设防地震下基于正常使用的建筑抗震设计方法探讨

陈云 孙飞飞 胡大柱

（1.同济大学土木工程学院，上海 200433； 2.上海蓝科建筑减震科技股份有限公司，上海 200433；3.上海应用技术大学城市建设与安全工程学院，上海 201418）

0 引 言

《建设工程抗震管理条例》（第744号国务院令）（下文简称《条例》）中指出：“位于高烈度设防地区、地震重点监视防御区的新建学校、幼儿园、医院、养老机构、儿童福利机构、应急指挥中心、应急避难场所、广播电视等建筑应当按照国家有关规定采用隔震减震等技术，保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求。”

减震和隔震技术可有效降低地震作用，从而保护主体结构［1-2］，在日本、美国以及我国台湾地区得到的广泛应用。自汶川地震以来，减隔震技术在我国也到了快速发展，该《条例》的颁布进一步推动了减隔震技术在我国的应用发展。

以往进行结构设计时，更多关注的是结构构件的承载力，而对非结构构件以及设备性能的关注较少。近年来地震中由于非结构构件的破坏导致较大的经济损伤和人员伤亡［3-4］。医院作为震后救死扶伤的关键场所，一旦地震时医疗设备和非结构构件发生较为严重的损坏，会导致医疗功能中断，影响医院发挥医疗救治的功能［5］。在保证人民生命安全的前提下，维持建筑结构的功能以及实现震后建筑功能的快速恢复将是未来我国抗震领域一个重要课题［6］。为进一步提高我国防震救灾的综合能力，《条例》对重要建筑提出了满足设防地震下正常使用的严格要求。“正常使用”的要求在我国规范体系中可能是第一次出现，给广大的设计人员带来一定的困惑，基于此笔者查阅了日本相关设计方法以及国内外的资料，为设计人员提供借鉴，同时结合现有资料，提出一套设计方法，以供参考。

1 中国和日本设防水准对比

日本是地震多发国家，其抗震设计水平较为先进，多次地震中人员伤亡和损失相对较小，为此查阅了日本相关的设计案例。为方便了解日本的设计理念，将中日的地震作用、重现期、设计方法等进行对比，见表1。

表1 中日设防水准对比Table 1 Comparison of seismic design standards between China and Japan

由表1可知，中、日项目一般采用两阶段的设计方法，从反应谱值或地面运动峰值的角度看，日本第一水准略高于我国8度区多遇地震，第二阶段与8度区罕遇地震持平，从重现期角度看，第2水准与我国设防地震相当，从地震作用对应的抗震性能来看，第一水准相当于我国多遇地震水平，第二水准相当于我国的罕遇地震水平［7］。

2 日本性能目标案例

2.1 案例一

文献［7］指出1998年的《建筑基准法部分修订法案大纲》将建筑基准法体系向性能化方向转变。性能目标应针对不同的建筑类别给出各个设计水准下的具体要求。确定建筑类别时应综合考虑建筑用途、建筑功能的重要性、建筑损伤后加固补强及其功能中断带来的经济损失、作为历史文化遗产的潜在重要性等各方面因素。性能目标规定了建筑在某一等级设计地震动或设计风荷载作用下的预期损伤程度，其中不但要考虑结构构件和非结构构件，还要考虑电力、燃气等设施。根据结构的重要性将建筑的性能从高到低分为S、A、B和C等四类，性能目标要求逐渐降低，S类为建筑功能不中断，A类为建筑主要功能基本不中断，与我国所要求的正常使用要求比较接近，S和A类抗震设计准则见表2。

表2 S、A两个等级损伤控制结构的抗震设计准则［7］Table 2 Seismic design criteria for structures with S and A damage control levels

2.2 案例二

文献［9］中出给了郡山站西口再开发项目的性能目标，见表3。

表3 抗震设计目标值Table 3 Seismic design target values

2011年东日本地震中，该建筑的地表加速度达到1 069 cm/s2，但主体结构丝毫无损。根据地震时位于第5层的累积位移测定装置的记录以及输入记录波的时程分析结果得到：5层滞回型阻尼器的屈服位移为4.2 mm，该层经历的最大变形x方向约为9 mm、y方向约为16 mm，残余变形几乎为零，地震后可继续使用。

另外书中也提到内装修材料、外墙等非结构构件的损伤与位移角之间的关系，见图1。由图1可知，当位移角大于1/200时，非结构构件开始开裂；当位移角大于1/100时，会产生较大损伤或脱落。

图1 地震下位移角和内装修材料限值Fig.1 Limits for displacement angles and interior finish materials under earthquakes

2.3 案例三

文献［10］指出在设计以控制或风引起的振动反应为目的的被动减震结构时，应考虑频率和建筑物的使用年限，确保两个阶段的地震输入水准并对每个阶段设定需求性能。建筑物在水准1输入下不出现损伤并能维持功能，性能目标见表4。

表4 地震外部扰动水准和减震目标性能的实例Table 4 Examples of seismic external disturbance levels and seismic mitigation target performance

综上所述日本抗震设计时在水准一作用下的性能目标为：①位移角的限值对于主要功能不中断的建筑为1/250，功能不中断的建筑为1/300；②结构损伤控制目标是在弹塑性时程分析下构件保持弹性（不出现塑性铰）；③主要功能不中断的建筑和功能不中断的建筑并未对加速度提出相应控制要求，加速度的限值可参考5 m/s2。

3 建筑正常使用设计方法

从日本的相关研究以及《条例》的要求可知，正常使用对我们建筑的抗震设计提出了一个新的要求，不仅局限于结构构件性能，同时也要兼顾非结构构件以及相关设备的使用要求。若要达到上述要求则需控制位移角、加速度以及构件损伤等三个指标。

3.1 位移角控制

3.1.1 非结构构件

文献［11］以填充墙与框架之间的连接方式、砌块类型、柔性连接材料以及砂浆强度为变量，开展了7榀1/2缩尺填充墙RC框架试件的低周反复加载试验，试验结果表明：当隔墙采用刚性连接时，烧结页岩多孔砖和烧结页岩多孔砖作为填充材料时的隔墙产生裂纹的位移角分别对应1/500和1/300；当隔墙采用柔性连接时，在加载位移角1/300之前未产生可观测的裂纹，位移角达到1/200时，梁柱端部开始出现细微弯曲裂纹，墙体与柔性材料之间产生局部脱离裂缝。

文献［12］对5榀不同形式填充墙框架进行了低周反复试验，研究了不同连接形式及材料对框架破坏机制和抗震性能的影响，分析表明，刚性连接时隔墙产生较大墙缝所对应的位移角是1/693，而柔性连接形式所对应的位移角为1/195。

文献［13］为研究幕墙的抗震性能，进行了1∶1的外挂幕墙的框架结构的振动台试验，分析表明，当位移角达到1/102时，幕墙仅出现面板轻微滑移现象。

文献［14-15］给出了幕墙单元的层间位移角限值，见表5。

表5 中震下幕墙层间位移角限值Table 5 Limits of interlayer displacement angle of curtain wall under moderate earthquake

3.1.2 主体结构构件

结构设计时，层间位移角是一个关键因素，各国及地区取值不同。笔者汇总了我国不同规范和日本的位移角取值，见表6。

表6 我国不同规范和日本的层间位移角取值Table 6 Inter-story displacement limits in different codes of China and Japan

由表6可知，不同规范对位移角的要求相差较大，为进一步分析位移角与结构损伤的关系，笔者从结构屈服的角度进行了一些算例分析。选取了12栋混凝土框架、12栋钢结构框架以及7栋框架剪力墙结构进行PUSHOVER分析，分析时考虑了梁、柱、墙的非线性本构。通过获得的荷载位移曲线，采用能量等效法获取整个结构屈服时结构的侧移角（结构整体位移/结构总高度），见图2和图3，计算结果见图4。

图2 加载模式Fig.2 Loading mode

图3 屈服位移确定方法示意图Fig.3 Schematic diagram of the determination of yield displacement

图4 不同结构形式结构屈服位移角分布图Fig.4 Distribution of yield displacement angle of different structural forms

由图4可知：12栋混凝土框架结构屈服时的侧移角在X和Y方向平均值分别是1/304和1/293，位移角分布集中在1/250～1/350间；12栋钢结构屈服时的位移角在X和Y方向平均值分别是1/148和1/137，位移角分布集中在1/100～1/150；7栋混凝土框剪结构屈服时的位移角在X和Y方向平均值分别是1/427和1/467，位移角分布集中在1/400～1/500。

综上所述，为满足正常使用的要求，结构隔墙建议采用柔性连接，由于结构的层间位移角会大于侧移角，在满足非结构和结构构件的使用要求时，混凝土框架层间位移角限值可取为1/300，钢框架可为1/150，框架-剪力墙结构可为1/450。

3.2 加速度控制

文献［13］通过采用1∶1比例的钢筋混凝土外挂幕墙的振动台试验，研究了幕墙的抗震性能。试验结果表明当最大加速度达到1.5g，位移角达到1/102时，幕墙仅有轻微滑移现象。文献［16］采用ABAQUS建立子结构数值模型，真实考虑了主次龙骨、悬吊线和吊杆直接的关系，模型平面尺寸1 200 mm×1 350 mm，吊顶板平面尺寸为594 mm×594 mm，悬吊高度900 mm，吊杆直径8 mm。研究发现当PGA在0.8～1.5g范围内时，地震动对吊顶子结构的破坏程度有较大影响，会改变最终损伤状态。当PGA不在上述范围内时，影响有限。文献［17］给出了适用于常规住宅、办公楼等民用或商业建筑中不同形式吊顶在不同损失状态等级对应的PGA中位值在（0.56～1.47）g。文献［14］指出根据对高层建筑模型试验成果的分析和现行规范［15，18-19］的规定，幕墙最大加速度峰值可依据其峰值与规范中地面加速度峰值的5倍进行比较。文献［20］对单层单跨的钢框架进行了振动台试验，通过试验结果给出了典型医疗设备地震易损性参数，三角和圆盘输液架倾覆或残余位移大于300 mm的加速度限值分别为0.16g和0.14g，五脚架有、无输液架倾覆或残余位移大于300 mm的加速度限值分别为0.44g和0.59g；水泥地面药柜a、b、c中药品倾覆的加速度限值分别为0.38、0.38、0.51；地板砖地面药柜a、c中药品倾覆的加速度限值分别为0.37、0.47；简易抢救车在水泥地面刹车放松或锁死时滑移距离超过0.5 m的加速度限值分别为0.46、0.46；多功能抢救车在水泥地面刹车放松或锁死时滑移距离超过0.5 m的加速度限值分别为0.483、0.80；多功能抢救车在地面砖地面刹车放松或锁死时滑移距离超过0.5 m的加速度限值分别为0.85、0.67；医用病床在水泥地面刹车放松或锁死时滑移距离超过0.5 m的加速度限值分别为0.42、1.78；医用病床在地面砖地面刹车锁死时滑移距离超过0.5 m的加速度限值分别为1.48。文献［21-22］给出了输液架易损曲线，如图5所示，由图可知，当楼面加速度低于0.5g时，输液架发生损坏的超越概率低于5%，文献［23］药柜内部药品倾覆易损性参数，对应的楼面加速度为0.65g。

图5 输液架易损性曲线Fig.5 Vulnerability curve of infusion pole

综上所述，对于吊顶和幕墙的加速度限值可取为0.56g，对于具有重要医疗功能的如门诊、医技楼可取为0.36，其他医院建筑可取为0.45。

3.3 主体结构损伤控制

地震不可避免也不可预测，更不可控制，结构设计的目的是保证建筑的安全，然而在现实中这些目标并不一定都能实现，也没有必要全部都实现［24］。考虑到塑性铰模型是基于全截面屈服，而纤维模型是根据实际钢筋（钢材）或混凝土的实际分布进行划分，可能会出现边缘屈服，因而采用纤维模型允许少量构件的钢筋发生一定的塑性变形，同时考虑到“强柱弱梁”的影响，梁的要求适当低于竖向构件，另外连梁作为一种耗能构件，因而允许其出现一定程度的损伤，基于上述原因，结合文献［25］的相关要求，提出结构构件损伤控制指标，见表7和表8。

表7 主结构损伤控制要求Table 7 Requirements for damage control of main structures

表8 损伤控制对应标准［25］Table 8 Corresponding standards for damage control

3.4 设计流程

结合我国采用“三水准，两阶段”的设计方法，以及前文的控制指标，提出了设防地震下正常使用建筑的设计流程，见图6。

图6 设计流程图Fig.6 Design flow chart

4 案例分析

该项目位于上海市，建筑功能为康养项目，结构体系为混凝土框架，结构高度为48.6 m，地下1层，地上14层，标准层高为3.6 m，标准层平面如图7（a）所示，图7（a）中X向（纵向）长度57.6 m，Y向（横向）长度14.9 m，整体结构较为规则，三维示意图如图7（b）所示。结构设防类别为乙类，设防烈度为7度，地震分组为第二组，场地类别为Ⅳ类，特征周期为0.9 s。为满足结构正常使用的要求，该工程采用黏滞阻尼器，其平面布置如图7（a）所示，阻尼器参数如表9所示。

图7 结构平面和三维示意图Fig.7 Floor plane and three-dimensional schematic diagram of structure

表9 阻尼器力学参数表Table 9 Mechanical parameters of damper

选取了7条地震波，对结构进行设防地震下的弹塑性时程分析，提取了位移角、加速度和结构损伤三项指标，计算结果分别见图8—图11。

图8 7条波平均位移角Fig.8 Average displacement angle of seven waves

图9 7条波平均楼层加速度Fig.9 Average floor acceleration of seven waves

图10 结构塑性铰发展情况Fig.10 Development of structural plastic hinges

图11 钢筋应变与屈服应变的比值情况Fig.11 The ratio of reinforcement strain to yield strain

由图8～图11可知，结构位移角平均值小于1/300，加速度小于0.56g，结构未出现塑性铰，钢筋应变与屈服应变的比值小于1。以上结果表明，位移角、加速度以及构件损伤均可满足预定的目标，且有较大的安全储备，满足建筑正常使用的要求。

5 结论和展望

通过本文的研究，可以得到以下主要结论：

（1） 通过对比日本性能化设计方法以及关于非结构构件、设备损伤判别标准的相关文献，提出了正常使用的设计方法及其流程。

（2） 结构设计时，建议隔墙采用柔性连接，设防地震下，减震构件进入塑性，建议分析时采用弹塑性时程分析方法。

（3） 为满足正常使用的要求，混凝土框架、框架-剪力墙以及钢框架等结构体系对应的层间位移角可分别取为1/300，1/450和1/150；建议根据构件或设备类型合理选取不同的加速度控制指标；主体结构建议的性能目标为竖向构件基本无损伤，少量水平构件可进入有限塑性。

（4） 建筑正常使用需建筑、结构、设备、暖通等各个专业相互配合，根据建筑特点选取配套的构造做法、设备类型，并根据楼层功能制定控制指标。

本文介绍了日本考虑建筑功能不中断的设计方法和控制指标，通过查阅文献，分析了影响控制隔墙、吊顶、幕墙以及医疗设备等使用的关键参数及控制指标。由于水平有限、查阅到的文献数量有限以及工程自身的复杂多样性，对于文中提到的控制参数后续仍需研究以及试验验证，尤其是设备控制指标，文中仅列举了部分设备，实际工程中设备种类繁多，特性各异，难以以一概全，后续需加强该方面的研究。