我国中小学钢筋混凝土框架结构性能指标的量化

刘 派,史庆轩,孙 冲

(1.西安建筑科技大学,陕西西安710055;2.信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司,陕西西安710065)

0 引 言

2008年汶川“5.12”大地震是我国建国以来、继1976年唐山大地震后发生的又一次特大毁灭性地震,其中约有50万间房屋倒塌,造成了重大人员伤亡和数千亿元的经济损失。更令人触目惊心的是,中小学建筑竟成为倒塌最多的公共建筑。地震共造成了7 000间校舍倒塌,学生的死亡人数占总死亡人数的7%。中小学建筑的自身结构特点和使用特点突出,且量大面广,在社会生活中具有重要意义,很有必要将其作为一种特殊的建筑形式加以重视。国内外众多震例表明,采用科学合理的工程抗震设防措施是减轻地震灾害的有效途径。工程抗震设防是否有效取决于所选择的抗震设防标准,确定我国中小学建筑结构的抗震设防目标及不同性能水平的变形容许值是实现其有效抗震设防的前提和关键。

1 我国中小学建筑结构的地震作用水平和抗震设防目标

1.1 我国抗震规范的地震作用水平和4个地震作用水平的提出

我国自《建筑抗震设计规范》(GBJ11-89)起,便开始采用三水准设防目标,即“小震不坏、中震可修、大震不倒”中的“小震”、“中震”、“大震”三个水准,对“小震”、“中震”、“大震”的定义较为困难,目前的规定与国际上的通行做法大致相同,即小震为多遇地震,50 a超越概率为63.2%,重现期50 a;中震为基本地震,50 a超越概率为10%,重现期475 a;大震为罕遇地震,50 a超越概率为 2%～3%,重现期为1 642 a～2 475 a,其中基本地震是抗震设防的依据,现行规范小震和大震的地震动参数都以“中震”烈度为基准取值,基本烈度取“Ⅰ”时,人为约定“小震”为Ⅰ-1.55度,“大震”为Ⅰ +1度。这种取值主要是为了工程设计上的方便,严格来说三个水准中只有“中震”在全国具有统一的可靠度。

上述设防水准已经在我国实行了20 a,为我国的经济建设和社会发展做出了很大贡献,也得到了广大工程技术人员的普遍认可。但分析我国抗震规范中的地震水平可以发现,从小震到大震,50 a得超越概率相差较大,为了满足结构在地震作用下具有不同的抗震性能,笔者建议在小震和中震之间增加一个地震作用水平——中小震。1996年美国联邦紧急事务管理署的建议书FEMA273、274曾提出4个地震作用水平,重现期分别为43 a、72 a、475 a和970 a。考虑到各国地震背景不同和目前我国的经济水平,本文认为中小震的重现期可设定为110 a,其超越概率PT可由公式(1)计算[1]:

式中:PT为T年内烈度超过某给定烈度的超越概率,T为设计基准期,RP为重现期,取RP为110 a,则中小震的超越概率PT约为37%。结合现行规范得到4个地震水平,见表1。

表1 4个地震作用水平

1.2 补充“中震可修”性能水准后的四水准设防

结构的抗震性能水平是指建筑物在某一特定地震作用水平下预期达到的最大破坏程度,包括结构和非结构构件的破坏。

由我国三水准、两阶段的设计过程来看,我国规范只给出了小震下的弹性变形限值和大震下的弹塑性变形限值,这保证了小震作用下结构的完好,以及大震作用下的人身安全。但对于“中震可修”,我国规范只给出了定性的描述,即当遭受相当于本地区设防烈度的地震影响时,可能损坏,经一般修理或不需修理仍可继续使用。这样的描述在实际设计中很难得到体现,于是造成了按照现行抗震设计规范设计的结构在“中震”作用下的性能很不明确,不能实现“中震可修”这个性能水准的情况。由于我国地震烈度区域规划是根据常遇地震进行划分的,所以在设防烈度下各地区才能具有统一的概率保证[2],故明确“中震”下的性能水准具有重要意义。

“可修”指结构进入非弹性工作阶段,但此时非弹性变形对于结构体系的损害控制在可修复的范围内。仅从结构修复的可能性考虑,只要结构没有发生倒塌,结构就可能被修复。

想得到一个“中震可修”的明确限值,不能仅从结构安全角度考虑,社会经济效益也是一个决定因素。单从结构安全角度讲,“中震不坏”甚至“大震不坏”对社会来讲更有利,但“中震”和“大震”出现概率较小,大部分时间内建筑物抵抗的是“小震”,如果过于保守的考虑安全,则会造成建设投资的极大浪费。从经济角度分析,当结构刚开始进入非弹性工作阶段时,可认为此时非弹性变形对结构体系的损害较小,其修复费用在经济上也完全可以接受。随着地震作用继续结构非弹性变形程度不断加深,此时认为结构损伤较刚进入非弹性工作阶段有所发展,但结构依然可以通过修复而完全恢复到原有的性能水平上,并且此时的修复费用在经济上也是可接受的。当损伤继续发展,虽未使结构整体完全进入到弹塑性阶段,从理论上讲结构依然可以通过修复达到原有的性能水平,但维修费用已经达到了重建费用的一定比例,而这种比例是经济上不能接受的,人们宁可选择重建。

在基于性能的抗震设计理论得到普遍认可和大力发展的今天,建筑物的震后修复和加固技术愈发成熟,这为实现基于性能的抗震设计提供了可行性依据。为了便于地震后结构的修复和加固的实施,有必要将结构中震作用下的性能水平进一步细化,划分经济效益和结构安全双重标准下的“可修”状态,即轻微损坏和中等破坏两个性能水平。因此,本文将结构的性能水平划分为四档。见表2。

表2 补充“中震可修”性能水准后的三水准设防

1.3 我国中小学建筑结构的抗震设防标准

中小学建筑在地震作用下普遍受害严重,故可以认为其属于抗震性能较为不利的一类结构形式。从它的社会意义角度考虑,学校建筑的主要使用者是社会中的弱势群体,即儿童和青少年,使用中人员相对密集不易疏散;另外,学校建筑的大空间大开洞正好可以为地震后无家可归的人群提供一个容纳量大且通风良好的生存环境,学校配置的食堂、厕所等服务设施可以满足避难人群的基本生活需求;停车场、操场都为抗震救灾提供了必要的室外开阔空间。所以中小学校满足作为灾后重建长期避难场所应具备的多个客观条件。由此可见,中小学建筑一旦在地震中遭到严重破坏甚至倒塌,势必给中小学生和普通民众的震中避险和震后救援造成极大的伤害和损失。在新出台的《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223—2008)[3]中将建筑物的抗震设防类别划分为特殊、重点、标准、适度设防四类,并规定“幼儿园、小学、中学的教学用房以及学生宿舍和食堂,抗震设防类别应不低于重点设防类”。可将中小学混凝土框架结构4个性能水准下的结构表现的宏观描述列入下表。见表3。

表3 中小学RC框架结构各性能水平及宏观描述

2 中小学钢筋混凝土框架结构性能指标的量化

目前,国内外完成了大量的钢筋混凝土结构和构件的抗震性能实验,可以参考现有实验数据资料,统计分析出中小学混凝土结构4个性能水平的量化指标。

2.1 结构抗震性能评价指标的选用

通过分析结构变形与损伤的关系可知,建筑结构的行为水准与结构变形的关系比其与受力的关系更加密切。在地震作用下,结构构件可以在相对较小的位移下就发生以混凝土开裂和钢筋屈服为表现的损伤,整个结构的损伤可以认为是由弯曲塑性铰而引起的,损伤的范围取决于塑性铰变形的大小,而塑性铰的变形恰恰与位移相关。由此可见,使用与位移相关的量来判断结构的损伤和抗震性能水平是一种较为合适的做法。钢筋混凝土框架结构的层间位移角是楼层梁、柱、节点弹塑性变形的综合结果,影响它的因素如梁柱相对强弱关系、轴压比、剪跨比、配筋率等同时也是影响结构和构件延性的因素,所以可以通过层间位移角了解结构的层间位移延性、结构位移延性等性能。考虑到我国在《建筑结构抗震设计规范》(GB50011-2001)[4]中就开始采用层间位移角作为结构性能水准的评价指标,为了保持对我国规范的继承性,本文亦采用层间位移角作为量化指标。

2.2 中小学钢筋混凝土框架结构的层间位移角限值

本文认为,延续使用我国抗震规范中的1/550和1/50作为中小学钢筋混凝土框架结构“小震”下的弹性层间位移角限值和“大震”下的弹塑性层间位移角限值是合理的,这里主要对“暂时使用”和“修复后使用”两个性能水平下层间位移角限值进行讨论。

2.2.1 “暂时使用”性能水平的层间位移角限值

处于暂时使用性能水平下,整个建筑中非结构构件产生一定程度的损伤,但这种损伤不能影响主体结构和室内物品的基本使用。同时部分结构构件也发生轻微损伤,如梁柱开裂等,但此时没有构件发生屈服,框架仍认为处于带裂缝的近似弹性工作状态,其发生的破坏完全可以修复,并且这种修复在时间和经济上都是可以接受的。

目前国内外对结构在地震作用下暂时使用状态的变形试验研究较少。在框架结构的主要结构构件中,柱子承受着弯剪压复合作用,其变形能力较另一种主要构件梁来讲更差,可以认为,柱的弹塑性变形能力实际上决定了框架结构抗震性能的好坏。文献[5]中通过对大量填充墙框架进行试验研究统计分析得出,柱子初裂时的层间位移角:开洞填充墙框架为1/395,无开洞填充墙框架为1/704;文献[6]中对轴压比范围为0.433～0.557的12根钢筋混凝土柱的抗震性能进行研究发现,对应柱子开裂时的层间位移角范围为1/437～1/210;文献[7]参照有关填充墙的框架试验结果得出,框架柱发生初裂的平均位移角为1/400。建筑抗震加固技术规程和建筑抗震鉴定标准对暂时使用状态进行修复的层间位移角限值取1/400。可见,我国的加固规程和鉴定标准中采用了现有相关研究和试验数据参考值中的上限。对于中小学RC框架结构暂时使用性能水平层间位移角的取值,首先考虑框架结构的层间位移是梁、柱、节点等构件变形的综合结果,因此结构的层间位移角的限值要大于柱端位移角限值;其次中小学建筑结构本身具有的大开间,大开洞,墙片面积小且间隔较大等特点决定了其整体结构刚度小,并根据《城市普通中小学校校舍建设标准》的规定,中学建筑层高要求不小于3.8 m,小学建筑层高要求不小于3.6 m[8],故中小学框架较一般框架结构层高更大,更突显了其柔性结构体系剪切变形的特征,故本文建议暂时使用性能水平下中小学钢筋混凝土框架结构的层间位移角限值采用较我国相关规定略大的1/380。

2.2.2 “修复后使用”性能水平的层间位移角限值

处于修复后使用性能水平下的建筑物,可认为已经正式进入弹塑性工作阶段,非结构构件的破坏较为严重,结构构件表面破坏明显,构件中某些纵筋达到屈服。此时结构只有经过修复才能保证其功能上的连续性。虽然修复成本较暂时使用性能水平时有所提高,但在经济上和时间上依然是可以接受的。此性能阶段的位移限值可通过损伤判断构件的应力水平进行控制。

文献[9]认为,在RC框架结构中,当墙面裂缝连通时,填充墙框架梁柱的某些界面可能已经达到屈服;文献[10]认为对应结构修复后使用的层间位移角应接近结构或构件发生屈服时的层间位移角;文献[5]通过试验研究统计得出钢筋混凝土框架填充墙贯通时的层间位移角均值为1/373～1/232;文献[11]中搜集了我国钢筋混凝土柱试验,钢筋混凝土框架试验共147个数据进行统计分析得到屈服层间位移角限值为1/350～1/150,其中1/270～1/220的保证率为77.2%～85.4%。并将PEER的68根矩形截面钢筋混凝土柱试验资料补充进国内数据一起进行统计分析,得到的屈服层间位移角限值与国内结果相差不大,当层间位移角限值为 1/270～1/220时,保证率为 75.7%～ 85.4%;文献[12]认为结构在最高荷载点附近,刚度会发生骤退,此时结构已经处于不可修的状态,故可将最高荷载点时的层间位移角限值作为可修状态的参考点值,并同时选用国内15榀框架拟静力试验得到的26组层间位移角实测数据和国内外126个框架柱的抗震试验数据进行统计分析得到,框架最高荷载点层间位移角的范围为1/110～1/40,框架柱最高荷载点位移角的变化范围是1/271～1/40;文献[13]在分析了结构层间位移与结构损伤以及刚度退化之间的关系后确定以结构刚度退化率为50%时的层间位移角1/150作为中震可修的标准。

考虑框架结构的层间位移变形时由框架梁的弯曲和剪切变形,框架柱的弯曲和剪切变形以及节点的剪切变形等几部分组成,所以框架结构的层间位移角往往要大于柱端位移角。另外当结构刚度在最高荷载点发生骤退时,结构理论上可以修复到原有性能水平,但修复费用已经达到了重建费用的一定比例,这种比例是经济上无法接受的,人们宁可选择重建。所以应取距最高荷载点尚有一段距离的状态点作为取值参考点。

值得注意的是,确定修复后使用这一性能水平下的层间位移角限值不仅要考虑结构本身的性能表现,更要考虑社会、经济等其他因素。中小学建筑作为一种量大面广的公共建筑,维护其在地震后使用功能的完整性和连续性已经不仅关系到中小学生及教师员工的切身安全和利益,更关乎许多受灾民众的震后避难问题。综合以上诸多因素,本文认为对于我国的一般钢筋混凝土框架结构,其修复后使用性能水平的层间位移角限值可取1/200,但对于中小学建筑结构,可将这一限值调整到1/220这样一个相对更高的水平上,在条件允许的情况下,尽量对其进行加固修复,使其使用功能得到最大发挥,安全可靠度得到有效保障。

3 结 语

本文针对我国现行抗震规范“中震可修”水准上没有给出具体量化指标的现状,进一步细化了中小学建筑结构在中震下的性能目标。在分析国内外钢筋混凝土柱、框架试验数据的基础上,对中小学建筑结构在地震作用下处于暂时使用和修复后使用的性能水平下的指标进行了量化,得到中小学混凝土框架结构在正常使用、暂时使用、修复后使用和生命安全时的层间位移角限值分别为1/550、1/380、1/220、1/50。

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