非结构构件抗震性能目标和分析方法探讨

朱海华

1 概述

目前,世界各国的传统抗震设计理论大多数采用多级设计思想,结构在遇到破坏性地震时,允许出现一定的破坏,但主体不能倒塌。如我国采用的“小震不坏,中震可修,大震不倒”设计思想,确保生命安全。随着经济的发展以及社会化程度的提高,人们投资于非结构系统的费用逐渐提高并占有较大的比例,这些非结构部分的破坏直接影响着结构物的安全性和使用功能,会造成严重的财产损失以及运营中断等间接性的经济损失。这些附加的损失加重甚至显著超过了结构损失,给社会以及业主造成沉重的负担。基于结构性能的抗震设计理论认为非结构体系也是结构的一部分,其抗震性能也应满足性能目标水准的要求,体现在设计中就是非结构构件抗震性能在结构验算时应满足设计要求。

2 抗震性能目标

非结构构件抗震设计时,其抗震设防目标与主体结构体系不完全相同,但与三水准设防目标相协调:容许非结构构件的损坏程度略大于主体结构,但不得危及生命安全。

非结构构件的抗震设防分类,各国的抗震规范、标准有不同的规定。参照国际上的规定,我国新规范采用不同的计算系数和抗震措施来表征,把非结构构件的抗震设防目标大致分为高、中、低3个层次[1]。我国建设部(90)建抗字第377号文《建筑地震破坏等级划分标准》的有关规定如表1所示。

表1 建筑地震破坏等级划分表

非结构构件在地震作用下的损坏程度与变形特别是楼层的层间位移角有明显的对应关系,因此,对于采用变形要求作为不同性能指标的结构,可能得出抗震措施的初步定量关系。我国建筑幕墙设计规范中,对于玻璃幕墙平面内变形的性能也有具体的要求。但是更多的非结构构件的性能标准还只停留在定性的描述上。然而对于非结构构件,除了要有定性的损伤描述,更重要的是量化性能水准。文献[5]通过统计认为,当层间侧移角达到1/1 000时,非结构构件可能遭受损伤,这对确定弹性阶段层间位移角作为非结构构件的性能标准有一定的参考价值。采用层间位移角作为结构性能水准的评价指标,可以与我国新颁布的GB 50011-2001建筑结构抗震设计规范相联系。规范规定了各类结构的弹性层间位移角和弹塑性层间位移角,因此,采用层间位移角作为结构性能水准的评价指标可以建立在新规范的限值之上,不需要作很大的转换与计算,使用方便。

3 抗震性能分析方法

3.1 基于位移的分析方法

基于位移法是在抗震设计时定量分析[2],使构件的塑形变形能力满足预期的地震作用下的变形要求,与传统的基于承载力或强度的设计方法相比,这种方法首先确定非结构构件的目标位移,再根据目标位移进行数值迭代反求构件的屈服位移,反复迭代直到满足给定的精度。

3.2 能量分析方法

能量分析法是介于传统方法和基于位移方法之间的一种方法,基本思想是在非延性破坏模式和设计破坏模式之间确保合适的强度界限。也就是说,对构件在较大地震作用时产生的塑形变形能量耗散,通过控制其耗能能力来达到控制整个构件的抗震性能的目的。

3.3 简化方法

对于和结构单点或两点连接的非结构构件,可按如下简化方法进行抗震验算:

其中,Fpj为沿最不利方向作用于非结构构件上的j层重心的水平地震力标准值;Wpj为j层非结构构件重量;lj为连接点到构件重心的距离;Vp为构件所在楼层剪力;I为重要性系数;C为设计谱加速度;Wp为非结构构件总重;Cp为放大系数。

对于和两个或两个以上楼面连接的非结构构件,我们可以把它分割成多个和单个或两个楼面连接的子系统来分析。如图1所示,非结构构件分别与3层,4层和5层楼面相连,可以把它考虑成两个子构件,一个和3层,4层连接;另一个和4层,5层连接,再逐个进行分析。

4 结语

对于非结构构件,人们对此研究一直远远落后于对结构的研究。一方面,是由于非结构构件的种类繁多,力学模型难以建立,更难以建立一个系统的、量化的、与性能水准相一致的损伤标准;另一方面,它与结构的关系是相互的,且对结构的反应较敏感。因此,完善对非结构构件的地震反应分析并建立一套与结构性能水准相协调的性能标准将是在未来的地震中降低非结构构件的损失和实现基于建筑物性能设计的关键。

[1] GB 50011-2001,建筑结构抗震规范[S].

[2] 谢晓健,蒋永生,梁书亭.基于结构功能设计理论的发展综述[J].东南大学学报(自然科学版),2000(3):52-53.

[3] 杨 强.房屋非结构构件的抗震设计要点[J].煤炭工程,2003(8):18-19.

[4] 秦 权,李 瑛.非结构构件和设备的抗震设计楼面谱[J].清华大学学报(自然科学版),1997(12):88-89.

[5] School RE.Brace Dampers:An Alternative Structural System for Improveing Earthquake Performance of Buildings[J].San Francisco,2001,5(1):84.