如文献[2]指出,美国、日本等国建筑抗震设计规范中制定的抗震设防标准一般只述及小震地震作用应满足结构正常使用要求,大震地震作用应防止结构出现倒塌,对中震设防标准未作明确论述,意涵中震地震作用下结构将出现一定程度的损坏但不致出现严重破坏或倒塌。2018年3月美国洛杉矶高层建筑结构设计理事会发布了Guidelines for performance-based seismic design of tall buildings(ISSN 1547-0587X)
[3]
,明确提出在中震作用下要求结构达到可修,但未要求进行分析计算或复核。
我国第一本关于建筑抗震设计的规范《工业与民用建筑抗震设计规范》(TJ 11—78)
[4]
对中震设防标准规定为:在遭遇相当于设计烈度(即现下定义的中震烈度)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。之后,我国先后发布的几本建筑抗震设计规范
[5-7]
均沿用了这一中震设防标准,简称“中震可修”。
总体来看,“中震可修”定义跻身于“小震不坏”和“大震不倒”之间,出现一定破坏状况是合理的,但定义为“建筑物不需要修理或经一般修理仍可继续使用”作为中震作用下建筑物破坏的控制标准则似不妥。实际大量地震震害表明,在不同地震烈度区发生的中震烈度地震作用下,建筑物的破坏状况和程度存在相当大的差别,“可修”覆盖范围很大,应从实际情况出发适当加以区分才更合理,拟初划分为“不需修理”、“小修”(一般修理或稍加修理)、“中修”、“大修”等四档可能会更好地反映实际情况,也更符合我国现行规范关于抗中震设计的相关规定。
美国、日本等国建筑抗震设计规范一直没有对中震设计提出过具体计算分析和专门针对抗御中震的抗震和构造措施的要求,其基本抗震设计理念是小震要求建筑物能满足正常使用要求,大震要求建筑物满足不倒要求,中震则允许结构出现一定破坏但不要求进行结构构件抗震承载力和塑性变形的计算和控制。需要说明的是:美国相关规范虽在规定的设计方法中采用了输入中震地震作用进行计算,但规定同时采用了中震下结构进入塑性导致的地震作用折减系数,其值远小于1,实质上并未按中震地震作用进行弹性分析,而是采用了相当于小震的地震作用与其他恒载、活载、风荷载等组合进行弹性分析和设计,其内涵是考虑中震地震作用下有的构件已进入屈服,结构已出现一定程度的破坏,起到了对结构耗能减震作用。可以认为美国等国家规范的抗中震设计是通过小震和其他荷载组合的弹性设计满足结构正常使用要求和大震抗震构造措施满足结构大震下不倒要求设计来隐含体现。
我国地震震区覆盖地域广阔,几乎遍及全国,地震设防烈度涵盖6、7、8、9度,在设防烈度地震(中震)作用下,建筑物遭受的破坏状况和程度颇不相同,因此了解和掌控经过按现行规范设计的结构,其能够具备的抗中震承载能力及结构可能的破坏状况和程度是必须的。期盼规范能早日提供抗中震量化计算分析方法及相应规定,用以指导建筑结构抗中震设计。
《工业与民用建筑抗震设计规范》(TJ11—78)
[4]
虽然采用了中震地震作用输入,但与美国等国家的规范相同,仍然是通过采用考虑结构进入塑性引起的远小于1的折减系数,称为结构系数,实际上将中震地震作用降低到相当于小震地震作用,并与其他恒载、活载、风荷载等组合进行弹性分析和设计,规范内并没有针对抗中震设计的实质性具体内容。直至2010年10月和12月,我国先后颁布了《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)
[8]
(简称高规)和《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)
[7]
(简称抗规),首次对结构抗中震设计在量化计算方面作出了明确的规定。高规将结构抗震性能目标分为A、B、C、D四个等级,又将反映结构的破坏状况、程度和修复标准分为1、2、3、4、5五个性能水准,其中性能水准2、3、4分别反映不同抗震性能目标时中震下建筑物的不同破坏程度及可修标准,分述如下:
(1)第2性能水准,定义宏观损坏程度为基本完好、轻微损坏,关键构件和普通竖向构件无损坏,耗能构件轻微损坏,可修标准为稍加修理即可继续使用。拟名为小修。
(2)第3性能水准,定义宏观损坏程度为轻度损坏,关键构件和普通竖向构件轻微损坏,耗能构件轻度损坏、部分中度损坏,可修标准为一般修理或适度修理后可继续使用。拟名为中修。
(3)第4性能水准,定义宏观损坏程度为中度损坏,关键构件为轻度损坏,普通竖向构件为部分中度损坏,耗能构件为中度损坏、部分比较严重损坏,可修标准为修复或加固后可继续使用。拟名为大修。
高规还给出了相应的结构构件抗震承载力的计算公式,并给出控制中震下结构构件要满足的抗震承载力标准。
抗规的相关规定与高规类似,但同时提出了计算结构变形的要求。
式中:
γ
G
为重力荷载分项系数;
γ
Eh
为水平地震作用分项系数;
γ
Ev
为竖向地震作用分项系数;
R
d
为构件承载力设计值;
γ
RE
为构件承载力抗震调整系数。
耗能构件的正截面承载力计算采用标准值,计算结果应符合式(1)规定。
(2)第3性能水准,规定这类结构应进行弹塑性计算分析;关键构件及普通竖向构件的正截面承载力计算应采用标准值,抗剪承载力计算应采用设计值,部分耗能构件进入屈服阶段,但其受剪承载力计算应采用标准值。
(3)第4性能水准,规范规定这类结构应进行弹塑性计算分析;关键构件的抗震承载力计算应取标准值,部分竖向构件以及大部分耗能构件进入屈服阶段,但钢筋混凝土竖向构件的受剪截面应符合最小截面剪压比规定,在重力荷载代表值的构件剪力及中震地震作用标准值作用下的构件剪力之和应小于0.15f
ck
bh,其中f
ck
为混凝土轴心抗压强度标准值,b和h分别为构件的长和宽。
分析以上方法,它们存在以下优点与不足:
(1)以往规范中震设防目标均笼统地提为“中震可修”,不能很好反映不同地震烈度区中震对结构可能造成的不同破坏及对中震可修的不同要求。高规设计方法中的第1性能水准为结构完好不需修理,中震可修标准为:第2性能水准相当于小修,第3性能水准相当于中修,第4性能水准相当于大修。这一方法完善了中震可修的内涵。
(2)此法进一步发展了文献[2]提出的屈服判别法,提供了不同性能水准时中震作用下关键构件、竖向构件和耗能构件的抗震承载力计算公式和控制标准,使抗中震量化计算方法更加全面和完整。与屈服判别法相同,此法给出的中震作用下关键构件和竖向构件满足控制标准要求的抗震承载力计算结果对于预判和控制大震下结构不致严重破坏或倒塌有一定的参考价值。
(3)此法规定对第3和第4性能水准结构应进行弹塑性分析计算,明显提高了结构抗中震设计的要求与水平。
(4)此法不足之处在其提出的中震下结构构件抗震承载力的控制标准与所定义的相应抗震性能水准存在一些不符之处,总的来说前者明显偏严。如第2性能水准各构件抗震承载力按规范规定计算结果均满足要求时,结构构件包括耗能构件不会出现屈服,但该性能水准的耗能构件允许出现轻微损坏;第3性能水准各关键构件和竖向构件的抗震承载力按规范规定计算结果均满足要求时,中震下应不会出现屈服,但该性能水准的关键构件和竖向构件允许出现轻微损坏;第4性能水准关键构件的抗震承载力按规范规定计算结果均满足要求时,关键构件不致出现屈服,但该性能水准关键构件允许出现轻度损坏。以上抗震承载力控制验算标准与性能水准不符而偏严之处应进行必要调整,使之趋于完善。
(5)抗规中提出了中震下计算结构层间变形的要求,按本文以上对抗中震设计主要目标的介绍与分析,一般情况下似没有进行结构中震层间变形验算的必要。
(6)沿用现行规范中关于抗震和构造措施的规定,未作任何新的补充和更改,不影响规范抗大震措施设计的考虑。
由于中震量化分析计算对于不同地震烈度区判断和掌控结构构件是否屈服以及进入屈服后的破坏程度和震后修复以及预判结构在大震下是否倒塌有重要参考价值,在我国近年来建筑结构的抗震设计中得到了广泛的应用,取得了良好的效果。它弥补了国际抗震界抗中震设计方法迄今犹存的空白。
总结以往结构抗中震设计的研究成果以及近年来的实践经验,建筑结构抗中震设计的主要内容应该是:1)中震下结构构件不出现抗剪承载力屈服,尤其是关键构件和重要构件的抗剪承载力应得到保障;2)允许耗能构件出现正截面抗震承载力(抗弯)屈服,充分发挥其耗能减震的有利作用;3)一定条件下允许个别或少量关键构件的正截面抗震承载力屈服,允许少量或部分普通竖向构件出现正截面抗震承载力或抗剪屈服,达到进一步的减震作用,以保护整体结构大震下不致倒塌。在此基础上初步建议建筑结构抗偶遇地震(中震)设计方法如下:
(1)输入中震地震作用进行计算,根据不同需要采用设计值或标准值;中震分析不考虑与风荷载的荷载组合。
(2)设防烈度7度区可采用第2、第3性能水准;8度区可采用第3、第4性能水准;9度区可采用第4性能水准,这里的性能水准2对应于B类抗震性能目标的中震分析,性能水准4对应于D类抗震性目标的中震分析,性能水准3则对应于C类抗震性能目标的中震分析。深圳高规新增了D+级抗震性能目标,中震也采用性能水准3。
(3)第2性能水准时,关键构件及竖向构件的抗震承载力宜符合式(2)的要求。
即地震作用取设计值。允许个别或少量上述构件的正截面抗震承载力不符合式(2)规定,符合标准值控制的要求即可,见式(3)。
耗能构件的抗剪承载力宜符合下式规定:
本文以上论述限于高规中震抗震设防目标为“可修”的建筑结构。世界各国历次大地震的经验表明,有些重要建筑物震后须保持其运转功能以大大减少人民生命财产的损失,在国家财力不断增长的条件下,适当提高这类建筑物的抗震设防目标是国家关注民生的一项重大举措。
2021年7月经国务院批准于9月1日起施行的《建设工程抗震管理条例》(国令第744号)
[1]
第16条明确规定:建筑工程根据使用功能以及在抗震救灾中的作用等因素,分为特殊设防类、重点设防类、标准设防类和适度设防类。学校、幼儿园、医院、养老机构、儿童福利机构、应急指挥中心、应急避难场所、广播电视等建筑,应当按照不低于重点设防类的要求采取抗震设防措施。位于高烈度设防地区、地震重点监视防御区的新建学校、幼儿园、医院、养老机构、儿童福利机构、应急指挥中心、应急避难场所、广播电视等建筑应当按照国家有关规定采用隔震减震等技术,保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求。这一规定明确了在上述地区这些类别建筑物抗中震设防目标是从高规规定的“中震可修”提高为中震作用下满足正常使用要求,相对于本文以上论述的中震可修,尤其是中震需中、大修,具有明显的不同和提高,因此拟定和采用新的抗震设计方法进行设计是必要的。
高规在性能化设计方法中,将结构抗震性能目标分为A、B、C、D四个等级,其中A级抗震性能目标为中震弹性,结构完好无损,表明在中震作用下结构可满足正常使用要求,并具有相当的安全储备,完全符合《建设工程抗震管理条例》(国令第744号)
[1]
的规定;B级抗震性能目标为中震基本完好,轻微损坏,具体描述为关键构件和普通竖向构件无损坏,耗能构件轻微损坏,稍加修理即可继续使用,这与满足正常使用要求的规定仅有较小的差距;C级抗震性能目标为中震轻度损坏,具体描述为关键构件和普通竖向构件轻微损坏,耗能构件轻度损坏、部分中度损坏,一般修理后可继续使用,这与满足正常使用要求的规定差距也不是很大,两者须经过适当地调整和加强,根据计算结果合理加强相应的薄弱部位和构件,达到不需修理即可继续使用的目标,满足中震正常使用的要求,但其安全储备较A级相对低些。下面讨论采用A、B、C级抗震性能目标进行抗中震设计时结构的抗震设计方法。遵循建筑结构抗震设计基本原则的要求,以下将同时提出相应的配套抗大震设计要求与设计方法
(1)输入小震地震作用并与其他恒载、活载、风荷载等组合进行计算与设计,地震作用与其他荷载均取设计值。
(2)输入中震地震作用并与其他恒载、活载等荷载组合进行弹性分析计算,地震作用与其他荷载均取设计值,风荷载不参与组合,相关计算参数取值与小震分析时相同。对关键构件及普通竖向构件的抗震承载力和耗能构件的抗剪承载力,按式(2)进行复核,判别计算结果应满足设计要求。
(3)结构抗震和构造措施按规范规定采用,当中震作用计算结果超过相应规定时,按计算结果采用。
(4)采用屈服判别法对中震下耗能构件的屈服状况进行判别,连同上述第(3)项的计算结果,对结构耗能构件可能出现屈服的部位、性质、数量以及屈服程度进行分析和控制,并根据计算结果调整结构设计,使从需稍加修理达到不需修理,满足结构在设防烈度地震作用下能正常使用的要求。
(5)罕遇地震作用下的结构应采用弹塑性动力分析法进行计算,按第3性能水准要求进行设计。
(6)当需要时,可按超大震地震作用进行复核,超大震烈度比大震烈度提高1度或按比大震烈度地震作用适当提高采用,应采用弹塑性动力分析法进行计算,按第4抗震性能水准要求进行控制。
(1)输入小震地震作用并与其他恒载、活载、风荷载等组合进行计算与设计,地震作用与其他荷载均取设计值。
(2)输入中震地震作用并与其他恒载、活载等荷载组合进行弹性分析计算,地震作用与其他荷载均取标准值,风荷载不参与组合,相关计算参数取值与小震分析时相同。对关键构件及普通竖向构件的抗剪承载力按式(2)复核,其正截面抗震承载力和耗能构件的抗剪承载力,按式(3)复核,计算结果应满足设计要求。
(3)结构抗震和构造措施按高规规定采用,当中震作用计算结果超过相应规定时,按计算结果采用。
(4)采用屈服判别法对中震下耗能构件的屈服状况进行判别,连同上述第(3)项的计算结果,对可能出现的屈服部位、性质、数量以及屈服程度进行分析和控制,并根据计算结果调整结构设计,使从需一般修理达到不需修理,满足结构在设防烈度地震作用下能正常使用的要求。
(5)罕遇地震作用下的结构应采用弹塑性动力分析法进行计算,按第4性能水准要求进行设计。
(6)按超大震地震作用进行复核,超大震烈度比大震烈度提高1度或按比大震烈度地震作用适当提高采用,应采用弹塑性动力分析法进行计算,按第5抗震性能水准要求进行控制。
对于中震作用下建筑物满足正常使用要求的设计,迄今对结构安全储备的要求尚无具体规定,对应上述抗震性能目标A、B、C的三种计算方法虽然按计算结果(性能目标B、C时,结构需经过调整和加强)均可满足结构正常使用的要求,但其实际具有的安全储备是不相同的,这是由于它们在计算中采用的分项系数不同所导致,实际设计中究竟采用哪一种方法为宜尚需考虑多种因素包括经济因素在内,也有待有关设计部门积累和提供宝贵设计经验,共同研究提出相应的技术规定。
以上建议的设计方法同样适用于采用减震技术的结构设计,专门设置的减震装置是在结构中增设了弹塑性结构元件,并无其他特殊计算分析要求,实际上结构设计中采用的耗能构件,屈服后也起着耗能作用,相当于结构自身在中、大震下的减震构件,两者在计算方法上是相通的;采用隔震技术进行结构抗中震设计则另有其特点,需另文阐述讨论。
