非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)和分析方法探討

朱海華

1 概述

目前,世界各國(guó)的傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)理論大多數(shù)采用多級(jí)設(shè)計(jì)思想,結(jié)構(gòu)在遇到破壞性地震時(shí),允許出現(xiàn)一定的破壞,但主體不能倒塌。如我國(guó)采用的“小震不壞,中震可修,大震不倒”設(shè)計(jì)思想,確保生命安全。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及社會(huì)化程度的提高,人們投資于非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的費(fèi)用逐漸提高并占有較大的比例,這些非結(jié)構(gòu)部分的破壞直接影響著結(jié)構(gòu)物的安全性和使用功能,會(huì)造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失以及運(yùn)營(yíng)中斷等間接性的經(jīng)濟(jì)損失。這些附加的損失加重甚至顯著超過了結(jié)構(gòu)損失,給社會(huì)以及業(yè)主造成沉重的負(fù)擔(dān)。基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)理論認(rèn)為非結(jié)構(gòu)體系也是結(jié)構(gòu)的一部分,其抗震性能也應(yīng)滿足性能目標(biāo)水準(zhǔn)的要求,體現(xiàn)在設(shè)計(jì)中就是非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能在結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

2 抗震性能目標(biāo)

非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)時(shí),其抗震設(shè)防目標(biāo)與主體結(jié)構(gòu)體系不完全相同,但與三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)相協(xié)調(diào):容許非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞程度略大于主體結(jié)構(gòu),但不得危及生命安全。

非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)防分類,各國(guó)的抗震規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)有不同的規(guī)定。參照國(guó)際上的規(guī)定,我國(guó)新規(guī)范采用不同的計(jì)算系數(shù)和抗震措施來表征,把非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)防目標(biāo)大致分為高、中、低3個(gè)層次[1]。我國(guó)建設(shè)部(90)建抗字第377號(hào)文《建筑地震破壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定如表1所示。

表1 建筑地震破壞等級(jí)劃分表

非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下的損壞程度與變形特別是樓層的層間位移角有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,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),可能得出抗震措施的初步定量關(guān)系。我國(guó)建筑幕墻設(shè)計(jì)規(guī)范中,對(duì)于玻璃幕墻平面內(nèi)變形的性能也有具體的要求。但是更多的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能標(biāo)準(zhǔn)還只停留在定性的描述上。然而對(duì)于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,除了要有定性的損傷描述,更重要的是量化性能水準(zhǔn)。文獻(xiàn)[5]通過統(tǒng)計(jì)認(rèn)為,當(dāng)層間側(cè)移角達(dá)到1/1 000時(shí),非結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能遭受損傷,這對(duì)確定彈性階段層間位移角作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能標(biāo)準(zhǔn)有一定的參考價(jià)值。采用層間位移角作為結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的評(píng)價(jià)指標(biāo),可以與我國(guó)新頒布的GB 50011-2001建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范相聯(lián)系。規(guī)范規(guī)定了各類結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角和彈塑性層間位移角,因此,采用層間位移角作為結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)可以建立在新規(guī)范的限值之上,不需要作很大的轉(zhuǎn)換與計(jì)算,使用方便。

3 抗震性能分析方法

3.1 基于位移的分析方法

基于位移法是在抗震設(shè)計(jì)時(shí)定量分析[2],使構(gòu)件的塑形變形能力滿足預(yù)期的地震作用下的變形要求,與傳統(tǒng)的基于承載力或強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法相比,這種方法首先確定非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的目標(biāo)位移,再根據(jù)目標(biāo)位移進(jìn)行數(shù)值迭代反求構(gòu)件的屈服位移,反復(fù)迭代直到滿足給定的精度。

3.2 能量分析方法

能量分析法是介于傳統(tǒng)方法和基于位移方法之間的一種方法,基本思想是在非延性破壞模式和設(shè)計(jì)破壞模式之間確保合適的強(qiáng)度界限。也就是說,對(duì)構(gòu)件在較大地震作用時(shí)產(chǎn)生的塑形變形能量耗散,通過控制其耗能能力來達(dá)到控制整個(gè)構(gòu)件的抗震性能的目的。

3.3 簡(jiǎn)化方法

對(duì)于和結(jié)構(gòu)單點(diǎn)或兩點(diǎn)連接的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,可按如下簡(jiǎn)化方法進(jìn)行抗震驗(yàn)算:

其中,Fpj為沿最不利方向作用于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的j層重心的水平地震力標(biāo)準(zhǔn)值;Wpj為j層非結(jié)構(gòu)構(gòu)件重量;lj為連接點(diǎn)到構(gòu)件重心的距離;Vp為構(gòu)件所在樓層剪力;I為重要性系數(shù);C為設(shè)計(jì)譜加速度;Wp為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件總重;Cp為放大系數(shù)。

對(duì)于和兩個(gè)或兩個(gè)以上樓面連接的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,我們可以把它分割成多個(gè)和單個(gè)或兩個(gè)樓面連接的子系統(tǒng)來分析。如圖1所示,非結(jié)構(gòu)構(gòu)件分別與3層,4層和5層樓面相連,可以把它考慮成兩個(gè)子構(gòu)件,一個(gè)和3層,4層連接;另一個(gè)和4層,5層連接,再逐個(gè)進(jìn)行分析。

4 結(jié)語

對(duì)于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,人們對(duì)此研究一直遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于對(duì)結(jié)構(gòu)的研究。一方面,是由于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的種類繁多,力學(xué)模型難以建立,更難以建立一個(gè)系統(tǒng)的、量化的、與性能水準(zhǔn)相一致的損傷標(biāo)準(zhǔn);另一方面,它與結(jié)構(gòu)的關(guān)系是相互的,且對(duì)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)較敏感。因此,完善對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震反應(yīng)分析并建立一套與結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)相協(xié)調(diào)的性能標(biāo)準(zhǔn)將是在未來的地震中降低非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損失和實(shí)現(xiàn)基于建筑物性能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

[1] GB 50011-2001,建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范[S].

[2] 謝曉健,蔣永生,梁書亭.基于結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)理論的發(fā)展綜述[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2000(3):52-53.

[3] 楊 強(qiáng).房屋非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].煤炭工程,2003(8):18-19.

[4] 秦 權(quán),李 瑛.非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和設(shè)備的抗震設(shè)計(jì)樓面譜[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1997(12):88-89.

[5] School RE.Brace Dampers:An Alternative Structural System for Improveing Earthquake Performance of Buildings[J].San Francisco,2001,5(1):84.