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    第四期:基于冗余度理論的建筑抗震設計方法研究

    • 工程抗震
    2021年03月26日

    本文基于建筑抗震冗余度的基本內涵,從建筑結構布局和構件截面的承載力設計兩個方面對基于冗余度理論的建筑抗震設計方法進行了全面的論述。(本文作者:毋劍平,羅開海丨文章刊登于《工程抗震與加固改造》


    從“冗余”一詞的基本含義出發

    闡釋了冗余度的概念

    并結合9.11事件的調查結論

    闡述了冗余度理論在建筑結構領域的發展現狀

    著重論述了

    建筑抗震冗余度的含義其必要性

    以及建筑抗震冗余度理論的研究現狀、評價指標

    以及國內外抗震規范的相關規定等...


    盡管各研究者和不同地區的規范對冗余度具體含義的看法和理解不同,但冗余度設置的目的是相同的或相似的,均是基于建筑抗震安全的角度,為防止建筑地震倒塌的目的而設置。

    歸納起來,建筑抗震冗余度大致包含以下兩個方面的內涵與外延:

    (1) 從承載力設計層面上看,建筑抗震冗余度是指抗側力體系應具有足夠的抗震安全裕度。對于預期的地震動水準,抗側力體系的抗震承載能力不應低于相應的承載需求。具體到工程設計時,抗側力體系的設計內力應在計算分析數值的基礎上,考慮安全冗余度進行適當調整。

    (2) 從結構布局及抗側力體系配置層面上看,建筑抗震冗余度是指建筑結構應具有多層次的抗震體系,當上一層次的抗震體系遭受損傷或破壞而剛度退化(或退出工作)時,下一層次的抗震體系可以接替工作,抵御后續的地震作用,避免房屋建筑過早的破壞或倒塌。


    建筑抗震冗余度設計的基本內容


    如上所述,從總體上看,建筑抗震冗余度設計包含了兩個層面的內容:

    (1)建筑結構布局層面,做好建筑結構的剛度布局,構建多層次的建筑結構災害防御體系;

    (2)構件層面,為不同層次構件匹配相應的抗震強度,即根據構件在防御體系中的層級不同,設置不同的強度設計標準,保證多層次防御體系的實現。如圖1所示,為建筑抗震冗余度設計的基本層次框圖。


    基于冗余度理論的建筑結構布局


    在建筑結構布局層面

    應充分利用建筑布局

    使建筑結構的地震災害防御體系層次化、梯隊化


    • 建筑防線的設置

    進行建筑結構布局時,結構工程師應與建筑師密切配合,充分利用建筑非結構構件、尤其是建筑隔墻和填充墻,在對其自身及與主體結構連接的抗震性能改善后,將其作為建筑抗震的第一道防線(梯隊)。

    該道防線主要是對建筑非結構構件進行“廢物化利用”處理,可稱之為建筑防線,其主要作用是先于主體結構損傷或破壞,在主體結構破壞前盡可能多地耗散地震輸入能量,以減輕主體結構的損傷或破壞。

    鑒于近期大地震中,砌體填充墻的大量破壞及其導致的主體結構破壞情況。

    下圖是汶川地震中,大量的非結構構件倒塌破壞

    下圖是填充墻不當布置導致的主體結構構件破壞

    填充墻不合理砌筑導致短柱破壞

    填充墻導致柱上端沖剪破壞

    建議采用現澆的、少配筋混凝土墻作為混凝土結構的填充墻,這樣做的好處是:

    (1)可有效減少填充墻體的破壞情況和破壞程度;

    (2)減輕或改善填充墻對主體結構的不利影響;

    (3)增加建筑結構的地震災害防御體系的層次。

    這也是目前日本鋼筋混凝土框架結構填充墻的通行做法。

    2011年日本3.11地震中框架結構非結構墻體的地震破壞情況


    為近期強震中日本框架結構中非結構墻體的破壞情況,雖然損傷破壞嚴重,但并未出現填充墻大量倒塌、堵塞逃生通道的現象;與此同時,由于現澆配筋填充墻的損傷、破壞,消耗了大量地震輸入能量,避免了主體結構的嚴重破壞。此外,與砌體填充墻相比,此類填充墻的震后修復也要簡單、容易的多,修復代價要小得多。


    • 結構防線的設置

    目前,我國工程界一個比較重要的設計理念是將結構的所有豎向構件均作為抗側力構件,采用相同或相近的設計標準,各構件的抗震能力與抗震需求的比值基本是一樣的,亦即結構各構件之間的抗地震破壞能力基本是無差別的。

    因此,建筑結構在強烈地震下一旦出現損傷,就有可能出現大量的破壞部位,進而導致結構的抗震能力衰減過快,易損性高。

    事實上,依據建筑抗震冗余度理論,對于建筑的結構構件可以采取區別對待的辦法,根據構件的重要性不同采用不同的設計對策,加大各組構件之間抗地震破壞能力的差別,進而為建筑抗震安全留設足夠的冗余度。

    具體來說,可按下述方法實現之:

    (1)注意普通承重構件與抗側力構件的差別,構建合理的抗側力體系:

    構置結構防線時,首先應根據剛度相對大小、重力荷載的承擔情況等對結構構件進行分組,其次應采取區別對待的對策,根據分組的不同采取用不同的設計目標和對策,借以實現結構防線的層次化。

    實際工程中,可將承擔重力荷載較小、剛度較大的構件分為一組,作為結構的主要抗側力構件,組成結構的抗側力體系,原則上,要求承擔全部樓層地震作用;其余構件作為結構的普通承重構件,即次要抗側力構件,不考慮其對整體結構抗震能力的貢獻,但要求其能夠適應適應抗側力體系的變形需求,同時,在主要抗側力體系損傷退化或退出工作后,仍具有足夠的豎向承載能力和抗震能力。

    對于鋼筋混凝土框架結構,可將其中承擔重力荷載較小的若干榀框架,設置為結構的抗側力構件,進而組成結構的抗側力體系,由其承擔結構的全部地震作用;其余框架作為普通的承重框架,核定整體建筑的抗震能力時,該部分框架的抗震能力不計入,但這些框架應能適應適應抗側力體系的變形需求,同時,具有足夠的豎向承載能力和抗震能力。

    對于鋼筋混凝土抗震墻結構來說,可將其中若干承重較小、剛度較大的墻段作為主要抗側力構件,組成結構的抗側力體系,承擔結構的全部地震作用;其余承重較大或強度較小的墻段、以及個別柱子等構件作為普通承重構件。

    對于鋼筋混凝土框架-抗震墻結構、框架-核心筒結構來說,可將其中承重相對較小的若干榀框架以及剛度較大的抗震墻(核心筒)等構件作為結構的主要抗側力構件,組成結構的抗側力體系——框架-抗震墻體系(或框架-核心筒體系);其余框架為普通承重構件。


    (2)抗側力體系的優化配置,形成延性屈服機制

    對于結構的抗側力體系而言,同樣可以基于冗余度理論進行層次化布局與控制。工程操作時,可通過采取適當的措施來控制其中構件或桿件的屈服破壞順序,使抗側力體系的破壞過程層次化、漸進式發展,進而實現延性屈服機制,增加結構的冗余度。

    對于混凝土框架結構,其抗側力體系是由抗側力構件——框架組成,實際工程設計時,可通過“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節點若桿件”等一系列設計和構造措施,實現“先梁后柱”的整體屈服機制,使抗側力體系的破壞過程按照梁—柱—柱腳的順序發展,延長結構的倒塌破壞時間。

    對于混凝土抗震墻結構,其抗側力體系是由各抗震墻段組成,工程設計時,可以在保持抗震墻段的抗剪承載能力不變、即整體結構抗震能力不變的前提下,通過采取連梁剛度折減等手段,適當降低連梁的抗震承載能力、相應增加墻肢的抗震能力,進而使抗震墻段實現連梁先屈服、墻肢后屈服的破壞機制,增加結構的冗余度。

    對于混凝土框架-抗震墻結構和框架-核心筒結構,其抗側力體系是由框架和抗震墻段組成的雙重體系。其中,抗震墻段一般剛度較大、且重力荷載相對較小,是該體系抗震能力的主要貢獻者,一般可作為該體系的第一道防線;框架剛度相對較小、且承重較大,抗震能力相對較小,一般作為該體系的第二道防線使用。這類結構抗側力體系中的框架和抗震墻段尚應分別按上述框架和抗震墻段的設計措施進行設計,進一步增加結構的倒塌冗余度。


     基于冗余度理論的構件截面設計


    在構件設計層面,應針對不同層次、不同重要性的構件設置不同的抗震安全冗余度(即地震內力調整系數),并進行構件截面設計。


    • 建筑防線的構件設計

    建筑防線的主要作用是先于主體結構損傷或破壞,在主體結構破壞前盡可能多地耗散地震輸入能量,以減輕主體結構的損傷或破壞,因此,其抗震設計標準應低于主體結構構件,設計時不參與結構計算分析,設計措施以構造為主。

    • 結構防線的構件設計

    (1) 抗側力構件

    抗側力體系是結構抗御地震作用的主要承載體,應能承擔預期地震動水準下的全部地震作用。

    考慮到設計地震的不確定性以及結構設計、施工、使用過程中的種種不確定性,進行抗側力體系的強度設計時,在預期水準地震作用計算的基礎上,尚應考慮安全裕度設置一定的安全儲備。

    實際工程設計時,一般可在結構構件截面強度驗算時,對荷載組合的地震作用效應進行適當放大處理,即乘上大于1.0的地震作用效應組合系數,目前,中國規范GB50011-2010取1.3。

    對各類抗側力體系,尚應根據層次化布局的要求,對不同層級的桿件或構件采用不同抗震設計對策:

    a) 對于混凝土框架結構的抗側力體系——框架,應按照梁先屈服、柱后屈服的要求進行設計控制。實際工程操作時,梁的設計內力按照預期地震水準下的結構計算數值采用,柱的設計內力應依據梁的設計承載能力確定,并應考慮安全裕度。

    b) 對于混凝土抗震墻結構的抗側力構件——抗震墻段,應在保持抗震墻段的抗剪承載能力不變的前提下,適當降低連梁的抗震承載能力,相應增加墻肢的抗震能力,使抗震墻段實現連梁先屈服、墻肢后屈服的破壞機制。實際工程操作時,可按下述方法和步驟執行:計算結構地震作用以及結構剛度驗算(位移計算)時,采用各桿件截面的彈性剛度,連梁剛度不折減;進行桿件地震內力計算時,應在保持結構整體地震作用不變的前提下,將連梁的剛度進行適當折減,折減系數一般不應小于0.50,此時,連梁的計算內力會適當減小,而墻肢的計算內力會有所增加。

    c) 對于混凝土框架-抗震墻結構和框架-核心筒結構,其抗側力體系是由框架和抗震墻段組成的雙重體系。該體系的第一道防線——抗震墻段,承擔了結構的大部分地震作用,地震時會首先遭到破壞。設計時,為提高結構的抗地震倒塌能力,在抗震墻段已然承擔了大部分地震作用的前提下,應盡可能提高其延性變形能力,以減緩或推遲抗震墻段的剛度退化,為此,該類體系中抗震墻段的抗震措施應比抗震墻結構嚴格一些,即應采用相對較高的抗震等級。

    而對于該類體系的第二道防線——框架來說,由于其實際承擔的地震作用有限,且承擔了較大的重力荷載,為了保證結構在第一道防線被破壞后的安全性,作為第二道防線的框架應具備足夠的抗震安全裕度。

    我國現行的《建筑抗震設計規范》GB50011-2010要求,側向剛度沿豎向分布基本均勻的框架-抗震墻結構和框架-核心筒結構,任一層框架部分承擔的剪力值,不應小于結構底部總地震剪力的20%和按框架–抗震墻結構、框架-核心筒結構計算的框架部分各樓層地震剪力中最大值1.5倍二者的較小值。

    由于規范對第二道防線的強度已經進行了實質性的提高,因此,對于其延性要求進行適當放松,相對同等條件下的框架結構而言,該類體系中框架的抗震等級要稍低一些。

     

    (2)普通承重構件

    根據建筑抗震的冗余度理論,普通承重構件的抗震承載能力不計入建筑整體抗震能力,而是作為建筑抗震的安全儲備對待的。但是,由于普通承重構件承擔的豎向荷載較大,而且是建筑倒塌破壞前的最后一道防線,因此,基于生命安全的考慮,普通承重構件的抗震能力不宜太小。

    理論上,普通承重構件的抗震承載能力應考慮結構抗側力體系剛度退化的影響,即當抗側力體系的剛度退化到一定程度時,普通承重構件開始進入抗震工作狀態?!督ㄖ拐鹪O計規范》GB50011-2010關于底部框架-抗震墻砌體房屋中底部框架柱剪力設計值規定,框架剛度不折減,混凝土墻體剛度折減0.30,砌體抗震墻剛度折減0.20。根據顧祥林等人的研究,鋼筋混凝土梁開裂后和鋼筋屈服后的有效剛度分別為初始剛度的0.3~1.0倍和0.2~0.6倍,確切數值與梁的縱向配筋率有關,配筋率越大,數值越大,即配筋率越大,剛度退化越慢;鋼筋混凝土柱的抗彎剛度退化具有相似的規律。

    根據上述資料,建議普通承重構件的地震內力標準值按各結構構件的有效側向剛度比例分配確定;有效側向剛度的取值,普通承重構件不折減;抗側力體系可乘以折減系數0.60。當按上述方法確定的地震內力值大于結構整體計算分析數值的2.0倍時,普通承重構件的地震內力標準值按計算分析數值的2.0倍采用。


    本文基于建筑抗震冗余度的基本內涵

    從建筑結構布局和構件截面設計兩個方面

    對基于冗余度理論的建筑抗震設計方法進行了全面的論述


    本文研究的

    基于冗余度理論的建筑抗震設計方法

    是對現行規范的有益補充和完善

    可供工程設計人員和相關的科研工作者參考使用



    本文作者

    毋劍平

    研究員

    國家一級注冊結構工程師

    一級注冊建筑師

    羅開海

    研究員,工學博士,碩士生導師

    國家一級注冊結構工程師

    我國結構與抗震知名專家



    往期回顧:


    供   稿:

    建研設計院/毋劍平,羅開海

    編   輯:

    市場部資源推廣中心/孟鶴

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