓層率先破壞，確保發生結構整體破壞(比如梁或墻底的彎曲屈服或墻體傾覆等)，對結構基本抗震性能指標E0進行了修正:

第三級鑒定對構件的劃分更為精細，對構件的破壞模式的計算分析更為精確，與結構實際受力和變形狀態更為接近，因此其評定結果也比第一級評定、第二級評定具有更高的可靠性。

1.4 抗震評估流程

2 中國抗震鑒定標準

2.1 適用對象及評定原則

該鑒定標準適用于抗震設防烈度為6～9度地區的現有建筑的抗震鑒定，不包含古建筑和行業有特殊要求的建筑。不適用于新建建筑工程的抗震設計和施工質量的評定，不能作為新建工程未執行設計規范的借口。

由于建筑物的建造年代不同，其后續使用年限也存在差異，從后續使用年限內具有相同概率保證的角度考慮，將現有建筑物劃分為A類、B類和C類，其后續使用年限分別按30年、40年和50年考慮，地震作用的相對比例大致為0.75:0.88:1.00，對抗震性能的評定依次更加嚴格。一般上世紀80年代及以前建造的房屋最低應按A類考慮，90年代建造的房屋最低應按B類考慮，2001年以后建造的房屋按C類考慮。

現有鋼筋混凝土房屋的抗震鑒定，應按結構體系的合理性、結構構件材料的實際強度、結構構件的縱向鋼筋和橫向箍筋的配置和構件連接的可靠性、填充墻等與主體結構的拉結構造以及構件抗震承載力的綜合分析，對整幢房屋的抗震能力進行鑒定。當梁柱節點構造和框架跨數不符合規定時，應評為不滿足抗震鑒定要求;當僅有出入口、人流通道處的填充墻不符合規定時，應評為局部不滿足抗震鑒定要求。

A類鋼筋混凝土房屋應進行綜合抗震能力兩級鑒定。當符合第一級鑒定(抗震措施鑒定)的各項規定時，除9度外應允許不進行抗震驗算而評為滿足抗震鑒定要求;不符合第一級鑒定要求和9度時，除有明確規定的情況外，應在第二級鑒定中采用屈服強度系數和綜合抗震能力指標的方法作出判斷。

B類鋼筋混凝土房屋應根據所屬的抗震等級進行結構布置和構造檢查，并應通過內力調整進行抗震承載力驗算;或按照A類鋼筋混凝土房屋計入構造影響對綜合抗震能力進行評定。

C類鋼筋混凝土房屋應嚴格按照現行建筑抗震設計規范規定的抗震措施及抗震計算方法進行抗震鑒定。

當砌體結構與框架結構相連或依托于框架結構時，應加大砌體結構所承擔的地震作用，對砌體結構進行抗震鑒定;對框架結構的鑒定，應計入兩種不同性質的結構相連導致的不利影響。

2.2 A類建筑抗震鑒定

A類建筑房屋高度不應超過10層，分二級進行抗震鑒定，第一級為抗震措施鑒定，主要包括結構體系、材料強度、鋼筋配置、框架填充墻體的拉結構造等，按建筑物所在地區的抗震設防烈度及所在的場地類型，確定抗震措施的要求。當第一級鑒定滿足標準要求時，可評定為該建筑物抗震性能合格。否則根據抗震措施存在的具體問題，直接評為抗震性能不合格(進行加固或其他措施)，或進行第二級鑒定。第二級鑒定主要進行結構在多遇地震作用(小震)下的結構承載力驗算，可以通過整體建模計算并考慮地震作用的折減、構造影響及損傷影響等因素，當所有構件承載能力均滿足要求時，可評為抗震性能合格。也可進行簡化計算，通過計算樓層綜合抗震能力指數β進行評定，當β≥1.0時，抗震性能評定為合格。β按下式計算:

式中ψ1、ψ2分別為體系影響系數和局部影響系數，根據第一級鑒定結果進行取值，當結構存在損傷時，尚應進一步折減。ξy為樓層屈服強度系數，Ve為樓層彈性地震剪力，Vy為樓層現有受剪承載能力(標準值)，假設梁板在樓面內剛度無限大，按下式計算:

式中Vcy為框架柱層間現有受剪承載力之和，Vmy磚填充墻框架層間現有受剪承載力之和，Vwy為抗震墻層間現有受剪承載力之和。

承載能力驗算或綜合抗震能力指數β計算時，場地特征周期取值較現行抗震設計規范(設計基準期為50年)小0.05～0.15秒，地震作用分項系數取1.0，構件內力不進行調整，抗震鑒定承載能力調整系數γRa取0.85γRE。抗震措施要求與現行抗震設計規范相比降低較多。

2.3 B類建筑抗震鑒定

B類建筑分別從抗震措施鑒定和抗震承載力驗算兩個方面對結構抗震性能進行評定。抗震措施鑒定首先根據建筑物所在地區的設防烈度、房屋高度及結構類型確定結構抗震等級，根據結構不同抗震等級(一～四級)及不同結構類型(框架結構、框架抗震墻結構及抗震墻結構)的具體要求，對結構體系、材料強度、構件鋼筋配置、節點鋼筋配置、填充墻體布置及拉結構造等進行鑒定，較A類建筑要求更為細致和嚴格。抗震承載力驗算時，若抗震措施存在不滿足要求的條款時，必須考慮對抗震承載力進行折減，參考A類建筑進行抗震綜合能力評價，若建筑物屬于乙類框架結構，尚應進行變形驗算。

承載力驗算時，場地特征周期取值較現行抗震設計規范(設計基準期為50年)小0.05～0.15秒;構件內力按鑒定標準進行調整，但其調整系數小于現行設計規范。抗震措施要求較現行抗震設計規范略低。

2.4 抗震鑒定流程

3 中日鑒定標準對比分析

通過對中國《抗震鑒定標準》(GB50023－2009)及日本的《既存鋼筋混凝土結構建筑物的抗震鑒定標準·同解說》2001版的抗震理念及評定方法的研究分析，不同之處主要有以下幾點:

(1)日本的鑒定標準對既有建筑物的抗震性能要求同現行抗震設計規范一致，對新舊建筑采用統一的標準，因此也適用于新建建筑的抗震性能評定。中國的鑒定標準根據建筑物的建造年代，將建筑物按后續使用年限進行分類，對于不同分類的建筑物采用不同的抗震評定標準進行抗震性能鑒定，對于早期建造的房屋(A類和B類)的抗震評定標準低于現行抗震設計規范，同時規定不能采用該標準對新建建筑進行抗震性能評定。

(2)日本鑒定標準是以建筑物的現狀為出發點，根據建筑物結構布置、材料性能、構件承載能力、構件的變形能力等參數，以層破壞模式推定其實際能抵抗的地震作用大小。中國鑒定標準主要從設計的角度(A類建筑第二級鑒定除外)，以建筑物必須達到的抗震措施和抗震承載力來對建筑物的結構及構件進行復核。

(3)日本鑒定標準將建筑物的各項影響建筑抗震性能的項目及評定標準全部量化，計算得到結構抗震指標Is及結構抗震評定指標Is0，整個抗震評定體系可操作性較好。我國鑒定標準更側重于從抗震概念上對結構抗震性能作出評價，評定體系由抗震措施復核和抗震承載力驗算兩方面組成。

(4)日本鑒定標準根據樓層側向變形協調，以變形能力最小的構件為基準確定樓層極限承載能力，對變形能力大的豎向構件的抗側承載能力進行折減［公式(4)］。中國鑒定標準A類建筑物的樓層抗剪承載能力計算公式(10)中，是以變形能力較大的框架柱為基準，對于變形能力較小的抗震墻、磚填充墻框架則考慮其已發生破壞后的殘余承載能力(按70%考慮)。

4 結語

日本抗震鑒定標準對不同時期建筑物的抗震性能評定采用統一標準，使得最新的抗震研究成果得以推廣應用，修正早期標準和認識的不足，地震發生時，不同時期建造的房屋能夠具有相同的抗震水準，可更加有效地保證生命及財產安全。日本對結構抗震性能的評定基于實際震害經驗的大量統計分析得到的結構層破壞模式、結構抗震能力基本指標等理論和量化指標，值得我國抗震鑒定借鑒和學習。

［1］GB50023－2009，建筑抗震鑒定標準［S］.

［2］菅野俊介.日本既有鋼筋混凝土建筑物的抗震能力評估［M］.日本:國際地震學與地震工程研究所2011中國抗震研修課程講義，2011.

［3］羅琨.中日歐現有建筑抗震性能評估方法比較研究［R］.北京交通大學，2011.

［4］王瑋，曹清，賈開.日本建筑的抗震加固評估標準及加固方法［J］.建筑結構，2010，40(6).

［5］周平槐.日本既有鋼筋混凝土建筑抗震鑒定方法［J］.建筑結構，2012，42(8).