基于性能的钢筋混凝土框架校舍抗震鉴定方法及应用

郭樟根，赵　磊，李悯粟，孙伟民

(南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京　210000)



基于性能的钢筋混凝土框架校舍抗震鉴定方法及应用

郭樟根，赵磊，李悯粟，孙伟民

(南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京210000)

摘要：基于性能抗震设计可使所设计的结构能将各种可能遇到的地震作用下的反应和损伤状态控制在设计预期要求的范围内.将基于性能抗震设计的理论引入抗震鉴定工作中，提出基于性能的抗震鉴定方法，选取结构的层间位移角和塑性铰转角作为评估指标，制定结构的性能目标.对一框架校舍采用弹塑性时程分析方法，进行抗震鉴定.结果表明，相比两级鉴定方法，该方法可以更全面反映结构在地震中的性能表现，全面评价结构的抗震性能，其鉴定结果更接近真实情况.

关键词：钢筋混凝土框架；性能抗震鉴定；弹塑性时程分析

钢筋混凝土框架结构因其平面布置灵活、造价低廉，被广泛用于中、小学校舍.但我国大量现有的建造年代较早的框架校舍未考虑抗震设防或其抗震设防标准较低，抗震性能不满足现行规范要求，地震中极易遭到破坏.2008年汶川特大地震中，许多中小学建筑遭到严重破坏甚至倒塌，造成了巨大的经济损失和人员伤亡，社会影响极大[1].因此，对我国既有中小学校舍进行抗震鉴定，对不满足抗震要求的建筑进行加固，才是避免悲剧重演的有效行为.

我国现行的GB 50023—2009《建筑抗震鉴定标准》采用两级鉴定方法评价多层钢筋混凝土框架结构.这种方法在很多方面仍然停留在定性判断的层面上，对各水准地震作用下结构的内力和变形、结构的薄弱部位、塑性铰出现的部位及出现顺序、最终的破坏模式等无法进行全面的预测，事实上很多即使满足现行两级鉴定的各项要求的建筑物在地震中也遭到了破坏.

基于性能抗震设计[2]可使所设计的结构能将各种可能遇到的地震作用下的反应和损伤状态控制在设计预期要求的范围内.该方法不仅要求结构在强烈地震作用下不能倒塌，以保证生命安全，而且要使结构在各水准地震作用下的经济损失最小.当前，基于性能抗震设计方法是国内外科研人员研究重点，且已在工程设计中得到了大量应用.为了弥补现行抗震鉴定方法的不足，本研究将基于性能的抗震设计方法引入现有中小学校舍的抗震鉴定，提出了基于性能的抗震鉴定方法，选取结构的层间位移角和塑性铰转角作为评估指标，制定了结构的性能目标，并对一框架校舍采用弹塑性时程分析的方法，进行了建筑物基于性能的抗震鉴定，全面评价结构在各水准地震作用下的抗震性能，以求指导后续的加固工作.

1基于性能的中小学RC框架校舍抗震鉴定方法

基于性能的抗震鉴定应首先分析不同水准地震作用下结构的动力反应，在此基础上全面评价结构的抗震性能，评估结构的整体受力性能是否满足规范要求.其基本思路是：1)确定结构的评估指标、性能水准、性能目标；2)分析结构在不同水准地震作用下的位移、速度等动力反应；3)在此基础上，对结构进行抗震性能鉴定.

确定结构的性能目标是对结构进行基于性能的抗震鉴定的基础,确定性能目标时应考虑到社会的经济技术水平、建筑的使用功能、抗震设防烈度、场地条件、抗震设防类别以及结构类型.

通过弹塑性计算分析可以得到不同地震作用下结构的反应，进而可以分析不同地震作用下结构的性能水平.常用的分析方法有静力弹塑性分析方法和弹塑性动力时程分析方法.

1.1结构的评估指标

力、位移和能量[3]是3种比较常用的量化结构性能的物理指标.研究表明，截面的变形、极限应变与结构的损伤状态密切相关.截面的变形通过转化为位移的形式来控制结构的损伤程度，故而选取结构的层间位移角和构件的塑性铰转角作为评估指标.

1.2结构的性能水准

性能水准是指在遭遇特定设防地震作用时，所设计的建筑物出现的在规定范围内的最大容许破坏或容许的极限破坏.对结构进行基于性能的抗震评估必须先确定相应的性能水准，就目前而言，各国对性能水准的划分尚未统一.

FEMA273中规定的结构性能水准包括可继续使用(S-1)、生命安全(S-3)、防止倒塌(S-5)这3个离散的结构性能水准，另有控制破坏程度(S-2)：介于S-1和S-3之间的性能水准和安全极限(S-4)：介于S-3和S-5之间的性能水准[4]；国际结构混凝土联合会( 简称FIB) 结合各国划分的标准，提出了损伤出现、正常运作、能继续居住、可修复、生命安全和预防倒塌6个性能水准[5-7].

参考上述文献及我国现行的GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[8]，将钢筋混凝土框架结构校舍的性能水准分为5档，各性能水准的定义与描述如表1 所示.

表1　结构的性能水准

1.3结构的性能目标

性能目标是指所考察的建筑物在每一个设计地震水平下所要求达到的性能水准的总和，即性能目标是地震设防水准和结构性能水准的组合，因而应考虑建筑物的使用要求、功能要求、经济条件要求等其他因素后综合确定.参考规范中关于建筑性能化抗震设计的相关内容，给出结构性能目标，如表2所示.

表2　结构的性能目标

2工程应用

2.1工程概况

本工程为南京市浦口区某中学宿舍楼，建于2003年.房屋总长为29.6 m，总宽为9.6 m，主体结构共5层，层高均为3.2 m(宿舍楼被伸缩缝分为A、B两部分，这里只研究B部分).房屋B部分的标准层平面如图1所示.

该宿舍楼为钢筋混凝土框架结构体系，原为丙类建筑，抗震设防烈度为7度(0.1 g)，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类.A、D轴线柱截面为300 mm×400 mm，B、C轴线柱截面为350 mm×400 mm，A～D轴线梁截面为250 mm×500 mm，1～9轴线梁截面为250 mm×550 mm，各层梁柱截面尺寸相同.

图1　宿舍楼标准层平面图(单位：mm)

2.2基于弹塑性时程分析的抗震鉴定

2.2.1分析模型及地震波选取

采用SAP2000进行建模分析.框架梁、柱均采用三维梁单元模拟，单元尺寸由程序自动划分.楼板采用壳单元模拟，单元尺寸为500 mm×500 mm.对框架梁，考虑弯曲铰；对框架柱，考虑由轴力和双向弯曲耦合的塑性铰.分析程序指定构件的截面尺寸、混凝土强度等级、钢筋强度等级及数量，通过分析得到各塑性铰的属性.结构分析模型如图2所示.

本工程场地特征周期Tg=0.45 s，抗震设防烈度为7度(0.10 g)，阻尼比为0.05.对比GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》反应谱与ATC-40建议的反应谱，可以确定多遇地震时地震系数CA=0.032,CV=0.036；设防地震时地震系数CA=0.092,CV=0.104；罕遇地震时地震系数CA=0.2,CV=0.225.

图2　结构分析模型

参照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中关于时程分析的相关规定，这里选取了适用于Ⅲ类场地的2组实际强震记录和1组人工模拟的加速度时程曲线：1971年San Fernando地震记录，PGA=207 gal；1994年Northridge地震记录(东西向)，PGA=120 gal；根据工程场地条件生成的人工波，PGA=114 gal.

2.2.2抗震性能分析

1)层间位移角.为了方便，选取3条地震记录作用下层间位移角的平均值对结构的抗震性能进行评估.结构底层在多遇地震作用下，X向的最大层间位移角平均值为0.001 23；设防地震作用下，X向的最大层间位移角平均值为0.003 48；罕遇地震作用下，X向的最大层间位移角平均值为0.007 15.

2)塑性铰发展情况.在多遇地震作用下，梁柱基本保持弹性，均未出现塑性铰；在设防地震作用下，2层楼面个别梁端出现塑性铰；在罕遇地震作用下，2、3、4层楼面梁相继出铰，随后，结构底层大多数柱的根部出现塑性铰.罕遇地震作用下结构的塑性铰分布如图3所示.

3)结构抗震性能评价.在多遇地震作用下，结构X向的最不利层间位移角为0.001 16，小于[Δuε]，结构基本完好；设防地震作用下，结构X向的最不利层间位移角为0.003 19，结构轻微损坏；罕遇地震作用下，结构X向的最不利层间位移角为0.006 71，结构中等破坏.根据表2，宿舍楼的抗震性能达到性能目标3的要求.

图3　罕遇地震作用下结构的塑性铰分布

在罕遇地震作用下，结构的塑性铰分布如图3所示,2、3层楼面的梁端全部出现塑性铰，底层部分柱根也出现了塑性铰，不会引起结构的局部倒塌或整体倒塌.

X向罕遇地震作用时，2、3层楼面梁相继出现塑性铰，随后结构底层大部分柱根部出现塑性铰.结构基本符合“强柱弱梁”的要求.

综上所述，该综合楼在多遇地震作用下基本保持弹性；在设防地震作用下，结构轻微损坏，简单修理后即可继续使用；在罕遇地震作用下，最大层间位移角接近4[Δuε]，结构中等破坏至接近严重破坏，需要大修后才可以继续使用.

3结论

为了弥补现行抗震鉴定方法的不足，本文将基于性能的抗震设计方法引入现有中小学校舍的抗震鉴定，提出了基于性能的抗震鉴定方法，得到了以下主要结论：

1)基于性能的抗震鉴定方法通过选取结构的层间位移角和塑性铰转角作为评估指标，制定结构的性能目标，分析结构在不同地震作用下的反应.该方法可全面评价结构在各水准地震作用下的抗震性能，能弥补传统方法的不足，以指导后续的加固工作.

2)参照现行的《建筑抗震设计规范》，选取了结构的层间位移角和构件的塑性铰转角作为评估指标，并确定了结构的性能目标.这两个评估指标从结构整体和构件两个层次对结构的变形进行控制，可以有效地防止结构出现整体倒塌或者由个别构件的破坏引起的局部倒塌.对汶川地震中钢筋混凝土框架结构校舍的破坏形式及破坏原因的分析表明，这种做法是合适的.

3)选取了3条典型的地震记录，采用弹塑性时程法对一框架校舍结构进行了分析.分析结果表明，利用时程分析方法可以得到结构的屈服机制、变形和塑性铰的出现顺序及分布，进而可以更全面地了解结构在地震中的性能表现，其鉴定结果能更真实、更准确反应结构的抗震性能.

参考文献：

[1] 郭新华.既有钢筋混凝土框架结构中小学校舍抗震分析与性能评估[D].长沙：湖南大学，2010.

[2] 马宏旺，吕西林.建筑结构基于性能抗震设计的几个问题[J].同济大学学报，2002，30(12)：1429-1434.

[3] 杨君.钢筋混凝土框架结构基于性能的抗震设计理论和方法[D].西安：西安建筑科技大学，2007.

[4] 梁兴文.结构抗震性能设计理论与方法[M].北京：科学出版社,2011.

[5] 周云，安宇，梁兴文.基于性态的抗震设计理论和方法的研究与发展[J].世界地震工程，2001，17(2)：1-7.

[6] SEAOC Vision 2000.A framework for performance-based engineering[R].California:Structural Engineering Association of California,1995.

[7] 李应斌，刘伯权，史庆轩.结构的性能水准与评价指标[J].世界地震工程，2003，19(2)：132-137.

[8] GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

(编辑徐永铭)

On the Methods and Application of Performance-based

Aseismic Appraisal on RC Frame School Buildings

GUO Zhang-gen, ZHAO Lei, LI Min-su, SUN Wei-min

(College of Civil Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210000，China)

Abstract:Performance-based aseismic design can make the response and damage state of structures controlled within the scope of the designed expectations in any possibly encountered seismic actions.This paper put the performance-based aseismic design theory into the aseismic appraisal practice and proposed the methods of performance-based aseismic appraisal.Taking the inter-story displacement angle and plastic hinge rotation as evaluation index to determine the performance objectives, a seismic assessment was conducted in the framework of a schoolhouse with elasto-plastic time-history analysis method which, compared to the two-step method, fully reflected the performance of the structure in the earthquake, and made more comprehensive evaluation of it.The appraisal result was then closer to the real situation.

Key words:reinforced concrete frame; performance-based seismic appraisal; elasto-plastic time-history analysis

中图分类号：TU375.4

文献标志码：A

文章编号：1674-358X(2015)01-0062-05

作者简介：郭樟根(1977-)，男，江西吉安人，副教授，博士，硕士生导师，主要从事混凝土与砌体结构基本理论、结构鉴定与加固改造研究.

基金项目：国家自然科学基金项目(50708045)

收稿日期：2014-11-28 2014-10-12