劉 派,史慶軒,孫 沖

(1.西安建筑科技大學(xué),陜西西安710055;2.信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司,陜西西安710065)

0 引 言

2008年汶川“5.12”大地震是我國建國以來、繼1976年唐山大地震后發(fā)生的又一次特大毀滅性地震,其中約有50萬間房屋倒塌,造成了重大人員傷亡和數(shù)千億元的經(jīng)濟(jì)損失。更令人觸目驚心的是,中小學(xué)建筑竟成為倒塌最多的公共建筑。地震共造成了7 000間校舍倒塌,學(xué)生的死亡人數(shù)占總死亡人數(shù)的7%。中小學(xué)建筑的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用特點(diǎn)突出,且量大面廣,在社會(huì)生活中具有重要意義,很有必要將其作為一種特殊的建筑形式加以重視。國內(nèi)外眾多震例表明,采用科學(xué)合理的工程抗震設(shè)防措施是減輕地震災(zāi)害的有效途徑。工程抗震設(shè)防是否有效取決于所選擇的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),確定我國中小學(xué)建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)及不同性能水平的變形容許值是實(shí)現(xiàn)其有效抗震設(shè)防的前提和關(guān)鍵。

1 我國中小學(xué)建筑結(jié)構(gòu)的地震作用水平和抗震設(shè)防目標(biāo)

1.1 我國抗震規(guī)范的地震作用水平和4個(gè)地震作用水平的提出

我國自《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ11-89)起,便開始采用三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo),即“小震不壞、中震可修、大震不倒”中的“小震”、“中震”、“大震”三個(gè)水準(zhǔn),對(duì)“小震”、“中震”、“大震”的定義較為困難,目前的規(guī)定與國際上的通行做法大致相同,即小震為多遇地震,50 a超越概率為63.2%,重現(xiàn)期50 a;中震為基本地震,50 a超越概率為10%,重現(xiàn)期475 a;大震為罕遇地震,50 a超越概率為 2%～3%,重現(xiàn)期為1 642 a～2 475 a,其中基本地震是抗震設(shè)防的依據(jù),現(xiàn)行規(guī)范小震和大震的地震動(dòng)參數(shù)都以“中震”烈度為基準(zhǔn)取值,基本烈度取“Ⅰ”時(shí),人為約定“小震”為Ⅰ-1.55度,“大震”為Ⅰ +1度。這種取值主要是為了工程設(shè)計(jì)上的方便,嚴(yán)格來說三個(gè)水準(zhǔn)中只有“中震”在全國具有統(tǒng)一的可靠度。

上述設(shè)防水準(zhǔn)已經(jīng)在我國實(shí)行了20 a,為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展做出了很大貢獻(xiàn),也得到了廣大工程技術(shù)人員的普遍認(rèn)可。但分析我國抗震規(guī)范中的地震水平可以發(fā)現(xiàn),從小震到大震,50 a得超越概率相差較大,為了滿足結(jié)構(gòu)在地震作用下具有不同的抗震性能,筆者建議在小震和中震之間增加一個(gè)地震作用水平——中小震。1996年美國聯(lián)邦緊急事務(wù)管理署的建議書FEMA273、274曾提出4個(gè)地震作用水平,重現(xiàn)期分別為43 a、72 a、475 a和970 a。考慮到各國地震背景不同和目前我國的經(jīng)濟(jì)水平,本文認(rèn)為中小震的重現(xiàn)期可設(shè)定為110 a,其超越概率PT可由公式(1)計(jì)算[1]:

式中:PT為T年內(nèi)烈度超過某給定烈度的超越概率,T為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期,RP為重現(xiàn)期,取RP為110 a,則中小震的超越概率PT約為37%。結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范得到4個(gè)地震水平,見表1。

表1 4個(gè)地震作用水平

1.2 補(bǔ)充“中震可修”性能水準(zhǔn)后的四水準(zhǔn)設(shè)防

結(jié)構(gòu)的抗震性能水平是指建筑物在某一特定地震作用水平下預(yù)期達(dá)到的最大破壞程度,包括結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。

由我國三水準(zhǔn)、兩階段的設(shè)計(jì)過程來看,我國規(guī)范只給出了小震下的彈性變形限值和大震下的彈塑性變形限值,這保證了小震作用下結(jié)構(gòu)的完好,以及大震作用下的人身安全。但對(duì)于“中震可修”,我國規(guī)范只給出了定性的描述,即當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時(shí),可能損壞,經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用。這樣的描述在實(shí)際設(shè)計(jì)中很難得到體現(xiàn),于是造成了按照現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在“中震”作用下的性能很不明確,不能實(shí)現(xiàn)“中震可修”這個(gè)性能水準(zhǔn)的情況。由于我國地震烈度區(qū)域規(guī)劃是根據(jù)常遇地震進(jìn)行劃分的,所以在設(shè)防烈度下各地區(qū)才能具有統(tǒng)一的概率保證[2],故明確“中震”下的性能水準(zhǔn)具有重要意義。

“可修”指結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性工作階段,但此時(shí)非彈性變形對(duì)于結(jié)構(gòu)體系的損害控制在可修復(fù)的范圍內(nèi)。僅從結(jié)構(gòu)修復(fù)的可能性考慮,只要結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生倒塌,結(jié)構(gòu)就可能被修復(fù)。

想得到一個(gè)“中震可修”的明確限值,不能僅從結(jié)構(gòu)安全角度考慮,社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益也是一個(gè)決定因素。單從結(jié)構(gòu)安全角度講,“中震不壞”甚至“大震不壞”對(duì)社會(huì)來講更有利,但“中震”和“大震”出現(xiàn)概率較小,大部分時(shí)間內(nèi)建筑物抵抗的是“小震”,如果過于保守的考慮安全,則會(huì)造成建設(shè)投資的極大浪費(fèi)。從經(jīng)濟(jì)角度分析,當(dāng)結(jié)構(gòu)剛開始進(jìn)入非彈性工作階段時(shí),可認(rèn)為此時(shí)非彈性變形對(duì)結(jié)構(gòu)體系的損害較小,其修復(fù)費(fèi)用在經(jīng)濟(jì)上也完全可以接受。隨著地震作用繼續(xù)結(jié)構(gòu)非彈性變形程度不斷加深,此時(shí)認(rèn)為結(jié)構(gòu)損傷較剛進(jìn)入非彈性工作階段有所發(fā)展,但結(jié)構(gòu)依然可以通過修復(fù)而完全恢復(fù)到原有的性能水平上,并且此時(shí)的修復(fù)費(fèi)用在經(jīng)濟(jì)上也是可接受的。當(dāng)損傷繼續(xù)發(fā)展,雖未使結(jié)構(gòu)整體完全進(jìn)入到彈塑性階段,從理論上講結(jié)構(gòu)依然可以通過修復(fù)達(dá)到原有的性能水平,但維修費(fèi)用已經(jīng)達(dá)到了重建費(fèi)用的一定比例,而這種比例是經(jīng)濟(jì)上不能接受的,人們寧可選擇重建。

在基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論得到普遍認(rèn)可和大力發(fā)展的今天,建筑物的震后修復(fù)和加固技術(shù)愈發(fā)成熟,這為實(shí)現(xiàn)基于性能的抗震設(shè)計(jì)提供了可行性依據(jù)。為了便于地震后結(jié)構(gòu)的修復(fù)和加固的實(shí)施,有必要將結(jié)構(gòu)中震作用下的性能水平進(jìn)一步細(xì)化,劃分經(jīng)濟(jì)效益和結(jié)構(gòu)安全雙重標(biāo)準(zhǔn)下的“可修”狀態(tài),即輕微損壞和中等破壞兩個(gè)性能水平。因此,本文將結(jié)構(gòu)的性能水平劃分為四檔。見表2。

表2 補(bǔ)充“中震可修”性能水準(zhǔn)后的三水準(zhǔn)設(shè)防

1.3 我國中小學(xué)建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

中小學(xué)建筑在地震作用下普遍受害嚴(yán)重,故可以認(rèn)為其屬于抗震性能較為不利的一類結(jié)構(gòu)形式。從它的社會(huì)意義角度考慮,學(xué)校建筑的主要使用者是社會(huì)中的弱勢群體,即兒童和青少年,使用中人員相對(duì)密集不易疏散;另外,學(xué)校建筑的大空間大開洞正好可以為地震后無家可歸的人群提供一個(gè)容納量大且通風(fēng)良好的生存環(huán)境,學(xué)校配置的食堂、廁所等服務(wù)設(shè)施可以滿足避難人群的基本生活需求;停車場、操場都為抗震救災(zāi)提供了必要的室外開闊空間。所以中小學(xué)校滿足作為災(zāi)后重建長期避難場所應(yīng)具備的多個(gè)客觀條件。由此可見,中小學(xué)建筑一旦在地震中遭到嚴(yán)重破壞甚至倒塌,勢必給中小學(xué)生和普通民眾的震中避險(xiǎn)和震后救援造成極大的傷害和損失。在新出臺(tái)的《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB50223—2008)[3]中將建筑物的抗震設(shè)防類別劃分為特殊、重點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)、適度設(shè)防四類,并規(guī)定“幼兒園、小學(xué)、中學(xué)的教學(xué)用房以及學(xué)生宿舍和食堂,抗震設(shè)防類別應(yīng)不低于重點(diǎn)設(shè)防類”?？蓪⒅行W(xué)混凝土框架結(jié)構(gòu)4個(gè)性能水準(zhǔn)下的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的宏觀描述列入下表。見表3。

表3 中小學(xué)RC框架結(jié)構(gòu)各性能水平及宏觀描述

2 中小學(xué)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的量化

目前,國內(nèi)外完成了大量的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的抗震性能實(shí)驗(yàn),可以參考現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料,統(tǒng)計(jì)分析出中小學(xué)混凝土結(jié)構(gòu)4個(gè)性能水平的量化指標(biāo)。

2.1 結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的選用

通過分析結(jié)構(gòu)變形與損傷的關(guān)系可知,建筑結(jié)構(gòu)的行為水準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系比其與受力的關(guān)系更加密切。在地震作用下,結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以在相對(duì)較小的位移下就發(fā)生以混凝土開裂和鋼筋屈服為表現(xiàn)的損傷,整個(gè)結(jié)構(gòu)的損傷可以認(rèn)為是由彎曲塑性鉸而引起的,損傷的范圍取決于塑性鉸變形的大小,而塑性鉸的變形恰恰與位移相關(guān)。由此可見,使用與位移相關(guān)的量來判斷結(jié)構(gòu)的損傷和抗震性能水平是一種較為合適的做法。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的層間位移角是樓層梁、柱、節(jié)點(diǎn)彈塑性變形的綜合結(jié)果,影響它的因素如梁柱相對(duì)強(qiáng)弱關(guān)系、軸壓比、剪跨比、配筋率等同時(shí)也是影響結(jié)構(gòu)和構(gòu)件延性的因素,所以可以通過層間位移角了解結(jié)構(gòu)的層間位移延性、結(jié)構(gòu)位移延性等性能?？紤]到我國在《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)[4]中就開始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),為了保持對(duì)我國規(guī)范的繼承性,本文亦采用層間位移角作為量化指標(biāo)。

2.2 中小學(xué)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的層間位移角限值

本文認(rèn)為,延續(xù)使用我國抗震規(guī)范中的1/550和1/50作為中小學(xué)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)“小震”下的彈性層間位移角限值和“大震”下的彈塑性層間位移角限值是合理的,這里主要對(duì)“暫時(shí)使用”和“修復(fù)后使用”兩個(gè)性能水平下層間位移角限值進(jìn)行討論。

2.2.1 “暫時(shí)使用”性能水平的層間位移角限值

處于暫時(shí)使用性能水平下,整個(gè)建筑中非結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生一定程度的損傷,但這種損傷不能影響主體結(jié)構(gòu)和室內(nèi)物品的基本使用。同時(shí)部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件也發(fā)生輕微損傷,如梁柱開裂等,但此時(shí)沒有構(gòu)件發(fā)生屈服,框架仍認(rèn)為處于帶裂縫的近似彈性工作狀態(tài),其發(fā)生的破壞完全可以修復(fù),并且這種修復(fù)在時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上都是可以接受的。

目前國內(nèi)外對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用下暫時(shí)使用狀態(tài)的變形試驗(yàn)研究較少。在框架結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件中,柱子承受著彎剪壓復(fù)合作用,其變形能力較另一種主要構(gòu)件梁來講更差,可以認(rèn)為,柱的彈塑性變形能力實(shí)際上決定了框架結(jié)構(gòu)抗震性能的好壞。文獻(xiàn)[5]中通過對(duì)大量填充墻框架進(jìn)行試驗(yàn)研究統(tǒng)計(jì)分析得出,柱子初裂時(shí)的層間位移角:開洞填充墻框架為1/395,無開洞填充墻框架為1/704;文獻(xiàn)[6]中對(duì)軸壓比范圍為0.433～0.557的12根鋼筋混凝土柱的抗震性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),對(duì)應(yīng)柱子開裂時(shí)的層間位移角范圍為1/437～1/210;文獻(xiàn)[7]參照有關(guān)填充墻的框架試驗(yàn)結(jié)果得出,框架柱發(fā)生初裂的平均位移角為1/400。建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程和建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)暫時(shí)使用狀態(tài)進(jìn)行修復(fù)的層間位移角限值取1/400?？梢?我國的加固規(guī)程和鑒定標(biāo)準(zhǔn)中采用了現(xiàn)有相關(guān)研究和試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考值中的上限。對(duì)于中小學(xué)RC框架結(jié)構(gòu)暫時(shí)使用性能水平層間位移角的取值,首先考慮框架結(jié)構(gòu)的層間位移是梁、柱、節(jié)點(diǎn)等構(gòu)件變形的綜合結(jié)果,因此結(jié)構(gòu)的層間位移角的限值要大于柱端位移角限值;其次中小學(xué)建筑結(jié)構(gòu)本身具有的大開間,大開洞,墻片面積小且間隔較大等特點(diǎn)決定了其整體結(jié)構(gòu)剛度小,并根據(jù)《城市普通中小學(xué)校校舍建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定,中學(xué)建筑層高要求不小于3.8 m,小學(xué)建筑層高要求不小于3.6 m[8],故中小學(xué)框架較一般框架結(jié)構(gòu)層高更大,更突顯了其柔性結(jié)構(gòu)體系剪切變形的特征,故本文建議暫時(shí)使用性能水平下中小學(xué)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的層間位移角限值采用較我國相關(guān)規(guī)定略大的1/380。

2.2.2 “修復(fù)后使用”性能水平的層間位移角限值

處于修復(fù)后使用性能水平下的建筑物,可認(rèn)為已經(jīng)正式進(jìn)入彈塑性工作階段,非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞較為嚴(yán)重,結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面破壞明顯,構(gòu)件中某些縱筋達(dá)到屈服。此時(shí)結(jié)構(gòu)只有經(jīng)過修復(fù)才能保證其功能上的連續(xù)性。雖然修復(fù)成本較暫時(shí)使用性能水平時(shí)有所提高,但在經(jīng)濟(jì)上和時(shí)間上依然是可以接受的。此性能階段的位移限值可通過損傷判斷構(gòu)件的應(yīng)力水平進(jìn)行控制。

文獻(xiàn)[9]認(rèn)為,在RC框架結(jié)構(gòu)中,當(dāng)墻面裂縫連通時(shí),填充墻框架梁柱的某些界面可能已經(jīng)達(dá)到屈服;文獻(xiàn)[10]認(rèn)為對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)修復(fù)后使用的層間位移角應(yīng)接近結(jié)構(gòu)或構(gòu)件發(fā)生屈服時(shí)的層間位移角;文獻(xiàn)[5]通過試驗(yàn)研究統(tǒng)計(jì)得出鋼筋混凝土框架填充墻貫通時(shí)的層間位移角均值為1/373～1/232;文獻(xiàn)[11]中搜集了我國鋼筋混凝土柱試驗(yàn),鋼筋混凝土框架試驗(yàn)共147個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到屈服層間位移角限值為1/350～1/150,其中1/270～1/220的保證率為77.2%～85.4%。并將PEER的68根矩形截面鋼筋混凝土柱試驗(yàn)資料補(bǔ)充進(jìn)國內(nèi)數(shù)據(jù)一起進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到的屈服層間位移角限值與國內(nèi)結(jié)果相差不大,當(dāng)層間位移角限值為 1/270～1/220時(shí),保證率為 75.7%～ 85.4%;文獻(xiàn)[12]認(rèn)為結(jié)構(gòu)在最高荷載點(diǎn)附近,剛度會(huì)發(fā)生驟退,此時(shí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)處于不可修的狀態(tài),故可將最高荷載點(diǎn)時(shí)的層間位移角限值作為可修狀態(tài)的參考點(diǎn)值,并同時(shí)選用國內(nèi)15榀框架擬靜力試驗(yàn)得到的26組層間位移角實(shí)測數(shù)據(jù)和國內(nèi)外126個(gè)框架柱的抗震試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到,框架最高荷載點(diǎn)層間位移角的范圍為1/110～1/40,框架柱最高荷載點(diǎn)位移角的變化范圍是1/271～1/40;文獻(xiàn)[13]在分析了結(jié)構(gòu)層間位移與結(jié)構(gòu)損傷以及剛度退化之間的關(guān)系后確定以結(jié)構(gòu)剛度退化率為50%時(shí)的層間位移角1/150作為中震可修的標(biāo)準(zhǔn)。

考慮框架結(jié)構(gòu)的層間位移變形時(shí)由框架梁的彎曲和剪切變形,框架柱的彎曲和剪切變形以及節(jié)點(diǎn)的剪切變形等幾部分組成,所以框架結(jié)構(gòu)的層間位移角往往要大于柱端位移角。另外當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度在最高荷載點(diǎn)發(fā)生驟退時(shí),結(jié)構(gòu)理論上可以修復(fù)到原有性能水平,但修復(fù)費(fèi)用已經(jīng)達(dá)到了重建費(fèi)用的一定比例,這種比例是經(jīng)濟(jì)上無法接受的,人們寧可選擇重建。所以應(yīng)取距最高荷載點(diǎn)尚有一段距離的狀態(tài)點(diǎn)作為取值參考點(diǎn)。

值得注意的是,確定修復(fù)后使用這一性能水平下的層間位移角限值不僅要考慮結(jié)構(gòu)本身的性能表現(xiàn),更要考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等其他因素。中小學(xué)建筑作為一種量大面廣的公共建筑,維護(hù)其在地震后使用功能的完整性和連續(xù)性已經(jīng)不僅關(guān)系到中小學(xué)生及教師員工的切身安全和利益,更關(guān)乎許多受災(zāi)民眾的震后避難問題。綜合以上諸多因素,本文認(rèn)為對(duì)于我國的一般鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),其修復(fù)后使用性能水平的層間位移角限值可取1/200,但對(duì)于中小學(xué)建筑結(jié)構(gòu),可將這一限值調(diào)整到1/220這樣一個(gè)相對(duì)更高的水平上,在條件允許的情況下,盡量對(duì)其進(jìn)行加固修復(fù),使其使用功能得到最大發(fā)揮,安全可靠度得到有效保障。

3 結(jié) 語

本文針對(duì)我國現(xiàn)行抗震規(guī)范“中震可修”水準(zhǔn)上沒有給出具體量化指標(biāo)的現(xiàn)狀,進(jìn)一步細(xì)化了中小學(xué)建筑結(jié)構(gòu)在中震下的性能目標(biāo)。在分析國內(nèi)外鋼筋混凝土柱、框架試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,對(duì)中小學(xué)建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下處于暫時(shí)使用和修復(fù)后使用的性能水平下的指標(biāo)進(jìn)行了量化,得到中小學(xué)混凝土框架結(jié)構(gòu)在正常使用、暫時(shí)使用、修復(fù)后使用和生命安全時(shí)的層間位移角限值分別為1/550、1/380、1/220、1/50。

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