歷史建筑性能化隔震設計方法初探

謝沐玄 潘晴煒 李 軒 盧文勝，*

（1.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092；2.同濟大學建筑設計研究院，上海200092）

0 引 言

歷史建筑在長期使用過程中，受自然、人為等因素的影響，會產生材料和結構上的不同程度的損傷，即建筑的時隨劣化［1］。這種損傷的積累會造成材料、構件乃至結構整體的性能降低，降低結構的承載力、耐久性，從而嚴重影響建筑結構的正常使用功能。此外，由于新規范的抗震設防標準及要求提升，許多歷史建筑難以滿足現行規范抗震要求，故需對其抗震性能進行適度提升。

在歷次的地震中，歷史建筑損傷及震害均較為嚴重，尤其是具有人文藝術價值的文物部件的損傷［2-3］，往往造成無法彌補的損失。

2008 年汶川地震中，都江堰標志性古建筑“二王廟”損毀嚴重，多處墻壁倒塌（圖1）；2015年尼泊爾地震中，加德滿都杜巴廣場瑪珠廟等多處世界文化遺產建筑倒塌（圖2），造成歷史建筑文化藝術價值的喪失。

圖1 都江堰二王廟在汶川地震中震毀Fig.1 The Erwang Temple in Dujiangyan was destroyed under the Wenchuan Earthquake

圖2 尼泊爾地震中歷史建筑倒塌Fig.2 Historic buildings collapsed under the Nepal Earthquake

一般而言，傳統加固手段對歷史建筑及文物很難起到較好的保護效果，而采取隔震保護措施則是提升其建筑功能和安全性的重要解決方案［4］。通過明確歷史建筑保護目標，采取合理的技術措施，既可確保在改造加固時建筑的內部及外部不產生不可控破壞，又可提升加固后建筑的安全性。

長期以來，一些建筑結構雖然在地震中可以有效防止倒塌，但由于建筑正常使用功能和文化價值的喪失所造成的損失依然巨大。因此，國內外較早開展了建筑結構的性能化抗震設計與研究工作，取得了較大進展［5］，即通過更靈活多樣的性能設計目標及更先進的結構設計分析方法，將建筑結構由于地震作用產生的損傷及損失控制在預期目標的范圍內，在保證結構與生命安全的前提下，盡可能地減小經濟損失。

基于多年研究工作，國內在相關規范規程中，對建筑結構性能水準具有較為明確的劃分［6-7］，國外也在實際工程運用中，體現了關于建筑結構抗震的性能化設計的步驟及標準［8-10］。

1 歷史建筑性能化隔震兩階段設計方法

考慮到歷史建筑及其隔震結構性能的設計分析尚無工程經驗或相關標準規范，特提出針對歷史建筑結構的性能化隔震兩階段設計方法，如圖3所示，即：

第一階段，對歷史建筑結構的性能狀態進行鑒定評估，明確其保護需求。

第二階段，根據歷史建筑的抗震性能評估設定隔震加固目標，進行性能化隔震設計。

本文主要討論第二階段的性能化隔震設計方法。

2 歷史建筑隔震性能化水準及指標分析

根據歷史建筑保護需求，探討歷史建筑性能水準，確定合理的隔震性能量化指標，并明確歷史建筑隔震性能目標。

2.1 歷史建筑隔震性能水準

借鑒國內相關性能水準劃分，并結合國外相關工程經驗，將歷史建筑隔震結構性能劃分為三類：第一類，主要根據結構宏觀損壞程度、不同類別結構構件損壞程度和結構震后繼續使用的可能性等進行水準劃分，參見表1；第二類，主要考慮歷史建筑中具有保護價值的歷史文物，明確與主體結構連接較為緊密的關鍵非結構構件需求，并要求非結構構件的性能水平與主體結構性能水平協調統一，參見表2；第三類，考慮隔震層構件同樣需要保持功能需求，如穿越隔震層的管線和設備的變形適應能力等，其性能水準劃分參見表3。

圖3 歷史建筑結構性能化隔震設計方法Fig.3 The method of structural performance-based design for based-isolated historic buildings

表1 歷史建筑主體結構隔震性能水準（第一類）Table 1 The performance level of historic buildings with isolation based on main structure（Category Ⅰ）

表2 歷史建筑關鍵非結構構件性能水準（第二類）Table 2 The performance level of historic buildings based on key non-structural components（Category Ⅱ）

2.2 歷史建筑隔震性能量化指標

已有研究、震害經驗和工程實例分析等結果表明，采用層間位移角來衡量結構變形能力，從而判別是否滿足建筑功能要求是合理的，層間位移角也是國內外結構性能化設計中最為常用的量化指標。

對于歷史建筑第一類性能水準，針對較為常見的木構古建和框架結構歷史建筑，參考技術規程［11-12］，并結合相關工程經驗［13］，擬定不同性能水準下的層間位移角限值，如表4所示。

表3 歷史建筑隔震層構件性能水準（第三類）Table 3 The performance level of historic buildings based on components in isolation layer（Category Ⅲ）

對于歷史建筑第二類性能水準，考慮一般具有保護價值的文物，像佛像、壁畫等，大都附著于填充墻上，故以填充墻作為關鍵非結構構件，其性能量化指標如表5所示。

表4 歷史建筑第一類性能量化指標Table 4 The quantitative index of performance for Category Ⅰof historic buildings

表5 歷史建筑第二類性能量化指標Table 5 The quantitative index of performance for Category Ⅱof historic buildings

對于歷史建筑第三類性能水準，隔震支座（以橡膠隔震支座為例）以支座剪切變形作為評價指標［14-15］；而隔震層中的設備、管線等構件，在隔震層發生較大水平位移時將出現損壞情況，則以層間位移角作為評價指標，具體指標如表6 所示。在最后確定隔震層的性能量化指標時，取兩者的較小值。

表6 歷史建筑第三類性能量化指標Table 6 The quantitative index of performance for Category Ⅲof historic buildings

2.3 歷史建筑隔震性能目標

歷史建筑隔震性能目標由抗震設防水準與結構性能水準組合，應綜合考慮結構的特殊性、歷史文化價值、修復難易程度等多重因素。結合提出的三類性能水準，將歷史建筑隔震設計的性能目標劃分為四個等級，A 表示最為嚴格的性能目標，D表示最基本的性能目標。

在具體工程案例分析時，為保證性能化隔震設計的合理性，需要結合歷史建筑結構以及使用功能現狀，明確其保護需求，從而確定如何組合三類性能水準，即從第一類和第二類水準中選擇其一或將二者組合，再與第三類水準結合進行設計。

表7 歷史建筑隔震結構性能目標（1）Table 7 The performance targets of base-isolated historic buildings（1）

表8 歷史建筑隔震結構性能目標（2）Table 8 The performance targets of based-isolated historic buildings（2）

根據性能水準的組合情況，提出相應的性能目標。表7 和表8 分別為某歷史建筑典型性能水準組合情況下的性能目標，具體案例分析見后文。

3 案例分析

通過兩個歷史建筑隔震工程案例，進行性能化隔震設計，驗證性能化隔震設計的合理性、有效性。

3.1 某框架結構歷史建筑組合隔震設計

3.1.1 第一階段：歷史建筑性能評估

某市級優秀歷史建筑，建成于1935 年。其外立面呈現現代主義風格，清水紅磚墻，各立面橫縱線條構圖韻味濃厚，原檐口有多重線腳，室內大廳中庭設計，帶有裝飾派藝術技巧，是該歷史建筑的主要保護范圍。

圖4 某市級優秀歷史建筑外立面Fig.4 The facade of a municipal excellent historical building

該房屋結構為鋼筋混凝土結構，上部結構共六層（屋面有出屋面樓梯間、電梯機房），柱距為6.00～6.25 m。柱截面尺寸由下至上逐漸減小，梁截面尺寸從2～6 層保持不變，但屋面梁截面尺寸較小。結構平面如圖5所示。

圖5 標準層平面圖（單位：mm）Fig.5 Typical floor plan（Unit：mm）

經第一階段結構性能評估，原框架結構按靜力設計，兩個方向框架梁截面相差較大，抗側性能存在差別，房屋結構混凝土碳化嚴重，強度普遍較低，僅為C13；局部構件鋼筋銹蝕、銹脹嚴重，導致混凝土表面開裂；部分非結構構件有裂縫。為保護房屋外立面歷史風貌，保證房屋的后期安全使用，需要對其采取隔震加固措施［16］。

3.1.2 第二階段：性能化隔震設計

（1）性能目標設定。根據歷史建筑保護要求，房屋外立面建筑風格不得改變，內部非結構構件無保護需求，同時按照建筑功能要求，并考慮到房屋結構混凝土強度較低，不適宜采用增加梁柱構件截面或設置柱間支撐的形式進行加固。

綜合房屋安全和經濟性［17］，并考慮上部結構和隔震層性能，結合歷史建筑第一類及第三類性能水準進行隔震設計。

根據歷史建筑隔震性能目標等級劃分（表7），雖然該歷史建筑結構構件強度偏低，但結構完整性較好，故擬定該隔震結構的性能目標為B級，具體位移限值如表9所示。

表9 隔震結構性能目標Table 9 Performance targets of the isolation structure

（2）場地及地震波選取。建筑位于Ⅳ類場地、按七度設防要求以及結構自身的特點，選取多條天然地震波和一條人工模擬地震波，進行非線性動力時程分析（直接積分法）。分別進行多遇、基本、罕遇地震下的時程驗算。

（3）隔震設計。建立SAP2000 結構模型，如圖6 所示。采用鉛芯橡膠支座與彈性滑板支座組合隔震的方式，布置如圖7 所示，相對應的支座參數可參見表10。

圖6 SAP2000有限元模型Fig.6 Finite element model in SAP2000

（4）隔震結構性能分析。

①結構周期。從表11可以看出，隨著地震作用水準的提升，隔震層對結構周期有逐漸顯著的延長效果。

②上部結構層間位移角。從表12可以看出，罕遇地震下，上部結構層間位移角滿足以1/250為限值的性能目標要求。

圖7 隔震支座布置平面圖（單位：mm）Fig.7 The layout of isolation bearings（Unit：mm）

表10 隔震層支座性能參數表Table 10 Table of performance parameters of isolation bearings

表11 隔震前后結構周期對比Table 11 Structural periods with/without isolation s

③隔震層位移罕遇地震工況下，隔震層最大水平位移為237.4 mm，滿足表9 設定的性能目標（隔震層位移限值250 mm），保證了隔震層支座的性能需求。

3.2 某木構古建的摩擦滑移隔震設計

3.2.1 第一階段：歷史建筑性能評估

該大雄寶殿古建筑始建于約1918 年，為木結構重檐歇山式單層建筑，屬江南明清殿閣建筑風格，其主體結構、隔墻及其內部佛像等均為該歷史建筑的主要保護范圍。

表12 罕遇地震下樓層層間位移角及減震系數Table 12 The story-drift and seismic decrease coefficient under rare earthquake

建筑平面呈矩形，東西向為長邊，共五開間。外立面如圖8所示。

圖8 某木構大雄寶殿Fig.8 Timber Great Buddha’s Hall

主體結構采用中國傳統的抬梁式木結構體系，主要豎向承重構件為木柱，柱底置于鼓磴之上；梁為水平承重構件，截面形式有矩形和圓形兩種；梁柱間采用榫卯連接，榫頭凸出處用鐵銷插入固定。其結構剖面圖如圖9所示。

圖9 某木構大雄寶殿結構剖面圖（單位：mm）Fig.9 The structural profile of Timber Great Buddha’s Hall（Unit：mm）

檢測發現，無論是主體結構還是非結構構件等均出現了不同程度的損壞。大雄寶殿外立面存在墻面粉刷龜裂、屋脊局部開裂、走獸泥塑開裂、瓦片松動移位或缺損等破損現狀；大殿室內則存在部分雕塑老化損壞，屋面板底木檁、木椽、木梁、斗拱開裂，部分榫卯連接出現脫榫等情況。

3.2.2 第二階段：性能化隔震設計

（1）性能目標設定。考慮該木構古建中各類具有保護價值的非結構構件，如佛像、壁塑、壁畫、室內外裝修等，且中國傳統木結構具有較好的抗震性能，所以確定保護主體結構及關鍵非結構構件為該歷史建筑的抗震性能目標，即結合歷史建筑第一類、第二類及第三類性能水準進行隔震設計。

根據已提出的性能目標等級劃分（表8），考慮到該歷史建筑為木結構，且構件存在較多的損壞情況，故擬定該隔震結構的性能目標為C級，具體位移限值如表13所示。

表13 隔震結構性能目標Table 13 Performance targets of the isolation structure

（2）場地及地震波選取。建筑位于Ⅳ類場地，抗震設防烈度為7 度，選取多條天然地震波和人工模擬地震波，分別進行多遇、基本和罕遇地震下的時程驗算。

（3）隔震設計。建立SAP2000 軟件結構模型，如圖10 所示。該木結構古建筑建造年代久遠，存在較多破損情況，因此在建模過程中根據木材使用年限對其材料強度進行折減。同時對于結構中較為關鍵的榫卯節點，在軟件中采用線性彈簧單元模擬，該單元可將轉動剛度作為輸入參數，從而模擬任意剛度的節點，依據榫卯節點檢測結果設定模型節點的轉動剛度［18］。

采用以彈性滑板支座為主，輔以少量厚層橡膠隔震支座及黏滯阻尼器的摩擦滑移組合隔震方案。支座摩擦滑移使得隔震層等效剛度變化幅度較大，其等效頻域范圍較寬，適合于軟土場地長周期結構隔震；增設少量厚層橡膠支座與黏滯阻尼器，可在保持減震效果的前提下，適度限制隔震層的不利位移及減小隔震系統的震后殘余變形，從而滿足罕遇地震下隔震層位移要求。摩擦滑移隔震體系不具備大震下的自復位功能，在大震后將存在殘余變形，因此在隔震層的四周布置四個復位節點，在震后可通過安裝千斤頂等方式對大雄寶殿進行復位。復位節點側面設置預埋件，方便千斤頂等裝置的安裝或更換。隔震層支座布置可參見圖11，復位節點構造如圖12所示。

圖10 SAP2000有限元模型Fig.10 Finite element model in SAP2000

圖11 隔震支座布置平面圖（單位：mm）Fig.11 The layout of isolation bearings（Unit：mm）

圖12 復位節點（單位：mm）Fig.12 Resetting joint（Unit：mm）

（4）隔震結構性能分析。

①結構周期。隔震前后結構周期對比如表14 所示。可見在不同水準地震下，以摩擦滑移支座為主的組合隔震層對周期延長效果較佳，能夠有效避開場地特征周期。

表14 隔震前后結構周期對比Table 14 Structural periods with/without isolation s

②上部結構層間位移角。隔震加固前，結構層間位移角在多遇地震下為1/410，基本地震下1/143，罕遇地震下1/60；隔震加固后，大雄寶殿在多遇地震、基本地震、罕遇地震下的層間位移角分別是1/586、1/295 和1/186，較隔震前顯著降低，有效提升了大雄寶殿古建筑的結構及非結構構件的性能水準，滿足所提出的預期性能目標。

圖13 罕遇地震下隔震前后層間位移角時程對比Fig.13 Comparison of story-drift under time history before and after isolation in rare earthquakes

③隔震層位移。罕遇地震工況下，隔震層最大水平位移為238.4 mm，滿足表13設定的性能目標（隔震層位移限值480 mm）。

由于本文對關鍵非結構構件所采用的評價指標尚不能涵蓋種類繁多的非結構構件，此方面有待進一步研究完善。

4 結 論

以歷史建筑為對象，針對城市更新修繕過程中所遇到的歷史建筑老化損傷以及文化價值保護等需求，結合在歷史建筑改造加固中可采取的隔震技術措施，提出了綜合考慮上部結構、非結構構件以及隔震層的性能化隔震兩階段設計方法，并通過實際案例分析，得出以下結論：

（1）在歷史建筑改造加固中，需對其性能現狀進行有效評估，明確建筑抗震性能保護需求。

（2）針對不同歷史建筑的特點，區分重點保護對象，將隔震性能水準分為三類，分別設定保護主體結構、關鍵非結構構件以及隔震層構件的性能量化指標。

（3）確定性能化隔震設計性能目標，保證上部結構安全性能，以及確保關鍵非結構構件、隔震層構件及設備管線等抗震性能。

（4）通過框架結構和木構古建兩項工程案例的設計分析，驗證了所提出的歷史建筑性能化隔震設計方法的合理性及有效性。