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協(xié)會(huì)刊物
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初探建筑結(jié)構(gòu)基于性能要求的抗震措施 |
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時(shí)間日期：2007-3-7 已被閱讀次：[9185] |
佛山市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 魏 非
【摘 要】 在建筑結(jié)構(gòu)基本性能要求的抗震設(shè)計(jì)方法中，抗震措施是一個(gè)重要的組成部分。
本人提出了借助綜合抗震能力將抗震措施量化的方案，以尋找基于不同性能要
求與不同抗震措施之間的基本對(duì)應(yīng)關(guān)系。
【關(guān)鍵詞】 抗震措施 基于性能設(shè)計(jì) 建筑結(jié)構(gòu)
一、前言
在現(xiàn)在的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，抗震計(jì)算分析和抗震措施是兩個(gè)不可分割的組成部分。
所謂抗震措施，是除地震作用計(jì)算和抗震承載力計(jì)算外的設(shè)計(jì)內(nèi)容。要建立基于性能的結(jié)構(gòu)
抗震設(shè)計(jì)方法，不僅要提出確定結(jié)構(gòu)地震作用的方法，而且要給出相應(yīng)配套的抗震措施。
通常，作為一個(gè)地區(qū)抗震設(shè)防裂度或設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)確定之后，建筑結(jié)構(gòu)的最小地震作
用就可以確定，則施加給結(jié)構(gòu)的地震能量可以確定。但按照對(duì)結(jié)構(gòu)性能的要求，結(jié)構(gòu)所具有
的抗力和延性要求仍可有所不同，即：
當(dāng)結(jié)構(gòu)具有較高的抗力時(shí)，其總體延性的要求可有所降低；反之，較低的抗力需有較高
的延性要求相配合。當(dāng)然，抗力和延性要求均不得低于某個(gè)最低安全水準(zhǔn)，如抗震設(shè)防類別
為丙類的建筑，應(yīng)符合現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的有關(guān)規(guī)定。
二、建筑結(jié)構(gòu)抗震措施的衡量指標(biāo)
現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于性能的要求有兩種基本的表達(dá)方式：一種是以損壞程度來(lái)描述，
另一種是以用途的重要性即抗震設(shè)防分類來(lái)描述。建筑結(jié)構(gòu)的損壞程度劃分為不損壞或?qū)僬?
常維修下的損壞、可修復(fù)的破壞和倒塌；抗震設(shè)防類別則分為甲、乙、丙、丁四類。對(duì)某些
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，現(xiàn)行規(guī)范給出了正常維修和倒塌的層間變位角作為定量指標(biāo)。對(duì)于不同的
設(shè)防類別，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定了不同的抗震措施，如乙類建筑的抗震措施要比丙類建筑的有關(guān)規(guī)
定提高一度。按規(guī)范提高抗震措施后，在遭遇到本地區(qū)多遇地震影響時(shí)，由于地震作用不提
高，乙類建筑的損壞程度與丙類建筑基本相同；在遭遇到相當(dāng)于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響
時(shí)，乙類建筑的損壞程度比丙類建筑要輕些；在遭遇到本地區(qū)罕遇地震影響時(shí)，乙類建筑的
抗倒塌能力比丙類建筑要明顯提高。顯然，結(jié)構(gòu)的抗震能力仍然缺明確的數(shù)量上的變化。
借助于現(xiàn)行《抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》所引進(jìn)的“綜合抗震能力”，有可能使不同性能要求的結(jié)
構(gòu)所具有的抗震能力有數(shù)量上的區(qū)別。例如，結(jié)構(gòu)抗力的高低，可用結(jié)構(gòu)樓層的受剪承載力
與設(shè)計(jì)地震剪力的比值，即樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)來(lái)表征；結(jié)構(gòu)變形能力的高低，可用結(jié)構(gòu)所具
有的變形能力與基本變形能力的比值來(lái)表征。從而使不同性能要求所對(duì)應(yīng)的抗震措施得以數(shù)
量化。
如果把按現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)的丙類結(jié)構(gòu)作為符合基本性能要求的結(jié)構(gòu)，即其抗
力和變形能力的組合結(jié)果（所吸收地地震能量）可定義為綜合抗震能力的基本值。對(duì)于性能
（包括變形）要求較高的建筑結(jié)構(gòu)，如乙類建筑，其綜合抗震能力應(yīng)高于基本值；對(duì)于性能
（包括變形）要求較低的建筑結(jié)構(gòu)，如丁類建筑，其綜合抗震能力應(yīng)低于基本值。高、低的
具體取值，可根據(jù)性能要求確定。
在確定綜合抗震能力的兩個(gè)因素中，樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)的定量在現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中
已經(jīng)是現(xiàn)成的，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際截面尺寸和配筋，取材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值接承載力計(jì)算
的有關(guān)公式得到，這里不再重復(fù)。以下重點(diǎn)研究的是變形能力比值的定量化。
三、變形要求與綜合抗震能力的關(guān)系
結(jié)構(gòu)在地震作用下的損壞程度與變形特別是樓層的層間變位角有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如前
面所述，現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)給出某些鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的變形要求，作為正常維修和防止倒塌
的標(biāo)志。因此，對(duì)于采用變形要求作為不同性能指標(biāo)的結(jié)構(gòu)，利用下列資料的分析，即有可
能得出抗震措施的初步定量關(guān)系。
5．對(duì)建筑附屬設(shè)備，可根據(jù)其運(yùn)轉(zhuǎn)的使用要求，分別列出對(duì)變形的分級(jí)。例如，工
業(yè)廠房吊車運(yùn)行對(duì)軌道變形（排架吊車梁標(biāo)高處位移）的要求，電梯導(dǎo)軌和空調(diào)機(jī)組的層間
相對(duì)變形要求，出屋面高大天線的信號(hào)接收、發(fā)射的變形要求等，均有相應(yīng)的分級(jí)方法。
參照上述資料，若以不倒塌的變形值作為變形能力的基本要求，當(dāng)要求結(jié)構(gòu)處于輕微損
壞或不損壞時(shí)，其變形控制值應(yīng)縮小到不倒塌變形值的某一比例值。但是，根據(jù)結(jié)構(gòu)所吸收
地震能量相等的原則，其綜合抗震能力應(yīng)基本保持恒定值。據(jù)此，可獲得縮小結(jié)構(gòu)變形控制
值所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗力提高的比例，即結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)（內(nèi)力）的提高系數(shù)。這是意味著，
在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可利用地震作用效應(yīng)調(diào)整系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的變形性能要求。
四、影響結(jié)構(gòu)延性的構(gòu)造因素分析
對(duì)于有不同構(gòu)造措施的建筑結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)行《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》中，為使結(jié)構(gòu)構(gòu)造對(duì)抗
震能力的影響有相對(duì)定量化的指標(biāo)，引進(jìn)了構(gòu)造的整體影響系數(shù)和局部影響系數(shù)，將抗震構(gòu)
造措施對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)抗震能力的影響分為整體影響和局部影響兩大類。例如，對(duì)砌體結(jié)構(gòu)，以
抗震橫墻間距、房屋高寬比、相鄰層剛度比、墻體之間及墻體與樓板的連接、圈梁和構(gòu)造柱
設(shè)置作為整體影響的構(gòu)造，而以墻體局總尺寸、樓梯間構(gòu)造、出屋面建筑等作為局部影響的
構(gòu)造。對(duì)不同的設(shè)防裂度，抗震構(gòu)造有不同的基本構(gòu)造措施要求，當(dāng)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的構(gòu)造高于基
本要求時(shí)，相應(yīng)的影響系數(shù)大于1.0，當(dāng)?shù)陀诨疽髸r(shí)，相應(yīng)的影響系數(shù)小于1.0。這些系
數(shù)的變化幅度，一般在0.6至1.3的范圍內(nèi)。
按上述思路，考慮到現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的基本抗震構(gòu)造一般可分為高、中和低三個(gè)等級(jí)
，相當(dāng)于將不同的性能要求用不同的等級(jí)來(lái)表示，但對(duì)于不同類型的結(jié)構(gòu)，確定構(gòu)造等級(jí)時(shí)
所考慮的因素不同。參照現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的有關(guān)內(nèi)容和要求，對(duì)于除規(guī)則性要求外的抗震構(gòu)造
，初步劃分如下：
1．砌體結(jié)構(gòu)影響變形能力的構(gòu)造，可將圈梁、構(gòu)造柱設(shè)置數(shù)量、位置、截面尺寸和配
筋的分級(jí)作為重點(diǎn)，而局部墻體尺寸等只考慮其局部影響。例如，多層磚房的構(gòu)造柱設(shè)置數(shù)
量，可將房屋四角和樓梯間四角設(shè)置作為第一等級(jí)，房屋隔開(kāi)間內(nèi)外墻交接處和樓梯間四角
設(shè)置作為第二等級(jí)，房屋每開(kāi)間內(nèi)外墻交接處和樓梯間四角設(shè)置作為第三等級(jí)；不設(shè)置構(gòu)造
柱即與非抗震設(shè)計(jì)相同。當(dāng)然，在同樣設(shè)防烈度和同樣的性能要求下，對(duì)層數(shù)不同的砌體結(jié)
構(gòu)，其基本延性構(gòu)造要求仍不同，如構(gòu)造柱設(shè)置要求隨房屋層數(shù)的增加而提高。現(xiàn)在的問(wèn)題
是，需要通過(guò)具體實(shí)例的計(jì)算分析，研究同一地點(diǎn)同樣的房屋按不同的等級(jí)采取措施后，其
各種措施的構(gòu)造影響系數(shù)如何取值？是否可在某個(gè)范圍內(nèi)（如0.6至1.5的范圍內(nèi)）取值。
2．鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)影響變形能力的構(gòu)造，可將內(nèi)力調(diào)整、柱縱向鋼筋和箍筋體積配箍
率、抗震墻墻體邊緣構(gòu)件的布置和構(gòu)造作為分級(jí)的重點(diǎn)，而短柱、框支層、連梁的構(gòu)造作為
局部的影響。在同樣設(shè)防烈度和同樣的性能要求下，對(duì)層數(shù)不同的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其基本
延性構(gòu)造要求仍需不同。這里，內(nèi)力調(diào)整、縱筋總配筋率和箍筋體積配箍率等均已有現(xiàn)成的
分級(jí)和定量取值，只需研究如何轉(zhuǎn)為相應(yīng)的影響系數(shù)。
3．鋼結(jié)構(gòu)影響變形能力的構(gòu)造，可將內(nèi)力調(diào)整、節(jié)點(diǎn)域構(gòu)造、構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比和支撐設(shè)置
等作為分級(jí)的重點(diǎn)，而構(gòu)件寬厚比作為局部影響。在同樣設(shè)防烈度和同樣的性能要求下，對(duì)
層數(shù)不同的鋼構(gòu)，其基本延性構(gòu)造要求也需不同�，F(xiàn)行高層民用鋼筋結(jié)構(gòu)規(guī)程也有一些現(xiàn)成
的定量取值，同樣需研究將其轉(zhuǎn)化為影響系數(shù)的方法。
總之，為了達(dá)到各類結(jié)構(gòu)延性措施的定量化，需要在震害總結(jié)、理論分析和試驗(yàn)研究的
基礎(chǔ)上，從綜合抗震能力，即結(jié)構(gòu)所吸收的地震能量的角度，提出現(xiàn)行規(guī)范中各種構(gòu)造規(guī)定
的影響系數(shù)，并通過(guò)大量的的試算、比較和分析，予以確認(rèn)�，F(xiàn)階段，還需進(jìn)一步收集資料
并加以整理。
五、整體延性與結(jié)構(gòu)構(gòu)件、部件延性的聯(lián)系
按照建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的要求，結(jié)構(gòu)各部位性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)抗震能力的影響
程度是不同的。評(píng)價(jià)時(shí)必須區(qū)分關(guān)鍵部位和一般部位，需要尋找一套方法，用以建立整個(gè)結(jié)
構(gòu)變形能力與各部位變形能力之間的聯(lián)系。該方法的基本要點(diǎn)可簡(jiǎn)要?dú)w納如下：
1．對(duì)于多層，尤其是高層和超高層建筑，各層的基本要求應(yīng)予以區(qū)別。通常可分為上
、中、下三大部分；對(duì)于豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，其明顯的抗震薄弱層，如框支層、剛性層
、出屋面建筑要有專門的基本要求；對(duì)于平面不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，其地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯的部
位，也要有專門的基本要求。
2．把結(jié)構(gòu)中不同部位的基本要求轉(zhuǎn)化為該部位各個(gè)構(gòu)件延性構(gòu)造的基本要求。最后，
落實(shí)到單個(gè)構(gòu)件的延性構(gòu)造要求并予以分類歸并。
3．當(dāng)然，為了使各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形能力得以充分發(fā)揮，結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間連接的基本要求
是確保連接性能的可靠性。
4．按照結(jié)構(gòu)綜合抗震能力的要求采取抗震措施時(shí)，對(duì)同一結(jié)構(gòu)的不同樓層和不同部位
的構(gòu)件，其構(gòu)造措施的基本要求不同，當(dāng)同一結(jié)構(gòu)不同部位的性能要求有明顯差異時(shí)，也可
有相應(yīng)不同的基本要求。于是，設(shè)計(jì)人員在掌握整個(gè)結(jié)構(gòu)抗震措施的基本原則要求和構(gòu)造基
本抗震措施的基礎(chǔ)上，可以發(fā)揮主觀能動(dòng)性，通過(guò)優(yōu)化方法設(shè)計(jì)出滿足抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的建筑
結(jié)構(gòu)。
5．對(duì)于采用減震耗能體系的建筑結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)阻尼增大使整個(gè)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)減小
，容易實(shí)現(xiàn)高性能（減小損壞程度）的設(shè)計(jì)要求。此時(shí)，除了提高相應(yīng)關(guān)鍵部位的特殊要求
外，其余部位的基本要求與非減震耗能結(jié)構(gòu)相比可相對(duì)降低，只需達(dá)到與結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)減小
后相應(yīng)的構(gòu)造要求。
六、結(jié)束語(yǔ)
本文只是對(duì)結(jié)構(gòu)抗震措施定量化所需考慮的一些問(wèn)題做初步的探索。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的
抗震等級(jí)與變形能力有所聯(lián)系，但仍無(wú)明顯的下量關(guān)系，尤其是沒(méi)有與構(gòu)件的變形能力相聯(lián)
系。此外，一個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)，上部樓層的抗震等級(jí)與下部樓層的抗震等級(jí)相同，顯然有待
進(jìn)一步的細(xì)化。
為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗震措施的定量化并在設(shè)計(jì)中付諸實(shí)施，還有許多基礎(chǔ)性工作需要完成。
這里借助《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》所引人的方法，提出通過(guò)影響系數(shù)予以初步定量的設(shè)想。希
望對(duì)以后的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)有一些幫助及延伸。
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