地震是高度随机性事件。只有在一次地震发生后才知道该次地震具体的特征参数和地震作用的大小,而且每次发生地震作用大小的差异可能极大,因此建筑结构的抗震设计与一般抗恒载、活载、风荷载、温度作用等的设计有质的不同,它不可能仅仅采用一个确定的地震作用进行分析和设计,而是必须分别考虑小震、中震、大震不同地震作用,特别是大震作用发生的可能,根据不同情况和要求设定不同的抗震设防目标,根据结构在地震作用下的受力与变形状态,采用不同的反映结构实际受力状况的设计计算方法来进行设计,这是设计者必须遵循的抗震设计基本原则,世界各抗震技术较先进国家多年来采用的建筑结构抗震设计方法基本上都是基于这一原则
[2]
。
美国1978年Tentative provisions for the development of seismic regulations for buildings (ATC3-06)在总则中指出:本条例目的在于为承受地震运动的建筑物制定设计与施工的准则,以期减少伤亡及提高重要设施在地震时和地震后能保持正常的使用能力。建筑物在正常使用期间所遭受的地震作用是不大可能超过本条例所选取的设计地震作用的。凡按该地震运动进行抗震设计并遵照以下各章有关框架和材料的各项技术要求施工的建筑物及其部件,虽然在地震作用下有可能遭到损坏,但导致建筑物倒塌的可能性是很小的。
美国洛杉矶高层建筑结构设计理事会于2017年发布的Guidelines for performance-based seismic design of tall buildings
[3]
规定:当遭遇常遇地震地运动时,结构能正常使用,当遭遇罕遇地震地运动时,结构不致倒塌。
日本修正建筑基准法(新耐震基准,1981年6月1日生效)的总则中规定
[4]
:本抗震设计方法的目的是使建筑物能几乎没有损伤地抵御在建筑物使用期间可能发生几次的中等地震;而在建筑物使用期间可能只发生一次的剧烈地震时,不至于倒塌也不发生人身伤亡。
希腊抗震规范(1978年,草案)总则中规定
[4]
:
(1)在建筑物的有效使用期间,即使在极少可能的强地震发生的情况下,也要保证建筑物不至于倾覆、倒塌或遭到彻底的破坏。
(2)在建筑物的有效使用期间,在很可能发生的比较强的地震情况下,要避免发生暂时丧失使用功能或修复费用过高的情况。
秘鲁抗震设计规范(1977年)在抗震设计标准中指出
[4]
:遭受轻微地震时无损害,遭受中等地震时,结构有可能轻微损坏。遭受严重地震时,结构虽有严重的破坏,但建筑物不大可能倒毁。
中国第一本关于建筑抗震的设计规范TJ 11—78
[5]
指出:在遭遇相当于设计烈度的地震影响时,建筑物的损坏不致使人民生命和重要生产设备遭受危害,建筑物不需要修理或经一般修理仍可继续使用。经多年的实践、研究和改进,特别是通过1976年唐山大地震惨痛教训的经验总结,中国规范GBJ 11—89明确规定:按本规范设计的建筑,当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时,一般不受损坏或不需修理仍可继续使用;当遭受本地区设防烈度的地震影响时,可能损坏,经一般修理或不需修理仍可继续使用;当遭受高于本地区设防烈度的预估的罕遇地震影响时,不致倒塌或发生危及生命的严重破坏 。在以后发布的中国规范GB 50011—2001
[6]
和中国规范GB 50011—2010
[7]
的总则中一直沿用了这一抗震设防目标的基本规定。
实践证明,在地震区,无论有无地震预报,也无论预报准确与否,结构的抗震设计均必须执行“小震不坏,大震不倒”或更完全表达的“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设计基本原则。只有这样做,才能满足建筑结构抗震设防的总体要求。这是必要的,也是可行的。它说明:建筑结构的抗震设计必须包括并充分重视抗罕遇地震(大震)设计内容。
历史上各国抗震设计规范对抗大震设计技术和方法均高度关注并给出了相关规定,但由于当时科学技术发展的限制,对抗大震设计的规定内容,主要体现于概念和抗震及构造措施方面的条文,尚存在缺乏弹塑性量化分析方面的不足。
建筑结构抗大震设计技术大体上可划分为两个阶段。第一阶段可称为“概念设计,抗震与构造措施抗大震设计阶段”,即在保证建筑能正常使用的小震作用与恒载、活载、风荷载等组合下的结构弹性分析设计基础上,规定相应的抗震和构造措施以抗御大震。依赖于历次大地震建筑物震害的广泛总结和美国、日本等国家进行的大量的结构和构件破坏试验和振动台试验获得的研究成果,为规范提供了丰富而详尽的保护结构承载力构件在大震袭击下不致严重破坏倒塌,耗能构件有充分延性措施能够承受大震下塑性变形的发展的多项抗震和构造措施规定,防止建筑在大震下倒塌。这一阶段大体上延续至20世纪末,简单归纳,这一阶段的规范设计方法既考虑了小震也考虑了大震,各被赋予不同的抗震设防目标,小震须与其他荷载组合进行弹性分析与设计,大震不要求进行计算,而是依靠概念设计与抗震和构造措施设计,这一方法实际上是结合当时的科技发展水平综合考虑了小震、中震、大震作用提出的抗震设计方法,将这一方法简单称为小震设计方法是一种误解甚至是错误,但由于结构在大震下将发生严重破坏,缺乏较完善的能考虑大震作用下结构材料弹塑性和几何非线性影响的结构动力分析方法和软件,不能提供可供设计应用的量化计算方法及结果,是其不足,属当时无奈之举。第二阶段可称为“纳入弹塑性动力分析抗大震设计阶段”,即在上述为抗大震设定的抗震和构造措施的基础上,采用输入大震地震波对结构进行弹塑性动力分析求得结构的内力与变形作为结构抗大震设计的依据。
经过长期的研究和积累,近年来出现了一批具有较高水平的弹塑性动力分析软件,如美国的Perform-3D、ETABS、SAP-2000、ABAQUS、韩国的MIDAS Gen、MIDAS Building、中国的盈建科、Sausage、Strat等,为结构在大震作用下进行弹塑性动力时程分析及求出结构构件的弹塑性内力与变形提供了条件,为进一步完善建筑结构抗罕遇地震设计技术这一结构抗震领域的世纪难题做出了贡献。
进入21世纪以来,以美国为主导开拓发展了一批较为先进和相对成熟的弹塑性静、动力分析软件,使得建筑结构抗震设计能进行罕遇地震下的静、动力弹塑性分析,给出结构进入塑性阶段后结构构件的弹塑性内力与变形,从而使建筑结构开始迈入全面的抗罕遇地震设计时代。近十余年来,中国北京、上海、重庆、广州、深圳等一线城市高层与超高层建筑大批兴建,有关设计单位先后对数百栋高层建筑进行了大震下弹塑性动力分析,获得了许多有价值成果,对结构在大震下耗能构件受到损坏与同步起到减震保护结构的有利作用,对确保承载力构件具备足够的抗剪、抗压弯、防屈曲等承载力,不出现脆性破坏,对耗能构件充分提高延性性能,防止结构在大震下倒塌的认识大大提高,为今后进一步完善建筑结构抗罕遇地震设计技术打下基础。
通过大量实践,广大设计人员对大震下弹塑性动力分析方法在设计中的应用也发现了一些问题,例如:
(1)现行软件多采用纤维元进行分析,不提供相应构件的内力计算结果,导致大震弹塑性分析结果不能延续小、中震弹性分析结果,相互对照和比较。
(2)非承载力构件一般只能提供受损状态和程度,不提供关键构件的内力和抗震承载力,设计者不知道结构抗倒塌的安全储备,当严重破坏时也不知道结构构件抗震承载力可能存在的富余量。
(3)计算工作量过大,设计单位普遍反映负担过重。由此可见,抗大震结构弹塑性分析设计方法有待进一步研究改进,以臻完善。
总结近十余年来深圳和其他城市高层建筑弹塑性动力分析和抗大震设计经验,提出以下建筑结构抗大震设计方法初步建议:
(1)抗大震设计是抗小震设计的延续和拓展,应与小震分析阶段一样,以构件为基本元件进行构件抗震承载力和塑性变形的验算,如果是采用纤维单元,应将计算结果汇集至设定的构件单元,给出构件的截面内力和变形。中国现行结构设计规范有关承载力的计算均系以构件为基准,所以有关大震下结构抗震承载力与弹塑性变形的验算应以构件为基准,这是符合当前客观实际条件的必要和正确做法。
(2)将结构构件划分为耗能构件和承载力构件。耗能构件即在不允许出现剪切等脆性破坏的前提下,能较充分发展塑性变形的构件。承载力构件即根据设定的性能目标适当地部分允许或不允许抗弯和压弯屈服,应防止竖向和斜撑等构件抗剪、抗压和屈曲等脆性破坏,对于关键构件必须满足抗剪弹性或不屈服的要求,对于重要构件可适当允许个别或部分构件抗弯或压弯屈服。
设计时筒体和剪力墙的连梁、框架梁取为耗能构件,墙柱等不允许出现剪切脆性破坏的构件取为承载力构件,筒体和剪力墙结构中取为承载力构件的剪力墙构件应与小震弹性分析时设定并用以进行承载力验算时所取的剪力墙构件相同。
(3)设定结构抗震性能目标。对抗震性能C、D、D
+
级(深圳市《高层建筑混凝土技术规程》(SJG 98—2021))
[10]
增加了D
+
级,中震抗震性能水准选为第3性能水准)的高层建筑,将结构构件根据其位置、受力特点及重要性等选定关键构件、重要构件、普通竖向构件、耗能构件、楼板等,分别按承载力构件和耗能构件采用弹性、抗弯或压弯屈服、部分屈服、不屈服等不同的性能目标。
(4)建立结构的弹塑性分析模型,其在多遇地震作用下的计算结果应与相应的弹性分析模型基本一致,两者均采用三维模型。
构件的弹塑性性能按其实际尺寸、配筋和混凝土强度标准值计算,梁柱可采用双折或三折线滞回模型,钢材采用双折线滞回模型。混凝土受拉构件开裂后在计算中须考虑刚度折减的影响。
(5)选择地震波进行结构大震弹塑性动力分析,选用输入大震地震波的方法和要求以及其加速度最大值(表1)按中国规范GB 50011—2010的规定采用。
(1)较多现行弹塑性动力分析软件系以纤维单元为基础,建议补充将计算结果汇集至相应设定构件的内容,提供构件的内力与变形计算结果
[12]
,供设计应用,这样做可以使小、中、大震计算结果有所延续和连贯,便于相互对照比较,而且有利于采用不同软件分析时计算结果的相互校核,检验计算结果的正确性。已有工程案例弹塑性动力分析结果表明,这样处理后不同软件给出的主要构件的内力与变形计算结果可以方便地进行比较,且可给出较为接近的计算结果。
(2)现行设计地震波的选用规定,简称三条(组)取包络,七条(组)取平均的方法设计工作量过大。根据大量弹塑性分析结果的比较和研究,初步建议选取一条(组)符合规范规定要求的人工地震波作为大震设计地震波,并建议加速度峰值乘以1.1的增大系数。这条建议已被深圳市《高层建筑混凝土结构技术规程》(SJG 98—2021)在非超限高层建筑抗震设计中采用。
(3)按大震弹塑性动力分析的配筋等计算结果与按规范抗震措施计算结果不一致时,如经框架-剪力墙结构的剪力调整、框支柱的剪力增大系数调整、剪力墙剪力增大系数调整后的计算配筋大于弹塑性计算配筋时,甚至差别较大时,建议经过论证,在满足结构抗震安全性的条件下,可采用弹塑性动力分析的计算结果作为设计依据。当计算结果与规范规定的构造措施不一致时,宜偏于安全方面采用。
(4)中国规范JGJ 3—2010规定采用性能化方法设计时抗震性能目标分为A、B、C、D级,对于A级,小、中、大震下的性能水准分别为1、1、2,中震作用下要求结构处于弹性,应采用中震地震作用与其他荷载组合直接进行弹性设计,此时进行小震地震作用分析已失去意义。大震下处于第2性能水准,其关键构件、竖向构件无损坏,耗能构件仅轻微损坏状态,此时,进行弹塑性动力分析也无必要,中国规范JGJ 3—2010中的抗震和构造措施应怎样调整配套采用也尚不明确。由此可见,抗震性能目标A级的高层建筑抗大震设计方法目前尚不完善,抗震性能目标B级的高层建筑存在类似问题,均有待进一步研究解决。如前所述,本文讨论的抗大震设计方法仅适用于抗震性能目标C、D、D
+
级的高层建筑。
(5)中国规范GBJ 11—89将罕遇地震烈度定义为比设防烈度提高一度,根据唐山、汶川等大地震的经验,对于7度区按此大震烈度进行建筑抗倒塌设计似嫌不足。建议按中国规范GB 18306—2015
[13]
的极罕遇地震进行建筑结构地震作用下的抗倒塌验算,结构抗震性能目标可用D级性能水准5。
建筑结构抗大震设计技术是结构抗震设计的精华与难点所在,本文主要论述如下:
(1)总结了近20多年来中国高层建筑抗大震设计经验,结合动力弹塑性分析方法和相应软件的应用与进展,提出了一个结构抗大震设计方法建议。
(2)将建筑结构抗大震设计技术划分为两个历史阶段,指出中国已从主要依靠“概念设计和抗震构造措施阶段”的第一阶段进入“纳入弹塑性动力分析抗大震设计阶段”的第二阶段,这是一个巨大的进步。
(3)结构的大震弹塑性动力分析应与小、中震结构分析相衔接,结构计算模型宜基本一致,相应软件应给出以构件为对象的内力与变形,使结构在大震作用下的构件抗震承载力验算与塑性变形验算得以顺利进行,并可与小、中震作用下的计算结果相比较。这样配合设计才能使建筑结构抗震设计技术更快进步,同时尚应对现下弹塑性分析软件进一步研究与改进,提高其准确性与可靠性使之趋于完善。
(4)对7度地震区的高层建筑,建议补充极罕遇地震作用验算,结构性能目标取D级性能水准5,以有效保证结构的抗倒塌性能。
(5)指出了近年来提出的大震等效弹性分析法与弹塑性动力分析法的关系,解决好前者对后者的依赖是达到该法计算结果能实现等效目标的关键,该法尚需进一步研究与完善。
