謝沐玄 潘晴煒 李 軒 盧文勝，*

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院，上海200092）

0 引 言

歷史建筑在長期使用過程中，受自然、人為等因素的影響，會產(chǎn)生材料和結(jié)構(gòu)上的不同程度的損傷，即建筑的時隨劣化［1］。這種損傷的積累會造成材料、構(gòu)件乃至結(jié)構(gòu)整體的性能降低，降低結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性，從而嚴(yán)重影響建筑結(jié)構(gòu)的正常使用功能。此外，由于新規(guī)范的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及要求提升，許多歷史建筑難以滿足現(xiàn)行規(guī)范抗震要求，故需對其抗震性能進(jìn)行適度提升。

在歷次的地震中，歷史建筑損傷及震害均較為嚴(yán)重，尤其是具有人文藝術(shù)價值的文物部件的損傷［2-3］，往往造成無法彌補的損失。

2008 年汶川地震中，都江堰標(biāo)志性古建筑“二王廟”損毀嚴(yán)重，多處墻壁倒塌（圖1）；2015年尼泊爾地震中，加德滿都杜巴廣場瑪珠廟等多處世界文化遺產(chǎn)建筑倒塌（圖2），造成歷史建筑文化藝術(shù)價值的喪失。

圖1 都江堰二王廟在汶川地震中震毀Fig.1 The Erwang Temple in Dujiangyan was destroyed under the Wenchuan Earthquake

圖2 尼泊爾地震中歷史建筑倒塌Fig.2 Historic buildings collapsed under the Nepal Earthquake

一般而言，傳統(tǒng)加固手段對歷史建筑及文物很難起到較好的保護(hù)效果，而采取隔震保護(hù)措施則是提升其建筑功能和安全性的重要解決方案［4］。通過明確歷史建筑保護(hù)目標(biāo)，采取合理的技術(shù)措施，既可確保在改造加固時建筑的內(nèi)部及外部不產(chǎn)生不可控破壞，又可提升加固后建筑的安全性。

長期以來，一些建筑結(jié)構(gòu)雖然在地震中可以有效防止倒塌，但由于建筑正常使用功能和文化價值的喪失所造成的損失依然巨大。因此，國內(nèi)外較早開展了建筑結(jié)構(gòu)的性能化抗震設(shè)計與研究工作，取得了較大進(jìn)展［5］，即通過更靈活多樣的性能設(shè)計目標(biāo)及更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析方法，將建筑結(jié)構(gòu)由于地震作用產(chǎn)生的損傷及損失控制在預(yù)期目標(biāo)的范圍內(nèi)，在保證結(jié)構(gòu)與生命安全的前提下，盡可能地減小經(jīng)濟(jì)損失。

基于多年研究工作，國內(nèi)在相關(guān)規(guī)范規(guī)程中，對建筑結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)具有較為明確的劃分［6-7］，國外也在實際工程運用中，體現(xiàn)了關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)抗震的性能化設(shè)計的步驟及標(biāo)準(zhǔn)［8-10］。

1 歷史建筑性能化隔震兩階段設(shè)計方法

考慮到歷史建筑及其隔震結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計分析尚無工程經(jīng)驗或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，特提出針對歷史建筑結(jié)構(gòu)的性能化隔震兩階段設(shè)計方法，如圖3所示，即：

第一階段，對歷史建筑結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)進(jìn)行鑒定評估，明確其保護(hù)需求。

第二階段，根據(jù)歷史建筑的抗震性能評估設(shè)定隔震加固目標(biāo)，進(jìn)行性能化隔震設(shè)計。

本文主要討論第二階段的性能化隔震設(shè)計方法。

2 歷史建筑隔震性能化水準(zhǔn)及指標(biāo)分析

根據(jù)歷史建筑保護(hù)需求，探討歷史建筑性能水準(zhǔn)，確定合理的隔震性能量化指標(biāo)，并明確歷史建筑隔震性能目標(biāo)。

2.1 歷史建筑隔震性能水準(zhǔn)

借鑒國內(nèi)相關(guān)性能水準(zhǔn)劃分，并結(jié)合國外相關(guān)工程經(jīng)驗，將歷史建筑隔震結(jié)構(gòu)性能劃分為三類：第一類，主要根據(jù)結(jié)構(gòu)宏觀損壞程度、不同類別結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞程度和結(jié)構(gòu)震后繼續(xù)使用的可能性等進(jìn)行水準(zhǔn)劃分，參見表1；第二類，主要考慮歷史建筑中具有保護(hù)價值的歷史文物，明確與主體結(jié)構(gòu)連接較為緊密的關(guān)鍵非結(jié)構(gòu)構(gòu)件需求，并要求非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水平與主體結(jié)構(gòu)性能水平協(xié)調(diào)統(tǒng)一，參見表2；第三類，考慮隔震層構(gòu)件同樣需要保持功能需求，如穿越隔震層的管線和設(shè)備的變形適應(yīng)能力等，其性能水準(zhǔn)劃分參見表3。

圖3 歷史建筑結(jié)構(gòu)性能化隔震設(shè)計方法Fig.3 The method of structural performance-based design for based-isolated historic buildings

表1 歷史建筑主體結(jié)構(gòu)隔震性能水準(zhǔn)（第一類）Table 1 The performance level of historic buildings with isolation based on main structure（Category Ⅰ）

表2 歷史建筑關(guān)鍵非結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能水準(zhǔn)（第二類）Table 2 The performance level of historic buildings based on key non-structural components（Category Ⅱ）

2.2 歷史建筑隔震性能量化指標(biāo)

已有研究、震害經(jīng)驗和工程實例分析等結(jié)果表明，采用層間位移角來衡量結(jié)構(gòu)變形能力，從而判別是否滿足建筑功能要求是合理的，層間位移角也是國內(nèi)外結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計中最為常用的量化指標(biāo)。

對于歷史建筑第一類性能水準(zhǔn)，針對較為常見的木構(gòu)古建和框架結(jié)構(gòu)歷史建筑，參考技術(shù)規(guī)程［11-12］，并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗［13］，擬定不同性能水準(zhǔn)下的層間位移角限值，如表4所示。

表3 歷史建筑隔震層構(gòu)件性能水準(zhǔn)（第三類）Table 3 The performance level of historic buildings based on components in isolation layer（Category Ⅲ）

對于歷史建筑第二類性能水準(zhǔn)，考慮一般具有保護(hù)價值的文物，像佛像、壁畫等，大都附著于填充墻上，故以填充墻作為關(guān)鍵非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其性能量化指標(biāo)如表5所示。

表4 歷史建筑第一類性能量化指標(biāo)Table 4 The quantitative index of performance for Category Ⅰof historic buildings

表5 歷史建筑第二類性能量化指標(biāo)Table 5 The quantitative index of performance for Category Ⅱof historic buildings

對于歷史建筑第三類性能水準(zhǔn)，隔震支座（以橡膠隔震支座為例）以支座剪切變形作為評價指標(biāo)［14-15］；而隔震層中的設(shè)備、管線等構(gòu)件，在隔震層發(fā)生較大水平位移時將出現(xiàn)損壞情況，則以層間位移角作為評價指標(biāo)，具體指標(biāo)如表6 所示。在最后確定隔震層的性能量化指標(biāo)時，取兩者的較小值。

表6 歷史建筑第三類性能量化指標(biāo)Table 6 The quantitative index of performance for Category Ⅲof historic buildings

2.3 歷史建筑隔震性能目標(biāo)

歷史建筑隔震性能目標(biāo)由抗震設(shè)防水準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)組合，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的特殊性、歷史文化價值、修復(fù)難易程度等多重因素。結(jié)合提出的三類性能水準(zhǔn)，將歷史建筑隔震設(shè)計的性能目標(biāo)劃分為四個等級，A 表示最為嚴(yán)格的性能目標(biāo)，D表示最基本的性能目標(biāo)。

在具體工程案例分析時，為保證性能化隔震設(shè)計的合理性，需要結(jié)合歷史建筑結(jié)構(gòu)以及使用功能現(xiàn)狀，明確其保護(hù)需求，從而確定如何組合三類性能水準(zhǔn)，即從第一類和第二類水準(zhǔn)中選擇其一或?qū)⒍呓M合，再與第三類水準(zhǔn)結(jié)合進(jìn)行設(shè)計。

表7 歷史建筑隔震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)（1）Table 7 The performance targets of base-isolated historic buildings（1）

表8 歷史建筑隔震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)（2）Table 8 The performance targets of based-isolated historic buildings（2）

根據(jù)性能水準(zhǔn)的組合情況，提出相應(yīng)的性能目標(biāo)。表7 和表8 分別為某歷史建筑典型性能水準(zhǔn)組合情況下的性能目標(biāo)，具體案例分析見后文。

3 案例分析

通過兩個歷史建筑隔震工程案例，進(jìn)行性能化隔震設(shè)計，驗證性能化隔震設(shè)計的合理性、有效性。

3.1 某框架結(jié)構(gòu)歷史建筑組合隔震設(shè)計

3.1.1 第一階段：歷史建筑性能評估

某市級優(yōu)秀歷史建筑，建成于1935 年。其外立面呈現(xiàn)現(xiàn)代主義風(fēng)格，清水紅磚墻，各立面橫縱線條構(gòu)圖韻味濃厚，原檐口有多重線腳，室內(nèi)大廳中庭設(shè)計，帶有裝飾派藝術(shù)技巧，是該歷史建筑的主要保護(hù)范圍。

圖4 某市級優(yōu)秀歷史建筑外立面Fig.4 The facade of a municipal excellent historical building

該房屋結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)共六層（屋面有出屋面樓梯間、電梯機房），柱距為6.00～6.25 m。柱截面尺寸由下至上逐漸減小，梁截面尺寸從2～6 層保持不變，但屋面梁截面尺寸較小。結(jié)構(gòu)平面如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖（單位：mm）Fig.5 Typical floor plan（Unit：mm）

經(jīng)第一階段結(jié)構(gòu)性能評估，原框架結(jié)構(gòu)按靜力設(shè)計，兩個方向框架梁截面相差較大，抗側(cè)性能存在差別，房屋結(jié)構(gòu)混凝土碳化嚴(yán)重，強度普遍較低，僅為C13；局部構(gòu)件鋼筋銹蝕、銹脹嚴(yán)重，導(dǎo)致混凝土表面開裂；部分非結(jié)構(gòu)構(gòu)件有裂縫。為保護(hù)房屋外立面歷史風(fēng)貌，保證房屋的后期安全使用，需要對其采取隔震加固措施［16］。

3.1.2 第二階段：性能化隔震設(shè)計

（1）性能目標(biāo)設(shè)定。根據(jù)歷史建筑保護(hù)要求，房屋外立面建筑風(fēng)格不得改變，內(nèi)部非結(jié)構(gòu)構(gòu)件無保護(hù)需求，同時按照建筑功能要求，并考慮到房屋結(jié)構(gòu)混凝土強度較低，不適宜采用增加梁柱構(gòu)件截面或設(shè)置柱間支撐的形式進(jìn)行加固。

綜合房屋安全和經(jīng)濟(jì)性［17］，并考慮上部結(jié)構(gòu)和隔震層性能，結(jié)合歷史建筑第一類及第三類性能水準(zhǔn)進(jìn)行隔震設(shè)計。

根據(jù)歷史建筑隔震性能目標(biāo)等級劃分（表7），雖然該歷史建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度偏低，但結(jié)構(gòu)完整性較好，故擬定該隔震結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)為B級，具體位移限值如表9所示。

表9 隔震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)Table 9 Performance targets of the isolation structure

（2）場地及地震波選取。建筑位于Ⅳ類場地、按七度設(shè)防要求以及結(jié)構(gòu)自身的特點，選取多條天然地震波和一條人工模擬地震波，進(jìn)行非線性動力時程分析（直接積分法）。分別進(jìn)行多遇、基本、罕遇地震下的時程驗算。

（3）隔震設(shè)計。建立SAP2000 結(jié)構(gòu)模型，如圖6 所示。采用鉛芯橡膠支座與彈性滑板支座組合隔震的方式，布置如圖7 所示，相對應(yīng)的支座參數(shù)可參見表10。

圖6 SAP2000有限元模型Fig.6 Finite element model in SAP2000

（4）隔震結(jié)構(gòu)性能分析。

①結(jié)構(gòu)周期。從表11可以看出，隨著地震作用水準(zhǔn)的提升，隔震層對結(jié)構(gòu)周期有逐漸顯著的延長效果。

②上部結(jié)構(gòu)層間位移角。從表12可以看出，罕遇地震下，上部結(jié)構(gòu)層間位移角滿足以1/250為限值的性能目標(biāo)要求。

圖7 隔震支座布置平面圖（單位：mm）Fig.7 The layout of isolation bearings（Unit：mm）

表10 隔震層支座性能參數(shù)表Table 10 Table of performance parameters of isolation bearings

表11 隔震前后結(jié)構(gòu)周期對比Table 11 Structural periods with/without isolation s

③隔震層位移罕遇地震工況下，隔震層最大水平位移為237.4 mm，滿足表9 設(shè)定的性能目標(biāo)（隔震層位移限值250 mm），保證了隔震層支座的性能需求。

3.2 某木構(gòu)古建的摩擦滑移隔震設(shè)計

3.2.1 第一階段：歷史建筑性能評估

該大雄寶殿古建筑始建于約1918 年，為木結(jié)構(gòu)重檐歇山式單層建筑，屬江南明清殿閣建筑風(fēng)格，其主體結(jié)構(gòu)、隔墻及其內(nèi)部佛像等均為該歷史建筑的主要保護(hù)范圍。

表12 罕遇地震下樓層層間位移角及減震系數(shù)Table 12 The story-drift and seismic decrease coefficient under rare earthquake

建筑平面呈矩形，東西向為長邊，共五開間。外立面如圖8所示。

圖8 某木構(gòu)大雄寶殿Fig.8 Timber Great Buddha’s Hall

主體結(jié)構(gòu)采用中國傳統(tǒng)的抬梁式木結(jié)構(gòu)體系，主要豎向承重構(gòu)件為木柱，柱底置于鼓磴之上；梁為水平承重構(gòu)件，截面形式有矩形和圓形兩種；梁柱間采用榫卯連接，榫頭凸出處用鐵銷插入固定。其結(jié)構(gòu)剖面圖如圖9所示。

圖9 某木構(gòu)大雄寶殿結(jié)構(gòu)剖面圖（單位：mm）Fig.9 The structural profile of Timber Great Buddha’s Hall（Unit：mm）

檢測發(fā)現(xiàn)，無論是主體結(jié)構(gòu)還是非結(jié)構(gòu)構(gòu)件等均出現(xiàn)了不同程度的損壞。大雄寶殿外立面存在墻面粉刷龜裂、屋脊局部開裂、走獸泥塑開裂、瓦片松動移位或缺損等破損現(xiàn)狀；大殿室內(nèi)則存在部分雕塑老化損壞，屋面板底木檁、木椽、木梁、斗拱開裂，部分榫卯連接出現(xiàn)脫榫等情況。

3.2.2 第二階段：性能化隔震設(shè)計

（1）性能目標(biāo)設(shè)定?？紤]該木構(gòu)古建中各類具有保護(hù)價值的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如佛像、壁塑、壁畫、室內(nèi)外裝修等，且中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，所以確定保護(hù)主體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵非結(jié)構(gòu)構(gòu)件為該歷史建筑的抗震性能目標(biāo)，即結(jié)合歷史建筑第一類、第二類及第三類性能水準(zhǔn)進(jìn)行隔震設(shè)計。

根據(jù)已提出的性能目標(biāo)等級劃分（表8），考慮到該歷史建筑為木結(jié)構(gòu)，且構(gòu)件存在較多的損壞情況，故擬定該隔震結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)為C級，具體位移限值如表13所示。

表13 隔震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)Table 13 Performance targets of the isolation structure

（2）場地及地震波選取。建筑位于Ⅳ類場地，抗震設(shè)防烈度為7 度，選取多條天然地震波和人工模擬地震波，分別進(jìn)行多遇、基本和罕遇地震下的時程驗算。

（3）隔震設(shè)計。建立SAP2000 軟件結(jié)構(gòu)模型，如圖10 所示。該木結(jié)構(gòu)古建筑建造年代久遠(yuǎn)，存在較多破損情況，因此在建模過程中根據(jù)木材使用年限對其材料強度進(jìn)行折減。同時對于結(jié)構(gòu)中較為關(guān)鍵的榫卯節(jié)點，在軟件中采用線性彈簧單元模擬，該單元可將轉(zhuǎn)動剛度作為輸入?yún)?shù)，從而模擬任意剛度的節(jié)點，依據(jù)榫卯節(jié)點檢測結(jié)果設(shè)定模型節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度［18］。

采用以彈性滑板支座為主，輔以少量厚層橡膠隔震支座及黏滯阻尼器的摩擦滑移組合隔震方案。支座摩擦滑移使得隔震層等效剛度變化幅度較大，其等效頻域范圍較寬，適合于軟土場地長周期結(jié)構(gòu)隔震；增設(shè)少量厚層橡膠支座與黏滯阻尼器，可在保持減震效果的前提下，適度限制隔震層的不利位移及減小隔震系統(tǒng)的震后殘余變形，從而滿足罕遇地震下隔震層位移要求。摩擦滑移隔震體系不具備大震下的自復(fù)位功能，在大震后將存在殘余變形，因此在隔震層的四周布置四個復(fù)位節(jié)點，在震后可通過安裝千斤頂?shù)确绞綄Υ笮蹖毜钸M(jìn)行復(fù)位。復(fù)位節(jié)點側(cè)面設(shè)置預(yù)埋件，方便千斤頂?shù)妊b置的安裝或更換。隔震層支座布置可參見圖11，復(fù)位節(jié)點構(gòu)造如圖12所示。

圖10 SAP2000有限元模型Fig.10 Finite element model in SAP2000

圖11 隔震支座布置平面圖（單位：mm）Fig.11 The layout of isolation bearings（Unit：mm）

圖12 復(fù)位節(jié)點（單位：mm）Fig.12 Resetting joint（Unit：mm）

（4）隔震結(jié)構(gòu)性能分析。

①結(jié)構(gòu)周期。隔震前后結(jié)構(gòu)周期對比如表14 所示?？梢娫诓煌疁?zhǔn)地震下，以摩擦滑移支座為主的組合隔震層對周期延長效果較佳，能夠有效避開場地特征周期。

表14 隔震前后結(jié)構(gòu)周期對比Table 14 Structural periods with/without isolation s

②上部結(jié)構(gòu)層間位移角。隔震加固前，結(jié)構(gòu)層間位移角在多遇地震下為1/410，基本地震下1/143，罕遇地震下1/60；隔震加固后，大雄寶殿在多遇地震、基本地震、罕遇地震下的層間位移角分別是1/586、1/295 和1/186，較隔震前顯著降低，有效提升了大雄寶殿古建筑的結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水準(zhǔn)，滿足所提出的預(yù)期性能目標(biāo)。

圖13 罕遇地震下隔震前后層間位移角時程對比Fig.13 Comparison of story-drift under time history before and after isolation in rare earthquakes

③隔震層位移。罕遇地震工況下，隔震層最大水平位移為238.4 mm，滿足表13設(shè)定的性能目標(biāo)（隔震層位移限值480 mm）。

由于本文對關(guān)鍵非結(jié)構(gòu)構(gòu)件所采用的評價指標(biāo)尚不能涵蓋種類繁多的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，此方面有待進(jìn)一步研究完善。

4 結(jié) 論

以歷史建筑為對象，針對城市更新修繕過程中所遇到的歷史建筑老化損傷以及文化價值保護(hù)等需求，結(jié)合在歷史建筑改造加固中可采取的隔震技術(shù)措施，提出了綜合考慮上部結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及隔震層的性能化隔震兩階段設(shè)計方法，并通過實際案例分析，得出以下結(jié)論：

（1）在歷史建筑改造加固中，需對其性能現(xiàn)狀進(jìn)行有效評估，明確建筑抗震性能保護(hù)需求。

（2）針對不同歷史建筑的特點，區(qū)分重點保護(hù)對象，將隔震性能水準(zhǔn)分為三類，分別設(shè)定保護(hù)主體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵非結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及隔震層構(gòu)件的性能量化指標(biāo)。

（3）確定性能化隔震設(shè)計性能目標(biāo)，保證上部結(jié)構(gòu)安全性能，以及確保關(guān)鍵非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、隔震層構(gòu)件及設(shè)備管線等抗震性能。

（4）通過框架結(jié)構(gòu)和木構(gòu)古建兩項工程案例的設(shè)計分析，驗證了所提出的歷史建筑性能化隔震設(shè)計方法的合理性及有效性。