秦成林

（山東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司泰安分院，山東泰安271000）

1 引言

在地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)損傷，導(dǎo)致建筑被破壞。因此，建筑的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)。建筑性能化設(shè)計(jì)主要研究建筑構(gòu)造的延性，即地震作用力下建筑的不斷裂性?；诖?，本文通過分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，闡述建筑的延性在抗震性設(shè)計(jì)中的作用，分析提高建筑抗震性能化設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

2 對(duì)抗震性能化設(shè)計(jì)的理解

2.1 抗震性能化設(shè)計(jì)概念的提出

目前，建筑行業(yè)對(duì)抗震性能化設(shè)計(jì)的理解尚不統(tǒng)一。部分學(xué)者認(rèn)為，以結(jié)構(gòu)物的變形需求為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制依據(jù)的設(shè)計(jì)形式就可以稱之為抗震性能化設(shè)計(jì)；也有學(xué)者認(rèn)為，以減少經(jīng)濟(jì)損失、結(jié)構(gòu)損傷作為性能目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證與分析的過程被稱為抗震性能化設(shè)計(jì)。實(shí)際上，建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)是抗震設(shè)計(jì)一步步發(fā)展、完善的結(jié)果。美國加州結(jié)構(gòu)工程師學(xué)會(huì)、美國應(yīng)用化工技術(shù)局、美國聯(lián)邦緊急救援組織最早提出基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)概念，即根據(jù)建筑物的重要性、用途、業(yè)主要求來確定性能目標(biāo)，因此，提出不同的抗震設(shè)防水準(zhǔn)，并且進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估，檢驗(yàn)其是否滿足性能目標(biāo)的要求，以及能否滿足建筑結(jié)構(gòu)在未來地震中具備的功能。在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)結(jié)構(gòu)使用靜力彈性、動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析法分析結(jié)構(gòu)的抗震性能，驗(yàn)證建筑結(jié)構(gòu)是否可以達(dá)到設(shè)計(jì)性能目標(biāo)。

2.2 抗震性能化設(shè)計(jì)的目的、內(nèi)容

抗震性能設(shè)計(jì)的目的是在建筑結(jié)構(gòu)壽命周期內(nèi)，在一定條件下，提高建筑結(jié)構(gòu)抵御地震災(zāi)害的能力，在地震作用下，減輕結(jié)構(gòu)的破壞程度，從而減少人員傷亡、經(jīng)營中斷、再次修建等損失。因此，抗震性能化設(shè)計(jì)是一種“多級(jí)抗震設(shè)防”的方式，是對(duì)抗震設(shè)計(jì)的深化與細(xì)化。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容包括地震設(shè)防水準(zhǔn)、性能目標(biāo)確定、結(jié)構(gòu)抗震性能水平的確定、結(jié)構(gòu)抗震性能分析評(píng)估4個(gè)方面。在所有的設(shè)計(jì)內(nèi)容中，需要考慮2個(gè)基本方向：地震需求與結(jié)構(gòu)能力[1]。結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)的最終目的是使設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)部件的抗震能力達(dá)標(biāo)，強(qiáng)于地震需求指標(biāo)且費(fèi)用最低。

抗震性能化設(shè)計(jì)，就是一種建立在概念設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的抗震設(shè)計(jì)新發(fā)展?？拐鹦阅芑O(shè)計(jì)仍然是以現(xiàn)有的抗震設(shè)計(jì)水平和經(jīng)濟(jì)條件為前提，從受力體對(duì)性能目標(biāo)進(jìn)行理解的設(shè)計(jì)過程，主要是采取各種設(shè)計(jì)方法和裝置，使整個(gè)結(jié)構(gòu)或者是某些部位、關(guān)鍵構(gòu)件在地震作用過程中，產(chǎn)生的破壞最小。在外力方面，在地震作用下，首先評(píng)估結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)可能發(fā)生的地震等級(jí)。GB 50011—2016《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱《抗規(guī)》）中詳述的地震的3個(gè)水準(zhǔn)是小震、中震和大震。實(shí)際上性能化設(shè)計(jì)還需要考慮近場效應(yīng)的影響。在《抗規(guī)》中規(guī)定，處于發(fā)震斷層周圍10 km以內(nèi)的結(jié)構(gòu)的振動(dòng)參數(shù)，如振幅、頻率、持續(xù)時(shí)間等都應(yīng)計(jì)入近場影響中，這有利于對(duì)地震效應(yīng)的計(jì)算與充分考慮。這種考慮方式也是在具體形式上具體分析的個(gè)性化手段。性能目標(biāo)不再是一個(gè)籠統(tǒng)概念，而是在構(gòu)件破壞狀態(tài)、功能保留狀態(tài)上高于三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)設(shè)置。

3 結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)

建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能水準(zhǔn)見表1，具體分析如下：

表1 結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)

1）完好。小震作用下全部構(gòu)件抗震承載能力均滿足彈性設(shè)計(jì)要求，抗拉、抗壓、抗彎、壓彎等方面的性能均滿足小震作用下對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的要求。層間變形滿足相關(guān)規(guī)范中位移角的限值。中震作用下，構(gòu)件承載力滿足彈性設(shè)計(jì)要求。

2）基本完好。小震作用下構(gòu)件保持基本彈性狀態(tài)，層間位移超過變形限值極少。中震與大震作用下，建筑結(jié)構(gòu)保持基本彈性狀態(tài)，層間位移超過彈性變形限值。

3）輕度損壞。小震同上，中震與大震作用下，建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)輕微塑性變形，但尚未達(dá)到屈服狀態(tài)，建筑整體結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，部分耗能構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，剪力墻剛度折減。大震作用下，建筑結(jié)構(gòu)薄弱部分最大層間位移角滿足規(guī)范。

4）中度破壞。小震同上，中震與大震作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變形，大部分建筑構(gòu)件進(jìn)入屈服狀態(tài)，但是鋼筋混凝土構(gòu)建、混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)不應(yīng)不發(fā)生脆性破壞。

5）嚴(yán)重破壞。小震同上，中震與大震作用下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯塑性變形，大部分耗能構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，不允許同一樓層的豎向構(gòu)件全部屈服，控制整體結(jié)構(gòu)承載力不發(fā)生下降。

4 提高建筑抗震性能設(shè)計(jì)的途徑

4.1 砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建筑的柱體結(jié)構(gòu)與圈梁砌筑墻體部分會(huì)因?yàn)槭艿剿降卣鸷奢d與豎直地震荷載的作用下而出現(xiàn)裂縫，將墻體劃分為多個(gè)塊體。在水平地震荷載的作用下，建筑結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生水平方向的位移，逐漸向外移動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫的開裂程度越來越大，破壞墻體的整體性，使墻體承壓面積逐漸減小。當(dāng)其承載力無法達(dá)到設(shè)計(jì)承載要求時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)坍塌，墻體承載能力也逐漸消失?；谶@種情況，應(yīng)重視結(jié)構(gòu)柱和圈梁的設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的彈性，從而消耗一部分地震作用力，避免建筑墻體的剛度快速衰退從而發(fā)生坍塌現(xiàn)象，或者延緩這種問題的發(fā)生，使建筑即使在中震與大震情況下，也不會(huì)出現(xiàn)快速坍塌。

4.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建筑的塑性變形大小需要通過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來控制，因此，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)其抗拉與屈服強(qiáng)度的要求，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的其他參數(shù)指標(biāo)也應(yīng)在合理范圍內(nèi)，并且鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的變形能力和屈服強(qiáng)度應(yīng)有余量。因此，設(shè)計(jì)框架梁、柱結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)強(qiáng)化梁柱之間的結(jié)構(gòu)延性，以提高其抗震性能。

另外，仍有少部分人認(rèn)為，鋼筋混凝土強(qiáng)度高就代表性能好，在設(shè)計(jì)中需要避開這一誤區(qū)，應(yīng)因地制宜地根據(jù)實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)與分析。比如，混凝土強(qiáng)度越高，結(jié)構(gòu)的脆性越強(qiáng)，相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)的延性則越低，越不利于消耗地震作用[2]。因此，結(jié)合抗震性能設(shè)計(jì)指標(biāo)，如果抗震設(shè)防烈度為9度，混凝土強(qiáng)度最高采用C60；如果抗震設(shè)防烈度為8度，混凝土強(qiáng)度最高采用C70。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還要根據(jù)混凝土受壓構(gòu)建的軸壓比進(jìn)行調(diào)整、控制，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合相關(guān)規(guī)范的要求。

在鋼筋施工中，控制好箍筋的質(zhì)量，對(duì)箍筋進(jìn)行優(yōu)化也可以取得理想的抗震效果。具體的優(yōu)化途徑是：增強(qiáng)箍筋的抗變形能力、極限強(qiáng)度、耗能能力，可以根據(jù)箍筋的形式、間距、數(shù)量等充分考慮。

5 結(jié)語

綜上所述，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)，做好建筑結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)，將其作為抗震性能的重要指標(biāo)，可以提高建筑抗震性能。因此，為保證建筑抗震性能，降低財(cái)產(chǎn)損失，應(yīng)重視建筑結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)建筑的抗震性能化設(shè)計(jì)。