淺析多層建筑抗震性能化設計及超限應對措施

陳俊 劉及進

1. 重慶市設計院有限公司 重慶 400015；2. 中冶賽迪工程技術股份有限公司 重慶 400013

引言

隨著社會的發展，人民物質生活文明的日益豐富，城鎮化建設不斷加速，大家對建筑的功能的需求越來越高，各類大型綜合體急速涌現。為了能帶來更好的建筑空間體驗感或視覺沖擊感，建筑師往往采用大懸挑、大開洞、樓層錯層等構造手法來提升建筑的實用性，這也使得建筑結構的規則性極可能超出現有規范體系的范圍，讓結構成為特別不規則的超限建筑結構[1]。隨著此類多層特別不規則建筑比例的增加，結構工程師必須理解到規范體系和抗震性能化設計的對象及思路的異同。

1 現有規范的設計思路

現有規范體系采取的是三水準設防目標的性能水準，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”。規則性建筑結構和一般不規則的建筑結構按照現有規范體系進行設計，則可以滿足結構在遭遇到地震動峰值加速度低于本地區設防烈度的峰值加速度時，即地震動峰值加速度超越概率50年63.2%[2]，主體結構構件彈性和二次結構構件無損壞；結構在遭遇到地震動峰值加速度和本地區設防烈度峰值加速度相當地震作用時，即地震動峰值加速度50年超越概率10%，主體結構不發生損壞或耗能區域輕微損壞，二次結構有一定程度的損壞，經過一定的修復，建筑結構可以繼續服役；當結構在遭遇到地震動峰值加速度高于本地區設防烈度峰值加速度時，即地震動峰值加速度50年超越概率在2%～3%，主體結構可能損壞嚴重，但是不能倒塌或發生嚴重損壞，二次結構可能破壞嚴重。

常規規則及一般不規則建筑，通過第一階段設計，建筑結構就能滿足現有規范性能目標，如果是特別不規則的建筑結構，則還需要進行深入進行第二階段彈塑性變形驗算，針對強烈地震時易倒塌的結構、有明顯薄弱點、易形成地震作用下的集中破壞的建筑，應進行結構薄弱部位的彈塑性分析，并采取相應的抗震構造措施，才能保證建筑結構在第三水準的設防要求下可靠。

針對結構體系而言，現有規范體系設計思路是首先從概念上保證結構是規則的或趨于規則的建筑，規范主要通過限制周期比，位移比，層間位移角，樓層平面規則性，樓板完整性，剛度比，主要豎向構件連續性，樓層承載力比等參數來保證概念上結構的規則性，讓建筑本身擁有對抗震有利的結構布置，從而從前端去保證結構在概念和體系上的安全可靠。

而針對結構地震力計算而言，現有規范體系的抗震設計主要包括地震作用計算，地震作用調整，抗震構造措施。1958年，劉恢先[3]首次將反應譜理論應用于我國建筑抗震設計中，之后我國規范慢慢形成了以規范設計反應譜為理論基礎的計算方法。規范設計反應譜是根據大量地震記錄算出對應于每一條地震記錄的反應譜曲線，然后統計求出最有代表性的平均曲線，并繪制相對于重力加速度的單質點絕對最大加速度與體系自振周期之間的關系而形成設計反應譜地震影響系數曲線，地震作用調整則根據設防烈度、結構類型、結構高度等的不同，進行強柱弱梁、強剪弱彎等的地震內力調整；最后根據構件類別和構件本身對延性的需求，在構造上對構件進行軸壓比、配筋率等的限制，保證相應抗震等級的構件具有足夠的抗震延性。

3 抗震性能化設計思路

規范[4]指出不規則的建筑結構應按規定采取加強措施；特別不規則的建筑應進行專門研究和論證，采取特別的加強措施；嚴重不規則的建筑不應采用。規則建筑及一般不規則建筑，通常按照三水準和第一階段或簡化的二階段設計就可以滿足規范的性能目標，而針對特別不規則建筑結構的專門研究，也就是第二階段的彈塑性設計，需要采用抗震性能化思路進行第二階段深入的彈塑性分析計算和加強。除了特別不規則建筑，一些功能特別重要，在災后承擔重要搶險功能的建筑，也可以提出高于基本三水準性能目標的性能水準，進行抗震性能化設計。

抗震性能化設計思路與常規結構抗震設計相比，有著實質性的變化[5]。在性能設計時，所制定的性能目標，不得低于規范要求的三水準設防目標，西方國家早在在二十世紀末期紛紛對抗震結構性能理論的法律法規重新進行了完善[6]。抗震性能設計是解決復雜超限建筑的基本方法，建筑抗震性能化設計需要根據實際工程的具體情況，根據規則性從概念上判定出結構的薄弱部位，或通過小震反應譜分析，初步判定出結構的薄弱部位，確定合理的抗震性能目標，采取多軟件對比、彈塑性時程分析等手段確定加強構造措施，實現最終預設的抗震性能目標。

建筑結構抗震性能分析的重點是深入的從概念設計和有限元軟件分析對工程進行剖析判斷，找出結構在地震作用下可能率先屈服或破壞的薄弱部位，設定性能目標，有針對性地采取提高抗力、提高延性或轉移薄弱部位、增加局部體系超靜定等措施，有針對性的抗震加強并進行數字模擬驗證或結構試驗驗證，再通過分析結果或試驗結果對是否達到性能目標進行驗證。

抗震性能化分析主要按以下思路進行設計：

3.1 判定結構不規則項

通過規范[4]3.4.3及其附錄進行規則性判定，利用結構概念及初步計算指標，判定建筑是否屬于特別不規則的多層建筑，哪些部位存在規范認定的不規則項，哪些部位可能存在地震作用中薄弱部位。

3.2 設定性能目標

據場地條件、抗震設防類別、結構形式，對特別不規則建筑設定性能目標，性能目標的設定可以根據建筑實際情況，對整棟建筑以及薄弱部位分別指定，對普通構件和關鍵構件進行區分。

厭食癥是指排除全身性和消化道器質性疾病，以較長時間的食欲減退或消失、食量減少甚至拒食為表現的病癥，是一種飲食行為異常，多發生于1～6歲兒童，城市發病率高于農村[1]。長期厭食會導致貧血、營養不良、生長發育遲緩，并可造成機體免疫力下降，容易患其他疾病[2]。近年來，小兒厭食癥有增長的趨勢，本文從中西醫角度對本病的病因概述如下。

3.3 制定性能評判標準

結構分析得到結果僅僅是混凝土及鋼筋鋼材的損傷、應變等數據，而建立這些數據與性能目標之間的關系決定了對分析結果的準確性，現階段一些學者也有了相當的研究成果，并應用于一些商用軟件中。

3.4 彈塑性分析

深入進行小震彈性分析，采取靜力分析多模型、多程序的比較計算判定模型合理性，通過地震作用放大，構造措施加強等進行結構小震或中震設計，利用小、中震設計形成帶配筋信息的模型成果，在大震彈塑性分析中進行性能目標驗證，如若大震性能目標沒有完成，則需重新有針對性地設置更高要求的加強措施。

3.5 針對構件、節點分析

模型層面的分析對節點層面而言均是采用的剛性假定，同時對于一些穿層柱，吊層柱等特殊構件，無法做到精準分析，因此對于概念分析中的薄弱構件或節點，還需要針對性進行單構件或單節點的分析，通過針對性專項分析結果，確認加強措施及加強部位。

3.6 形成加強措施成果

通過上訴反復分析論證，形成抗震性能化分析的加強成果，指導施工圖設計及施工。

在抗震性能化設計的步驟中，抗震性能目標的設定是十分關鍵環節，對房屋安全及工程經濟型均極為重要，結構抗震性能設計應分析結構方案的特殊性，選用適宜的結構抗震性能目標[7]，通常需要根據建筑功能，業主需求，抗震設防類別、場地條件、建造成本、震后損失和修復難易程度等因素綜合考慮，性能目標選用時，一般征求業主和有關專家的意見。

4 常見規則性超限項的應對措施

多層建筑結構通常面臨的超限項有平面不規則、樓板不連續、豎向不規則以及承載突變，結構設計時，應該根據項目實際情況，做到對癥下藥，要有針對性分析和針對性加強措施。

4.1 平面不規則

商業綜合體、交通樞紐等大型綜合體，因為建筑功能，場地條件，流線組織等原因，常常會遇到平面不規則項，平面不規則包括結構平面尺寸的凹進和凸出，規定水平地震作用下的扭轉位移比超限等。結構工程師更希望結構抗震單元是規則的平面，這樣更有利于抗震，當然采取增設抗震縫的措施可以有效解決平面不規則項，但是增設抗震縫會導致屋面滲漏以及立面效果打折等建筑負面效果。此時為了保證建筑需求，結構工程師則可能會選擇保留此超限項，而通過提高邊框剛度、增設剛度墻或剛度支撐來減少平面不規則帶來的影響，凹進凸出處的樓板也通過樓板應力分析來找出薄弱部位，并進行針對性加強。

4.2 樓板不連續

樓板不連續是指樓板的尺寸和平面極具變化，如樓板開洞面積占比樓面面積較大或開洞寬度過寬，影響了結構分析時的剛性樓板基本假定，此時樓板無法較均勻地分配地震力給各個結構柱，同時其本身也會出現不同程度的變形，造成局部豎向構件承擔過大地震力而成為薄弱部位。對此應當進行中、大震樓板應力分析，找出樓板薄弱部位，進行樓板厚度加強及配筋加強。同時在結構分析時，應該按實際樓板剛度進行設計，確保抗側力構件分配的地震力和實際更為接近。

4.3 豎向不規則

豎向不規則項包括底部某樓層剛度較明顯地低于上部一層或上部幾層的平均值，或豎向構件局部收進過多，抑或豎向構件不連續而形成轉換。此時極有可能在地震作用下造成局部樓層地震力突然增大，形成薄弱層。對此部分樓層應該首先采取調整布置消除或減小豎向不規則程度，同時有針對性地分析，采取提高承載力如地震作用放大或提高延性，如抗震構造措施加強的措施，保證薄弱層安全。豎向構件不連續處還應計算豎向地震作用，保證轉換構件的安全。

4.4 承載力突變

承載力突變是指抗側力構件結構的層間收剪承載力小于相鄰上一樓層過多，而呈現出承載能力下小上大的不利情況。通常此類不規則項在實際工程中較為容易消除，如鋼筋混凝土構件可以采取在計算配筋的基礎上增設鋼筋的措施，來達到對剛度影響較小的情況下增加某層的受剪承載力。

5 結束語

常規體系的建筑結構按照三水準目標進行設計，如果特別不規則的建筑也按照常規規范體系進行設計，則有可能無法保證結構的安全。現今多層不規則建筑越來越多，針對此類特別不規則的建筑需要判定結構不規則項，設定好性能目標和性能評判標準，深入進行彈塑性分析及節點專項分析，最后提出抗震加強措施，保證結構性能水平不低于規范要求。針對各類不規則項，應該做到對癥下藥，經過針對性分析提出針對性措施。