基于损伤控制的剧院结构设计研究

钱耀华 （上海建筑设计研究院有限公司，上海 200041）

1 引言

随着我国人民生活水平的提高，文化演艺类建筑近几年快速发展。该类建筑具有人员密集、建筑功能复杂、投资造价高等特点，针对上述特点按照建筑抗震设计规范要求的“三水准、两阶段”的常规抗震设计方法无法完全满足业主对于该类建筑结构的性能要求[1-2]。近年来国内外学者对于建筑结构损伤控制进行了较多研究[3]，为了提高剧院结构的抗震性能，本文尝试从结构损伤控制角度出发，提出剧院结构设计方法，并通过大震弹塑性分析验证结构抗震性能，以期为剧院结构设计提供一些参考和建议。

2 剧院结构设计概况

剧院建筑结构具有平面开洞大、有效楼板宽度小、错层、竖向构件跃层转换等多重不规则性，该类结构体系多采用框架剪力墙结构，框架剪力墙结构以剪力墙作为主要抗侧力构件并承担部分重力荷载，框架以承担竖向重力荷载为主并兼做第二道抗震防线。剧院建筑剪力墙多设置在楼、电梯间及舞台周边，以下图上海某剧场结构为例[4]，看台楼梯间处剪力墙不但支撑着楼梯构件，还作为整个看台悬挑结构的支撑结构，重要性尤为突出。根据以往工程案例分析结果显示，框架剪力墙结构在罕遇地震作用下剪力墙多发生较大损伤，为了确保剧院建筑在大震乃至超大震作用下达到“保障生命安全”和“减小经济损失”的抗震性能目标，可以采取损伤控制方法进行剧院结构设计。

图1 某剧院二层结构布置图

3 基于损伤控制的结构设计方法

损伤控制设计的基本想法是设置“损伤界限状态”，损伤界限状态应充分考虑建筑的社会性与经济性。根据损伤界限状态可以合理评价地震作用下的建筑结构在保护人身及财产安全方面的表现。在损伤控制设计中，可以在设计时通过考察建筑结构的可靠性和地震发生概率来估计建筑损伤可能造成的损失。业主可根据预期损失采取相应措施保障建筑的资产安全。

下面从风险管理的角度探讨损伤控制设计的基本思路。通常手段是“风险控制”，即在损伤发生前对可能造成损伤的原因和可能发生损伤的部位采取有效的控制手段，以最大限度地降低风险。风险管理应以风险评估为基础，结合剧院建筑自身特点，根据风险发生的概率和人员密度情况，可按下图选择合适的风险管理方法。风险管理方法包括规避风险、降低风险。

图2 应对风险的方法选择

首先是建筑物整体损伤风险控制，对于人员密集的建筑，应降低发生整体损伤风险。可通过提高小、大震作用下结构变形限值，加强结构整体抗震性能，降低整体风险。其次对于人员密集或重要功能区域的支撑结构进行损伤风险控制，例如剧院看台、疏散楼梯通道等区域，通过提高重要区域的支撑结构的抗震性能目标或通过“牺牲”部分非重要结构构件来保全重要区域的支撑结构，降低重要区域损伤风险。

图3 基于损伤控制结构设计流程

综上，可将基于损伤控制结构设计分为损伤风险分析、设定性能目标、结构布置、计算分析满足规范要求、大震弹塑性分析性能验证、构造设计步骤。具体设计流程如图3所示。

4 剧场损伤风险分析与抗震性能目标

剧院损伤风险分析分为整体分析分析与局部风险分析。整体风险分析是根据剧院规模座位个数判定是否属于抗震重点设防类别，对于重点设防类的剧院建筑风险损失会高于普通设防类，因此需提高结构抗震性能。局部风险分析是对剧院中人员密集的功能区域进行判定，如看台、疏散楼梯、逃生通道等，这些区域发生损伤破坏的风险损失会高于其他区域，因此需要避免或降低这些区域发生损伤破坏风险。

根据风险分析结果设定相应的抗震性能目标。对于属于抗震重点设防类别的剧院，建议适当提高位移角限值，例如小震作用下框架剪力墙结构位移角限值由1/800提高至1/1000，大震用下结构位移角限值由1/100提高至1/120，通过提高整体指标要求，可以提高结构的抗震承载力与结构延性。其次对于重点区域的支撑结构构件根据结构性能化设计要求确定合理的性能目标，表1所示为某剧院构件的性能设计目标。

某剧院构件的性能设计目标 表1

5 剧院结构布置方法

结合剧院建筑结构的特点，结构体系建议采用框架剪力墙结构。其中框架部分主要用于承担剧院重力荷载，建议在不考虑剪力墙的情况下，重力框架体系成立。剪力墙结合楼、电梯间、舞台及看台周边进行对称、均匀布置。剪力墙布置时可采用“长墙”与“短墙”结合的方式，设计理念是由于长墙刚度大，吸收的地震能量大，将率先发生损伤破坏，待长墙发生较大破坏，刚度明显退化后，短墙才发生损伤破坏，也就是通过长墙的“牺牲”换取短墙的“存活”。设计过程中为了防止剪力墙“各个击破”问题，可先按“短墙”进行剪力墙基本布置并达到设计规范要求，然后选择几处非重要区域的剪力墙进行加长，长度不宜超过8m。如图1所示，首先进行框架布置，使得重力框架体系成立，其中重点是看台悬挑框架及屋面大跨框架的设计。其次采用高宽比大于5的剪力墙以对称、均匀、周边等原则进行布置，最后选择管道井周边4片剪力墙进行加长以用于地震作用下的损伤耗能。

通过案例分析发现大震作用下墙肢破坏顺序与墙肢剪压比有较强的相关性。表2所示为图1中剪力墙大震作用下墙肢的剪压比。其中剪压比最大的W6、W7在大震作用下损伤最为严重，其次是W11、W12也发生了一定的损伤，剪力墙大震作用下受压损伤情况如下图所示。因此在剪力墙结构布置时，可借助剪压比作为墙肢破坏顺序的初步依据。

大震作用下墙肢的剪压比 表2

图4 剪力墙受压损伤情况

6 大震弹塑性分析要点

大震弹塑性分析是损伤控制设计的重要步骤，通过分析结果对结构的抗震性能进行验证，重点分析结构宏观指标及构件损伤情况。分析时应注意以下要点。

①结构弹塑性模型构建建议采用ABAQUS或SAUSAGE软件，由于剧院具有大开洞、错层、斜板等平面不规则形，ABAQUS或SAUSAGE软件可以采用弹塑性分层壳单元来模拟楼板，能够较准确的模拟真实结构。

②地震波宜采用5组天然波与2组人工波，对结构进行三向地震时程分析，水平主向、水平次向和竖向地震波幅值按1∶0.85∶0.65定义，水平主向地震峰值加速度为220gal。

③为保证非线性结构模型能正确反映结构特性，在进行非线性分析之前，应对比ABAQUS结构模型或SAUSAGE结构模型与SATWE结构模型的基本周期和振型，确保计算模型的一致性。

④结构阻尼采用瑞雷阻尼来模拟。为确保阻尼取值的合理性，可通过采用等效阻尼比对模型进行弹性计算得到的结构基底剪力与弹塑性模型进行对比，误差不大时可认为阻尼取值基本合理。

7 结论

①剧院建筑结构具有平面开洞大、有效楼板宽度小、错层、竖向构件跃层转换等多重不规则性，该类结构体系建议采用框架剪力墙结构。

②基于损伤控制的剧院结构设计分为损伤风险分析、设定性能目标、结构布置、计算分析满足规范要求、大震弹塑性分析性能验证、构造设计步骤。

③剧院损伤风险分析分为整体分析分析与局部风险分析，相对应的判别指标分别是剧院规模和区域人流密度。根据风险分析结果设定相应的抗震性能目标，对于重点设防类别的剧院，建议适当提高位移角限值，对于重要区域的支撑结构构件根据结构性能化设计要求确定合理的性能目标。

④剧院结构中框架部分主要用于承担剧院重力荷载，剪力墙布置宜采用高宽比大于5的剪力墙以对称、均匀、周边原则进行布置，选择非重点区域几片剪力墙进行加长以用于地震作用下的损伤耗能，通过长墙的“牺牲”换取短墙的“存活”。设计时应注重剪力墙的破坏顺序与特征，可通过墙肢剪压比对破坏顺序进行初步判断。

⑤大震弹塑性分析是损伤控制设计的重要步骤，通过分析结果对结构的抗震性能进行验证，判断设计的合理性。分析时应注意弹塑性分析软件的选取、地震波的选择、模型一致性校核及阻尼合理取值。