基于損傷控制的劇院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

錢耀華 （上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041）

1 引言

隨著我國人民生活水平的提高，文化演藝類建筑近幾年快速發(fā)展。該類建筑具有人員密集、建筑功能復(fù)雜、投資造價高等特點(diǎn)，針對上述特點(diǎn)按照建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求的“三水準(zhǔn)、兩階段”的常規(guī)抗震設(shè)計(jì)方法無法完全滿足業(yè)主對于該類建筑結(jié)構(gòu)的性能要求[1-2]。近年來國內(nèi)外學(xué)者對于建筑結(jié)構(gòu)損傷控制進(jìn)行了較多研究[3]，為了提高劇院結(jié)構(gòu)的抗震性能，本文嘗試從結(jié)構(gòu)損傷控制角度出發(fā)，提出劇院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并通過大震彈塑性分析驗(yàn)證結(jié)構(gòu)抗震性能，以期為劇院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些參考和建議。

2 劇院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

劇院建筑結(jié)構(gòu)具有平面開洞大、有效樓板寬度小、錯層、豎向構(gòu)件躍層轉(zhuǎn)換等多重不規(guī)則性，該類結(jié)構(gòu)體系多采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)以剪力墻作為主要抗側(cè)力構(gòu)件并承擔(dān)部分重力荷載，框架以承擔(dān)豎向重力荷載為主并兼做第二道抗震防線。劇院建筑剪力墻多設(shè)置在樓、電梯間及舞臺周邊，以下圖上海某劇場結(jié)構(gòu)為例[4]，看臺樓梯間處剪力墻不但支撐著樓梯構(gòu)件，還作為整個看臺懸挑結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)，重要性尤為突出。根據(jù)以往工程案例分析結(jié)果顯示，框架剪力墻結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下剪力墻多發(fā)生較大損傷，為了確保劇院建筑在大震乃至超大震作用下達(dá)到“保障生命安全”和“減小經(jīng)濟(jì)損失”的抗震性能目標(biāo)，可以采取損傷控制方法進(jìn)行劇院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 某劇院二層結(jié)構(gòu)布置圖

3 基于損傷控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

損傷控制設(shè)計(jì)的基本想法是設(shè)置“損傷界限狀態(tài)”，損傷界限狀態(tài)應(yīng)充分考慮建筑的社會性與經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)損傷界限狀態(tài)可以合理評價地震作用下的建筑結(jié)構(gòu)在保護(hù)人身及財(cái)產(chǎn)安全方面的表現(xiàn)。在損傷控制設(shè)計(jì)中，可以在設(shè)計(jì)時通過考察建筑結(jié)構(gòu)的可靠性和地震發(fā)生概率來估計(jì)建筑損傷可能造成的損失。業(yè)主可根據(jù)預(yù)期損失采取相應(yīng)措施保障建筑的資產(chǎn)安全。

下面從風(fēng)險管理的角度探討損傷控制設(shè)計(jì)的基本思路。通常手段是“風(fēng)險控制”，即在損傷發(fā)生前對可能造成損傷的原因和可能發(fā)生損傷的部位采取有效的控制手段，以最大限度地降低風(fēng)險。風(fēng)險管理應(yīng)以風(fēng)險評估為基礎(chǔ)，結(jié)合劇院建筑自身特點(diǎn)，根據(jù)風(fēng)險發(fā)生的概率和人員密度情況，可按下圖選擇合適的風(fēng)險管理方法。風(fēng)險管理方法包括規(guī)避風(fēng)險、降低風(fēng)險。

圖2 應(yīng)對風(fēng)險的方法選擇

首先是建筑物整體損傷風(fēng)險控制，對于人員密集的建筑，應(yīng)降低發(fā)生整體損傷風(fēng)險。可通過提高小、大震作用下結(jié)構(gòu)變形限值，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體抗震性能，降低整體風(fēng)險。其次對于人員密集或重要功能區(qū)域的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷風(fēng)險控制，例如劇院看臺、疏散樓梯通道等區(qū)域，通過提高重要區(qū)域的支撐結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)或通過“犧牲”部分非重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件來保全重要區(qū)域的支撐結(jié)構(gòu)，降低重要區(qū)域損傷風(fēng)險。

圖3 基于損傷控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

綜上，可將基于損傷控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為損傷風(fēng)險分析、設(shè)定性能目標(biāo)、結(jié)構(gòu)布置、計(jì)算分析滿足規(guī)范要求、大震彈塑性分析性能驗(yàn)證、構(gòu)造設(shè)計(jì)步驟。具體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

4 劇場損傷風(fēng)險分析與抗震性能目標(biāo)

劇院損傷風(fēng)險分析分為整體分析分析與局部風(fēng)險分析。整體風(fēng)險分析是根據(jù)劇院規(guī)模座位個數(shù)判定是否屬于抗震重點(diǎn)設(shè)防類別，對于重點(diǎn)設(shè)防類的劇院建筑風(fēng)險損失會高于普通設(shè)防類，因此需提高結(jié)構(gòu)抗震性能。局部風(fēng)險分析是對劇院中人員密集的功能區(qū)域進(jìn)行判定，如看臺、疏散樓梯、逃生通道等，這些區(qū)域發(fā)生損傷破壞的風(fēng)險損失會高于其他區(qū)域，因此需要避免或降低這些區(qū)域發(fā)生損傷破壞風(fēng)險。

根據(jù)風(fēng)險分析結(jié)果設(shè)定相應(yīng)的抗震性能目標(biāo)。對于屬于抗震重點(diǎn)設(shè)防類別的劇院，建議適當(dāng)提高位移角限值，例如小震作用下框架剪力墻結(jié)構(gòu)位移角限值由1/800提高至1/1000，大震用下結(jié)構(gòu)位移角限值由1/100提高至1/120，通過提高整體指標(biāo)要求，可以提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力與結(jié)構(gòu)延性。其次對于重點(diǎn)區(qū)域的支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)要求確定合理的性能目標(biāo)，表1所示為某劇院構(gòu)件的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

某劇院構(gòu)件的性能設(shè)計(jì)目標(biāo) 表1

5 劇院結(jié)構(gòu)布置方法

結(jié)合劇院建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)體系建議采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)。其中框架部分主要用于承擔(dān)劇院重力荷載，建議在不考慮剪力墻的情況下，重力框架體系成立。剪力墻結(jié)合樓、電梯間、舞臺及看臺周邊進(jìn)行對稱、均勻布置。剪力墻布置時可采用“長墻”與“短墻”結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)理念是由于長墻剛度大，吸收的地震能量大，將率先發(fā)生損傷破壞，待長墻發(fā)生較大破壞，剛度明顯退化后，短墻才發(fā)生損傷破壞，也就是通過長墻的“犧牲”換取短墻的“存活”。設(shè)計(jì)過程中為了防止剪力墻“各個擊破”問題，可先按“短墻”進(jìn)行剪力墻基本布置并達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求，然后選擇幾處非重要區(qū)域的剪力墻進(jìn)行加長，長度不宜超過8m。如圖1所示，首先進(jìn)行框架布置，使得重力框架體系成立，其中重點(diǎn)是看臺懸挑框架及屋面大跨框架的設(shè)計(jì)。其次采用高寬比大于5的剪力墻以對稱、均勻、周邊等原則進(jìn)行布置，最后選擇管道井周邊4片剪力墻進(jìn)行加長以用于地震作用下的損傷耗能。

通過案例分析發(fā)現(xiàn)大震作用下墻肢破壞順序與墻肢剪壓比有較強(qiáng)的相關(guān)性。表2所示為圖1中剪力墻大震作用下墻肢的剪壓比。其中剪壓比最大的W6、W7在大震作用下?lián)p傷最為嚴(yán)重，其次是W11、W12也發(fā)生了一定的損傷，剪力墻大震作用下受壓損傷情況如下圖所示。因此在剪力墻結(jié)構(gòu)布置時，可借助剪壓比作為墻肢破壞順序的初步依據(jù)。

大震作用下墻肢的剪壓比 表2

圖4 剪力墻受壓損傷情況

6 大震彈塑性分析要點(diǎn)

大震彈塑性分析是損傷控制設(shè)計(jì)的重要步驟，通過分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行驗(yàn)證，重點(diǎn)分析結(jié)構(gòu)宏觀指標(biāo)及構(gòu)件損傷情況。分析時應(yīng)注意以下要點(diǎn)。

①結(jié)構(gòu)彈塑性模型構(gòu)建建議采用ABAQUS或SAUSAGE軟件，由于劇院具有大開洞、錯層、斜板等平面不規(guī)則形，ABAQUS或SAUSAGE軟件可以采用彈塑性分層殼單元來模擬樓板，能夠較準(zhǔn)確的模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)。

②地震波宜采用5組天然波與2組人工波，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行三向地震時程分析，水平主向、水平次向和豎向地震波幅值按1∶0.85∶0.65定義，水平主向地震峰值加速度為220gal。

③為保證非線性結(jié)構(gòu)模型能正確反映結(jié)構(gòu)特性，在進(jìn)行非線性分析之前，應(yīng)對比ABAQUS結(jié)構(gòu)模型或SAUSAGE結(jié)構(gòu)模型與SATWE結(jié)構(gòu)模型的基本周期和振型，確保計(jì)算模型的一致性。

④結(jié)構(gòu)阻尼采用瑞雷阻尼來模擬。為確保阻尼取值的合理性，可通過采用等效阻尼比對模型進(jìn)行彈性計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)基底剪力與彈塑性模型進(jìn)行對比，誤差不大時可認(rèn)為阻尼取值基本合理。

7 結(jié)論

①劇院建筑結(jié)構(gòu)具有平面開洞大、有效樓板寬度小、錯層、豎向構(gòu)件躍層轉(zhuǎn)換等多重不規(guī)則性，該類結(jié)構(gòu)體系建議采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

②基于損傷控制的劇院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為損傷風(fēng)險分析、設(shè)定性能目標(biāo)、結(jié)構(gòu)布置、計(jì)算分析滿足規(guī)范要求、大震彈塑性分析性能驗(yàn)證、構(gòu)造設(shè)計(jì)步驟。

③劇院損傷風(fēng)險分析分為整體分析分析與局部風(fēng)險分析，相對應(yīng)的判別指標(biāo)分別是劇院規(guī)模和區(qū)域人流密度。根據(jù)風(fēng)險分析結(jié)果設(shè)定相應(yīng)的抗震性能目標(biāo)，對于重點(diǎn)設(shè)防類別的劇院，建議適當(dāng)提高位移角限值，對于重要區(qū)域的支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)要求確定合理的性能目標(biāo)。

④劇院結(jié)構(gòu)中框架部分主要用于承擔(dān)劇院重力荷載，剪力墻布置宜采用高寬比大于5的剪力墻以對稱、均勻、周邊原則進(jìn)行布置，選擇非重點(diǎn)區(qū)域幾片剪力墻進(jìn)行加長以用于地震作用下的損傷耗能，通過長墻的“犧牲”換取短墻的“存活”。設(shè)計(jì)時應(yīng)注重剪力墻的破壞順序與特征，可通過墻肢剪壓比對破壞順序進(jìn)行初步判斷。

⑤大震彈塑性分析是損傷控制設(shè)計(jì)的重要步驟，通過分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行驗(yàn)證，判斷設(shè)計(jì)的合理性。分析時應(yīng)注意彈塑性分析軟件的選取、地震波的選擇、模型一致性校核及阻尼合理取值。