基于損傷控制的劇院結構設計研究

錢耀華 （上海建筑設計研究院有限公司，上海 200041）

1 引言

隨著我國人民生活水平的提高，文化演藝類建筑近幾年快速發展。該類建筑具有人員密集、建筑功能復雜、投資造價高等特點，針對上述特點按照建筑抗震設計規范要求的“三水準、兩階段”的常規抗震設計方法無法完全滿足業主對于該類建筑結構的性能要求[1-2]。近年來國內外學者對于建筑結構損傷控制進行了較多研究[3]，為了提高劇院結構的抗震性能，本文嘗試從結構損傷控制角度出發，提出劇院結構設計方法，并通過大震彈塑性分析驗證結構抗震性能，以期為劇院結構設計提供一些參考和建議。

2 劇院結構設計概況

劇院建筑結構具有平面開洞大、有效樓板寬度小、錯層、豎向構件躍層轉換等多重不規則性，該類結構體系多采用框架剪力墻結構，框架剪力墻結構以剪力墻作為主要抗側力構件并承擔部分重力荷載，框架以承擔豎向重力荷載為主并兼做第二道抗震防線。劇院建筑剪力墻多設置在樓、電梯間及舞臺周邊，以下圖上海某劇場結構為例[4]，看臺樓梯間處剪力墻不但支撐著樓梯構件，還作為整個看臺懸挑結構的支撐結構，重要性尤為突出。根據以往工程案例分析結果顯示，框架剪力墻結構在罕遇地震作用下剪力墻多發生較大損傷，為了確保劇院建筑在大震乃至超大震作用下達到“保障生命安全”和“減小經濟損失”的抗震性能目標，可以采取損傷控制方法進行劇院結構設計。

圖1 某劇院二層結構布置圖

3 基于損傷控制的結構設計方法

損傷控制設計的基本想法是設置“損傷界限狀態”，損傷界限狀態應充分考慮建筑的社會性與經濟性。根據損傷界限狀態可以合理評價地震作用下的建筑結構在保護人身及財產安全方面的表現。在損傷控制設計中，可以在設計時通過考察建筑結構的可靠性和地震發生概率來估計建筑損傷可能造成的損失。業主可根據預期損失采取相應措施保障建筑的資產安全。

下面從風險管理的角度探討損傷控制設計的基本思路。通常手段是“風險控制”，即在損傷發生前對可能造成損傷的原因和可能發生損傷的部位采取有效的控制手段，以最大限度地降低風險。風險管理應以風險評估為基礎，結合劇院建筑自身特點，根據風險發生的概率和人員密度情況，可按下圖選擇合適的風險管理方法。風險管理方法包括規避風險、降低風險。

圖2 應對風險的方法選擇

首先是建筑物整體損傷風險控制，對于人員密集的建筑，應降低發生整體損傷風險。可通過提高小、大震作用下結構變形限值，加強結構整體抗震性能，降低整體風險。其次對于人員密集或重要功能區域的支撐結構進行損傷風險控制，例如劇院看臺、疏散樓梯通道等區域，通過提高重要區域的支撐結構的抗震性能目標或通過“犧牲”部分非重要結構構件來保全重要區域的支撐結構，降低重要區域損傷風險。

圖3 基于損傷控制結構設計流程

綜上，可將基于損傷控制結構設計分為損傷風險分析、設定性能目標、結構布置、計算分析滿足規范要求、大震彈塑性分析性能驗證、構造設計步驟。具體設計流程如圖3所示。

4 劇場損傷風險分析與抗震性能目標

劇院損傷風險分析分為整體分析分析與局部風險分析。整體風險分析是根據劇院規模座位個數判定是否屬于抗震重點設防類別，對于重點設防類的劇院建筑風險損失會高于普通設防類，因此需提高結構抗震性能。局部風險分析是對劇院中人員密集的功能區域進行判定，如看臺、疏散樓梯、逃生通道等，這些區域發生損傷破壞的風險損失會高于其他區域，因此需要避免或降低這些區域發生損傷破壞風險。

根據風險分析結果設定相應的抗震性能目標。對于屬于抗震重點設防類別的劇院，建議適當提高位移角限值，例如小震作用下框架剪力墻結構位移角限值由1/800提高至1/1000，大震用下結構位移角限值由1/100提高至1/120，通過提高整體指標要求，可以提高結構的抗震承載力與結構延性。其次對于重點區域的支撐結構構件根據結構性能化設計要求確定合理的性能目標，表1所示為某劇院構件的性能設計目標。

某劇院構件的性能設計目標 表1

5 劇院結構布置方法

結合劇院建筑結構的特點，結構體系建議采用框架剪力墻結構。其中框架部分主要用于承擔劇院重力荷載，建議在不考慮剪力墻的情況下，重力框架體系成立。剪力墻結合樓、電梯間、舞臺及看臺周邊進行對稱、均勻布置。剪力墻布置時可采用“長墻”與“短墻”結合的方式，設計理念是由于長墻剛度大，吸收的地震能量大，將率先發生損傷破壞，待長墻發生較大破壞，剛度明顯退化后，短墻才發生損傷破壞，也就是通過長墻的“犧牲”換取短墻的“存活”。設計過程中為了防止剪力墻“各個擊破”問題，可先按“短墻”進行剪力墻基本布置并達到設計規范要求，然后選擇幾處非重要區域的剪力墻進行加長，長度不宜超過8m。如圖1所示，首先進行框架布置，使得重力框架體系成立，其中重點是看臺懸挑框架及屋面大跨框架的設計。其次采用高寬比大于5的剪力墻以對稱、均勻、周邊等原則進行布置，最后選擇管道井周邊4片剪力墻進行加長以用于地震作用下的損傷耗能。

通過案例分析發現大震作用下墻肢破壞順序與墻肢剪壓比有較強的相關性。表2所示為圖1中剪力墻大震作用下墻肢的剪壓比。其中剪壓比最大的W6、W7在大震作用下損傷最為嚴重，其次是W11、W12也發生了一定的損傷，剪力墻大震作用下受壓損傷情況如下圖所示。因此在剪力墻結構布置時，可借助剪壓比作為墻肢破壞順序的初步依據。

大震作用下墻肢的剪壓比 表2

圖4 剪力墻受壓損傷情況

6 大震彈塑性分析要點

大震彈塑性分析是損傷控制設計的重要步驟，通過分析結果對結構的抗震性能進行驗證，重點分析結構宏觀指標及構件損傷情況。分析時應注意以下要點。

①結構彈塑性模型構建建議采用ABAQUS或SAUSAGE軟件，由于劇院具有大開洞、錯層、斜板等平面不規則形，ABAQUS或SAUSAGE軟件可以采用彈塑性分層殼單元來模擬樓板，能夠較準確的模擬真實結構。

②地震波宜采用5組天然波與2組人工波，對結構進行三向地震時程分析，水平主向、水平次向和豎向地震波幅值按1∶0.85∶0.65定義，水平主向地震峰值加速度為220gal。

③為保證非線性結構模型能正確反映結構特性，在進行非線性分析之前，應對比ABAQUS結構模型或SAUSAGE結構模型與SATWE結構模型的基本周期和振型，確保計算模型的一致性。

④結構阻尼采用瑞雷阻尼來模擬。為確保阻尼取值的合理性，可通過采用等效阻尼比對模型進行彈性計算得到的結構基底剪力與彈塑性模型進行對比，誤差不大時可認為阻尼取值基本合理。

7 結論

①劇院建筑結構具有平面開洞大、有效樓板寬度小、錯層、豎向構件躍層轉換等多重不規則性，該類結構體系建議采用框架剪力墻結構。

②基于損傷控制的劇院結構設計分為損傷風險分析、設定性能目標、結構布置、計算分析滿足規范要求、大震彈塑性分析性能驗證、構造設計步驟。

③劇院損傷風險分析分為整體分析分析與局部風險分析，相對應的判別指標分別是劇院規模和區域人流密度。根據風險分析結果設定相應的抗震性能目標，對于重點設防類別的劇院，建議適當提高位移角限值，對于重要區域的支撐結構構件根據結構性能化設計要求確定合理的性能目標。

④劇院結構中框架部分主要用于承擔劇院重力荷載，剪力墻布置宜采用高寬比大于5的剪力墻以對稱、均勻、周邊原則進行布置，選擇非重點區域幾片剪力墻進行加長以用于地震作用下的損傷耗能，通過長墻的“犧牲”換取短墻的“存活”。設計時應注重剪力墻的破壞順序與特征，可通過墻肢剪壓比對破壞順序進行初步判斷。

⑤大震彈塑性分析是損傷控制設計的重要步驟，通過分析結果對結構的抗震性能進行驗證，判斷設計的合理性。分析時應注意彈塑性分析軟件的選取、地震波的選擇、模型一致性校核及阻尼合理取值。