基于不同設(shè)防水準的抗震對比分析

陳 波 樓映珠 蔣佳琪

（1.中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310051；2.浙江省建筑設(shè)計研究院，浙江 杭州 310051；3.浙江五洲工程項目管理有限公司，浙江 杭州 310053）

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的核心是滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準設(shè)防目標。為了實現(xiàn)三水準設(shè)防目標，我國采取兩階段設(shè)計步驟，第一階段設(shè)計，多遇地震下的承載力驗算和彈性變形校核，即小震不壞的第一水準目標；第二階段設(shè)計，罕遇地震下的彈塑性變形驗算，針對特殊建筑或薄弱不規(guī)則建筑的關(guān)鍵部位進行彈塑性變形分析，以滿足大震不倒的第三設(shè)計水準目標。中震可修的第二水準目標，以小震不壞為前提，通過抗震概念設(shè)計和構(gòu)造措施加以保證[1]。

針對某些特殊建筑，“三水準設(shè)計”不能滿足建筑全壽命周期的最優(yōu)成本要求。中震彈性和中震彈塑性是對此類建筑最常用的中震性能選擇，了解中震下各性能水準，有利于合理地進行性能目標選擇。

1 抗震設(shè)計基本思路

我國現(xiàn)階段抗震設(shè)計方法是小震作用下的靜力彈性分析方法，根據(jù)現(xiàn)行的抗震設(shè)計研究和材料本構(gòu)關(guān)系，通過數(shù)值模擬分析獲取各工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力組合及變形結(jié)果參數(shù)，對設(shè)計結(jié)果進行評估分析，判斷結(jié)構(gòu)是否滿足小震彈性的性能水準要求。

中震彈性和中震彈塑性是中震水準下的兩種常見設(shè)計方法，在滿足小震彈性的基礎(chǔ)上，選擇合適的地震波和人工模擬波進行時程分析，通過包絡(luò)設(shè)計驗算多組時程分析和小震設(shè)計的承載力及變形，達到中震預期的性能目標要求。

結(jié)構(gòu)抗震性能是強度、剛度和延性的綜合體現(xiàn)，可以通過結(jié)構(gòu)變形校核和構(gòu)件承載力驗算保證水準下的建筑抗震性能。

2 結(jié)構(gòu)變形校核

由結(jié)構(gòu)動力學原理可知，建筑物水平自振周期與結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的平方根成反比關(guān)系，而自振周期越短，結(jié)構(gòu)水平地震作用力數(shù)值越大。因此，結(jié)構(gòu)抗側(cè)向剛度的選擇不宜過大，應(yīng)從根本上減小結(jié)構(gòu)水平地震作用力。結(jié)構(gòu)抗側(cè)向剛度也不應(yīng)過小，較小的側(cè)向剛度雖然減少了水平地震力，但是過大的側(cè)向位移形成重力二階效應(yīng)，加重了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞程度，影響建筑舒適性。考慮以上因素，抗震設(shè)計通過“七大基本參數(shù)”對建筑延性和變形進行校核，其中，層間位移角是變形校核的重要控制指標之一。

層間位移角是層間構(gòu)件相對變形與構(gòu)件高度的比值，彈性階段近似為構(gòu)件變形的正切值。層間位移角的大小和構(gòu)件抗側(cè)向剛度密切相關(guān)，能夠很好地反映構(gòu)件的抗變形能力和震后損壞程度，是進行變形校核和鑒定結(jié)構(gòu)損傷的重要指標之一。

參照我國地震破壞等級劃分[2]和各抗震設(shè)計規(guī)范，最大層間位移角控制目標參考值如表1所示。

表1 最大層間位移角控制目標參考值

地震破壞分級標準為：

（1）完好。受力構(gòu)件完好，處于彈性變形狀態(tài)，個別非受力構(gòu)件出現(xiàn)輕微裂縫，是構(gòu)件彈性位移角的限值參考值，震后不影響承載力和正常使用。

（2）輕微損壞。個別受力構(gòu)件出現(xiàn)輕微裂縫，處于基本彈性狀態(tài)，部分非受力構(gòu)件明顯裂縫，震后稍加維修即可正常使用。

（3）中等破壞。部分受力構(gòu)件出現(xiàn)明顯裂縫，屬于保證人身安全水準的參考值，多數(shù)非受力構(gòu)件明顯破壞，震后經(jīng)一般維修可以適當使用。

（4）嚴重破壞。多數(shù)受力構(gòu)件出現(xiàn)破壞，耗能構(gòu)件優(yōu)先進入屈服狀態(tài)，是極限變形狀態(tài)參考值。多數(shù)非受力構(gòu)件破壞明顯，震后需要進行修復或者加固才能正常使用。

對比結(jié)構(gòu)最大層間位移角，可以分析建筑物在設(shè)防水準下具備的抗變形能力和震后損壞程度是否滿足預期目標下的延性要求。

3 承載力驗算

小震下的承載力驗算是抗震設(shè)計保證建筑安全的基本要求，對于超限項目或功能特殊性項目還需要滿足更高的性能要求，中震性能設(shè)計方法包括中震彈性和中震彈塑性，在設(shè)計方法和概念上與小震具有較大不同。文章選取框架結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)體系，初步分析小震和中震條件下豎向構(gòu)件的綜合內(nèi)力放大系數(shù)。

（1）內(nèi)力影響參數(shù)。小震不壞的第一水準要求建筑結(jié)構(gòu)在小震作用中處于彈性設(shè)計階段，地震影響系數(shù)最大值αmax按照多遇地震取值，按規(guī)范需要考慮豎地震計算內(nèi)力調(diào)整系數(shù)、材料強度調(diào)整系數(shù)、地震荷載分項系數(shù)以及承載力抗震調(diào)整系數(shù)[3]。

中震作用下，地震影響系數(shù)最大值αmax按照抗震設(shè)防烈度取值。中震彈性設(shè)計考慮材料強度調(diào)整系數(shù)、地震荷載分項系數(shù)以及承載力抗震調(diào)整系數(shù)，但不考慮地震計算內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，保留構(gòu)件承載力的安全余量。其中，中震彈塑性設(shè)計屬于中震條件下的承載能力極限設(shè)計，上述所有內(nèi)力調(diào)整系數(shù)均不考慮[3]。小震和中震條件下內(nèi)力影響參數(shù)如表2所示。

表2 小震和中震條件下內(nèi)力影響參數(shù)

（2）水平地震影響系數(shù)最大值αmax。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[4]，水平地震影響系數(shù)最大值αmax如表3所示。由表3可知，中震作用下的地震影響系數(shù)αmax為小震作用下2.81～3.00倍，綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)討論中，比例關(guān)系取2.80倍進行計算分析。

表3 水平地震影響系數(shù)最大值αmax

（3）內(nèi)力調(diào)整系數(shù)。根據(jù)抗震概念設(shè)計，豎向構(gòu)件內(nèi)力計算需要進行“強柱弱梁”和“強剪弱彎”的內(nèi)力調(diào)整，其中“強剪弱彎的最終剪力”調(diào)整需在“強柱弱梁的彎矩”調(diào)整基礎(chǔ)上迭代進行。

剪力墻底部加強部位彎矩無須調(diào)整，非底部加強部位針對一級抗震等級進行放大計算[5]。豎向構(gòu)件地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù)如表4所示。

表4 豎向構(gòu)件地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù)

（4）綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)。結(jié)合抗震設(shè)計思路，以方案一為基準方案，計算各設(shè)防水準下綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)：各水準下的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)=水平地震影響系數(shù)最大值×地震計算內(nèi)力調(diào)整系數(shù)×材料強度調(diào)整系數(shù)×荷載分項系數(shù)×承載力抗震調(diào)整系數(shù)；綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)=（相應(yīng)水準下總內(nèi)力調(diào)整系數(shù)）/（方案一總內(nèi)力調(diào)整系數(shù)）。

中震彈性工況較基準方案，僅水平地震影響系數(shù)最大值αmax不同，剪力墻和框架柱綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)均為2.8；中震彈塑性工況較基準方案，表2中五項參數(shù)均不同，框架柱和剪力墻綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)分別為2.8/(1.4×1.3×0.8)=1.92和2.8/(1.4×1.3×0.85)=1.81。小震工況較基準方案，僅地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù)不同，結(jié)合表4豎向構(gòu)件地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，小震彈性、中震彈性以及中震彈塑性的綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)如表5所示。

表5 小震彈性、中震彈性以及中震彈塑性的綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)

對比綜合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，中震彈性設(shè)計綜合內(nèi)力調(diào)整明顯，高于一級抗震條件下的小震地震承載力極限狀態(tài)；中震彈塑性設(shè)計內(nèi)力調(diào)整在高抗震等級下放大倍數(shù)可能小于小震彈性設(shè)計，尤其是框架結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)下的框架柱構(gòu)件。在高抗震等級時，應(yīng)合理選擇性能設(shè)計目標；框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的框架柱作為第二道抗震防線，在同一抗震等級下內(nèi)力放大系數(shù)較框架結(jié)構(gòu)有所降低。

4 結(jié)語

“三水準設(shè)防目標”是結(jié)構(gòu)設(shè)計核心準則，也是抗震設(shè)計的最低設(shè)防要求，但是針對某些特殊建筑，地震災(zāi)害所引起的功能關(guān)閉和后期維修會引起重大的經(jīng)濟損失，此時以生命安全作為唯一目標的“三水準設(shè)計”并不全面。因此，有必要采取高于基本抗震目標的設(shè)計手段，對小震、中震條件下的變形校核和承載能力驗算能夠有效反映小、中震選擇下的抗震能力基本水平，為合理進行抗震性能設(shè)計提供參考。