美国既有建筑抗震性能评估标准简介及与我国标准的对比*

郑士举, 蒋利学

(1 上海市建筑科学研究院有限公司，上海 200032；2 上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032)

0 引言

美国对既有建筑抗震性能评估的研究约起始于20世纪七八十年代。1971年美国加州圣费尔南多发生6.6级地震,造成大量老旧钢筋混凝土结构破坏。这次地震后,美国开始有计划地对既有结构进行抗震性能评估与加固。1984年,FEMA(美国联邦应急管理署)启动了一项旨在全国范围内降低既有建筑地震安全风险的计划,开展了大量联合研究,陆续发布多本手册。1992年,FEMA发布了“既有建筑抗震性能评估手册”(FEMA 178[1]),这一手册在1998年修订后成为预备标准(FEMA 310[2]),并在2003年上升为ASCE(美国土木工程师协会)标准——“既有建筑抗震性能评估标准”(ASCE 31-03[3]),正式成为全国性标准。这一系列的手册和标准确立了美国抗震性能评估标准分为三级的基本框架,但主要内容为前两级评估。另一方面,从20世纪80年代开始,ATC(应用技术理事会)在CSSC(加州抗震安全委员会)的资助下联合大量学者开展了既有钢筋混凝土结构抗震性能评估方面的研究,于1996年发布了著名的ATC-40报告[4],即“混凝土建筑的抗震性能评估和加固”,这一报告首次详细阐述了基于性能的抗震评估思想和基于位移的抗震评估方法原理。随后1997年,FEMA在ATC-40的基础上,发布了“建筑物抗震加固改造指南”(FEMA 273[5]),其中包括了完整的基于性能的抗震评估方法。2000年,对FEMA 273补充完善后,FEMA发布了“建筑物抗震加固改造试行标准及说明”(FEMA 356[6]),并成为ASCE的预备标准。2006年,在FEMA 356的基础上,ASCE发布了正式标准“既有建筑抗震加固改造标准”(ASCE/SEI 41-06[7])。2013年,ASCE将ASCE 31-03和ASCE/SEI 41-06合并,即将三级评估框架与基于性能的抗震评估方法进行融合,发布了“既有建筑抗震性能评估和加固标准”(ASCE/SEI 41-13[8])。2017年,ASCE发布了这一标准的最新修订版ASCE/SEI 41-17[9]。本文主要根据ASCE/SEI 41-17对美国抗震性能评估标准进行介绍,并与我国抗震鉴定标准进行对比。

1 美国抗震性能评估标准的基本思路

美国标准ASCE/SEI 41-17抗震性能评估的第一步是确定性能目标;第二步是确定地震活动强度等级;第三步是调查建筑竣工资料等建造信息;第四步是选择评估程序;第五步是开展抗震性能评估并出具报告。

建筑抗震性能目标由委托方和专业人员共同确定且应符合政府部门的相关要求。建筑基本抗震性能目标根据建筑物风险类别、地震危险性等级查表确定,性能目标可根据建筑的具体情况在基本性能目标的基础上进行调整,即增强性能目标或有限性能目标。建筑物风险类别根据IBC或ASCE 7规范来确定,分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个类别,主要根据建筑的使用功能和结构破坏造成的损失来进行分类。地震风险等级采用基于地震动超越概率的定义方式,用于确定地震作用,在ASCE/SEI 41-17中给出了四种常用的地震风险等级,其对应的地震动超越概率及重现周期见表1。BSE-1E和BSE-2E分别相当于中震和大震,主要用于常规的既有建筑。BSE-2N相当于新建建筑的最大考虑地震(MCER),用于有较高要求的既有建筑。

表1 ASCE/SEI 41-17地震风险等级

在ASCE/SEI 41-17中建筑性能目标的划分非常灵活,自由度很大。建筑性能目标由结构性能水准和非结构性能水准组合而成。结构性能水准分为立即使用(S-1)、损伤控制(S-2)、生命安全(S-3)、有限安全(S-4)、防止倒塌(S-5)。非结构性能水准分为运行(N-A)、位置保持(N-B)、生命安全(N-C)、降低(造成大量伤亡的)危害(N-D)。单个结构性能水准和非结构性能水准组合在一起,构成一个建筑性能目标,如3-B、5-D等。

建筑基本抗震性能目标是最常用的,对于多数情况是适用的,如表2所示。地震活动强度等级根据反应谱加速度分为很低、低、中、高四个等级,如表3所示。

表2 现有建筑物的基本性能目标

表3 地震活动强度等级划分

建筑抗震性能评估程序分为三级,第一级评估为筛查,第二级评估为基于缺陷的抗震性能评估,第三级评估为系统性评估。这三级评估之间复杂程度呈递进的关系。第一级筛查是从总体上定性评价结构抗震性能,方法简单但往往是偏于保守的。第二级评估程序针对第一级评估发现的抗震缺陷进行更进一步的详细评估。而第三级评估程序更全面、具体和复杂。第一级评估和第二级评估有明确的适用范围,适用范围的划分考虑了结构性能水准、结构形式、地震活动强度等级、层数(高度)等因素。在适用范围内时,结构抗震性能评估首先从第一级评估开始,如能通过,结构抗震性能评估程序结束;如不能通过,则对第一级发现的抗震缺陷进行第二级评估。超出适用范围则采用第三级评估程序。ASCE/SEI 41-17抗震性能评估流程如图1所示。

图1 ASCE/SEI 41-17抗震性能评估流程图

2 第一级评估

在第一级筛查评估时,允许采用更为简化的评估方式,即判断建筑是否为基准建筑(Benchmark Building)。所谓的基准建筑指的是按照某一划定版本的抗震设计规范进行设计和建造的建筑,或按照某一划定版本的抗震性能评估和加固规范进行过抗震性能评估和加固的建筑。这些划定版本的规范往往是经过实际地震检验过的,因此按该划定版本及之后版本设计、评估或加固的建筑,在对建造资料、现场实际状况、地质情况等进行调查核实时(这一步是必须的)如未发现异常情况,即可被认为符合基准建筑的要求,从而可直接评定结构抗震性能符合生命安全或立即使用性能水准的要求(在BSE-1E作用下),不再执行后续的结构抗震性能评估程序,而只需对非结构抗震性能进行评估,从而大大简化抗震性能评估工作。

如果某建筑不能被划为基准建筑,则采用核查表单的方式进行第一级评估。首先对建筑进行现场调查和状态评估,以验证现场实际情况与图纸资料是否符合、是否进行过改造、有无明显的施工质量缺陷和结构性能退化等。在第一级评估中,现场材料性能检测不是必须的,可以采用图纸资料中的数值或根据建造年代取默认值。

核查表单的内容根据地震活动强度等级、选定的性能水准和结构形式进行选择。除地震活动强度等级为很低且结构性能水准为防止倒塌时采用最为简单的单个表单进行核查外,其余情况均需采用3个表单进行核查,包括基本结构配置核查表单、结构性能核查表单、非结构性能核查表单。基本结构配置核查表单中的内容主要为传力路径、相邻建筑楼间距、薄弱层、软弱层、竖向规则性、平面尺寸规则性、质量分布规则性、质心和刚心之间的偏心等。地震活动强度等级为中、高时,还包括地基液化、断层等地质风险评估、抗倾覆评估和基础整体性评估。在结构性能核查表单中,根据不同的结构形式有更为具体的核查内容,如对于钢筋混凝土框架结构,核查内容根据不同地震活动强度等级主要包括结构体系冗余度、柱轴压比、柱钢筋锚固、柱剪应力、填充墙、短柱、强柱弱梁、箍筋间距、节点核心区箍筋、楼盖连续性等等。非结构性能核查表单的主要内容为设施设备、分隔墙、吊顶、固定支架、屋面烟囱等等在地震中容易掉落或出现连接破坏的非结构构件的连接可靠性。

以钢筋混凝土框架结构为例,中等地震活动强度等级、防止倒塌结构性能水准下,基本结构配置和结构性能核查表单内容如表4所示。从表4中可以看出,第一级评估基本上为抗震措施的核查,但也需要进行一些简要的结构分析,这种分析称为快速验算(Quick Checks)。对于较为规则的常规结构,通过一系列简化的计算公式,计算层间位移角、钢筋混凝土框架柱的平均剪应力、剪力墙的平均剪应力、地震倾覆力矩引起的柱压应力等等。需要说明的是,在这些计算应力的公式中,均需用到伪地震剪力V,之所以称“伪”,是因为它是基于等位移原则按等效弹性体系计算得到的地震剪力,即假定结构在中大震下保持弹性。对于非弹性体系,中大震下结构可能已经进入屈服,因此V并不是结构实际承受的地震剪力,实际承受的地震剪力可能比V小。因此,在这些计算应力的公式中,以式(1)为例,均通过除以一个不小于1的系统修正系数Ms来反映结构性能水准和结构体系延性的影响。结构性能水准越高(如立即使用结构性能水准S-1,要求结构处于弹性状态)、结构体系延性越差(如无筋砌体结构,不允许进入弹塑性阶段),系统修正系数Ms越小。

(1)

表4 钢筋混凝土框架结构第一级评估内容

3 第二级评估

第二级评估称为基于缺陷的抗震性能评估,所谓基于缺陷,是指对第一级评估中发现的缺陷或不能确认之处进行更进一步的分析评估。第二级评估的建筑性能目标和地震风险等级应与第一级评估一致。如果在第二级评估中能够证明在第一级评估中发现的抗震缺陷是可以接受的,那么该建筑即可被评为满足设定的性能目标要求。在第二级评估中仍允许根据设计图纸资料和建造年代采用默认材料强度,而不需进行现场检测。

在第二级评估中需进行结构分析,结构分析可以采用线性静力分析方法或线性动力分析方法,线性静力分析方法的使用有其限值范围。线性静力分析方法其实就是底部剪力法,计算公式与我国规范略有差异。线性动力分析方法分为两种,即振型分解反应谱法和弹性时程分析。对于振型分解反应谱法,要求振型参与系数不小于90%,与我国规范一致。

同第一级评估一样,在第二级评估中采用的基底剪力V也是伪地震剪力,线性静力分析方法中的V按式(2)计算:

V=C1C2CmSaW

(2)

式中:C1为反映结构最大期望弹塑性位移与按线弹性体系计算所得位移关系的修正系数;C2为考虑往复循环过程中滞回环捏拢、结构刚度退化、承载力退化的修正系数;Cm为考虑高阶振型质量参与的有效质量系数;Sa为相应于基本周期和所采用地震风险等级的反应谱加速度;W为有效重力荷载,类似于我国规范中的重力荷载代表值。

在抗震性能评估时,需区分主要构件和次要构件,还需要区分变形控制构件(延性构件)和承载力控制构件(非延性构件)。既承担地震作用又发生变形的构件均为主要构件;发生变形但较少承担地震作用的构件为次要构件,包括非结构构件、对抗侧刚度或抗侧承载力贡献很小的构件、设计用于第一道抗震防线耗能的构件(如连梁)等。变形控制构件和承载力控制构件的划分主要从构件荷载-位移曲线的形状、荷载-位移曲线塑性段的长度、是否为主要构件等方面进行考虑。

对于变形控制构件,抗震性能符合性判别按式(3)进行:

mκQCE>QUD

(3)

式中:m为反映构件延性的承载力修正系数,其值大于等于1,取值取决于结构类型、构件类型、受力模式、结构性能水准等,构件延性越好,取值越大,结构性能水准越高,取值越小;κ为信息因子(Knowledge Factor),用于反映所用材性信息的可信程度,取值在0.75～1.0之间;QCE为变形控制构件的期望承载力,计算时采用材料强度的期望平均值并考虑塑性应变强化效应;QUD为重力荷载效应和地震作用效应的组合效应。

对于承载力控制构件,采用式(4)进行抗震性能符合性判别:

κQCL>QUF

(4)

式中:QCL为承载力控制构件的下限承载力,计算时采用材料强度的下限值(均值减1倍的标准差);QUF为承载力控制构件的重力荷载效应和地震作用效应的组合效应。

从上述介绍可以看出,第二级评估实际上是基于承载力的评估,对于延性构件,通过延性系数m将中大震作用下非弹性体系的变形验算近似转化为承载力的验算,对于承载力控制构件则不考虑系数m。在ASCE/SEI 41-17第8～12章中,详细给出了不同种类结构构件m的取值。在同一类型的构件中,在同等结构性能水准下,m的取值主要受抗震措施的影响,如对于钢筋混凝土柱主要包括了轴压比、配箍率、弯剪比(即柱端受弯破坏与柱剪切破坏所对应的水平剪力之比)等。

4 第三级评估

第三级评估为系统性评估,用于不适合采用第一级评估和第二级评估的结构,以及第二级评估后不能满足性能目标要求需要更进一步详细评估的结构。在第三级评估中,对现场调查检测的要求是最高的,均应进行现场结构调查和材性检测。同时,结构性能水准越高,现场调查检测的深度要求越高。第三级评估与第二级评估的区别是第二级评估仅针对第一级评估中发现的缺陷部位,而第三级评估是针对全部结构构件和非结构构件的全面、系统的抗震评估。

第三级评估结构分析可以选用四种分析方法中的一种或多种,即线性静力分析、线性动力分析、静力非线性分析(pushover)、动力非线性分析方法。但线性分析方法不适用于存在竖向不连续、明显薄弱层、明显扭转不规则、斜交抗侧力构件的结构。静力非线性分析方法不适用于高阶振型影响显著的结构。当前三种方法均不适用时,应采用动力非线性分析方法。当进行线性分析时,相关评估方法与第二级评估一致,即采用基于承载力的评估方法;当进行非线性分析时,采用基于位移的评估方法。

当采用静力非线性分析方法时,在选定的地震风险等级作用下结构的目标位移δt(即位移需求)可采用修正系数法按式(5)计算,也可根据FEMA 440[10]采用能力谱法进行计算。

(5)

式中:C0为反映多自由度体系顶点位移与其等效单自由度体系谱位移关系的修正系数;Te为等效基本周期,等效方式为将结构的荷载-位移推覆曲线按一定的规则等效为三折线模型,三折线模型弹性段刚度所对应的周期即为等效基本周期;Sa为相应于等效基本周期Te和等效阻尼比的反应谱加速度。

式(5)的本质是通过一系列的等效,将多自由度体系的弹塑性位移计算简化为等效单自由度弹性体系的谱位移计算,从而可利用已建立的单自由度弹性体系的加速度及位移反应谱来等效计算多自由度体系的弹塑性位移需求。显然,这是一种近似的简化计算,精度不高,仅适用于较为规则且层数不多、高阶振型影响小的结构。对于不规则结构、复杂结构或高阶振型影响大的结构,则应采用非线性动力分析方法即弹塑性时程分析法来计算结构的位移需求。

采用式(5)计算出结构的目标位移后(一般为顶点位移),在该目标位移下各构件的转角变形需求即可确定。ASCE/SEI 41-17第8～12章中详细给出了不同类型结构构件在不同结构性能水准下和不同抗震措施下的转角变形能力,其评价参数采用的是弦线转角,以试验数据统计结果为基础,考虑了轴压比、剪压比、纵筋配筋率及配箍率等参数的影响[11]。如果某构件的转角变形需求小于其转角变形能力,则该构件可以通过第三级评估;否则,则不能通过第三级评估。

5 与我国抗震鉴定标准的对比

美国的抗震性能评估标准是一部完全的性能化抗震评估标准,直接进行中大震下的抗震性能评估。而我国的《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009)[12](简称抗震鉴定标准)采用的是与我国抗震设计一样的理念,即小震下进行结构承载力验算,大震下的变形能力和抗倒塌能力则通过抗震措施鉴定分析来进行评估。对比中美抗震性能评估标准可以发现,两国的标准在理念上存在相近之处,但在具体的方法上则存在比较大的差异:

(1)两国标准在确定既有建筑所承受地震作用的理念上是基本一致的,即既有建筑在后续服役期遭遇同等强度地震作用的概率比新建建筑低,因此对既有建筑的抗震要求可比新建建筑低。在抗震鉴定标准中,将既有建筑按后续使用年限分为A(后续使用年限30年)、B(后续使用年限40年)、C(后续使用年限50年)三类。基于在后续使用年限内既有建筑与新建建筑具有同样的地震超越概率的原则[13],可以对A类和B类建筑承担的地震作用进行折减,从平均意义上,该折减系数对于A类约为0.8,B类约为0.9[14]。

美国标准对地震作用直接采用超越概率的方式进行表示,而未采用地震作用折减系数,该超越概率对应的加速度值通过地震风险区划图确定。美国对于既有建筑抗震评估时采用的50年中震超越概率为20%,50年大震超越概率为5%,采用式(6)[15]进行换算可知,50年20%中震超越概率的地震作用大致相当于30年10%中震超越概率的地震作用,50年5%大震超越概率的地震作用相当于30年2%大震超越概率的地震作用,即大致相当于后续使用年限30年。但这一地震作用取值对于涉及较大结构改造、建筑风险类别提升、大幅延长使用年限等情况是不适用的,此时应提高评估要求,我国相关规范标准中也有类似的要求。

(6)

式中:PR为预计超越概率对应的重现周期平均值;t为后续使用年限;PEY为地震动参数在t年内的超越概率(小数表示)。

(2)两国标准均采用分级的方式进行抗震性能评估。抗震鉴定标准将既有建筑的抗震鉴定分为两级鉴定,第一级鉴定以宏观控制和构造鉴定为主,主要是对结构体系、规则性、整体性、连接构造、配筋构造、非结构构件等方面进行鉴定。第二级鉴定以抗震验算为主结合构造影响进行综合评价。对于A类建筑,当第一级鉴定符合要求时,可不再进行第二级鉴定。A类建筑的第二级鉴定允许采用综合抗震能力指数法进行简化计算。对于B类、C类建筑,均需进行两级鉴定并综合评价。

美国标准将既有建筑的抗震性能评估分为三级。第一级评估主要也是对结构体系布置、规则性、构造措施的评估,这一点与我国标准的第一级鉴定是类似的,但美国标准的第一级评估中会涉及到简化的宏观结构验算,包括层间位移角、柱剪应力、倾覆力矩引起的轴压力等。第一级评估通过可不再进行后面的第二级评估。美国标准中很有特色的一点是,引入了基准建筑的概念,只要能够证明被评估建筑原设计采用的规范不低于基准建筑的相应要求(如IBC 2000[16]),建造资料完整且不怀疑其可靠性,现场调查表明建筑未经过结构改动或使用功能变化,结构状况良好,就可以直接判定抗震性能符合要求。这一判断来源于大量震害调查,即按某一版本规范设计建造的建筑在实际地震中已经经受了考验,能够证明这一版本的规范是可靠的,如1994年洛杉矶北岭地震[17]、2018年阿拉斯加安克雷奇地震[18]等。采用这一理念可以大幅简化抗震性能评估工作,这对于我国的抗震鉴定工作也具有一定的借鉴作用,大量城镇建筑的抗震性能筛查可以借鉴这一理念,而不必均通过抗震鉴定来评价其抗震性能。美国标准中的第二级评估不是全面的评估,仅针对第一级评估发现的缺陷进行更进一步的评估以确认此缺陷是否构成对结构抗震性能的实质影响。第二级评估是基于承载力的评估,从这一点上来说,与我国抗震鉴定标准的第二级鉴定是类似的,但在具体做法上存在较大差异。第三级系统性评估最复杂、要求最高,得到的结果也最可信,往往需要进行非线性分析并采用基于位移的评估方法。但第三级评估不是必须的,只有超出第一级评估和第二级评估的适用范围时或第二级评估不通过需更进一步评估时,才进行第三级评估。

(3)我国既有建筑抗震鉴定的承载力验算和变形验算均采用多遇地震作用,要求结构在小震作用下处于弹性状态,并通过体系影响系数和局部影响系数考虑结构体系和抗震构造措施对结构抗震性能的影响,一定程度上体现了基于性能的抗震评估思想,但体系影响系数和局部影响系数的取值较为简单[19-20]。

美国标准直接进行中震或大震下的结构分析,不做小震验算。在第一级和第二级评估中,由于采用的结构分析方法为线性分析,但又允许中大震作用下延性结构进入屈服后阶段,因此采用等效的“伪”地震剪力来进行承载力验算,将延性结构的弹塑性分析转化为弹性分析,并通过修正系数来考虑延性结构的地震作用折减。由于构件的变形能力已体现在修正系数中,因此不再单独进行变形验算。而在第三级评估中,对于具有一定延性的结构直接进行基于位移的抗震性能评估,不再进行构件承载力验算,对于非延性结构仍然采用基于承载力的评估方法。美国标准中充分考虑了不同结构体系的抗震分析评估方法的需求差异,综合考虑了承载能力和变形能力,而不是分别对其进行评估,因而评估结果更能反映结构的真实抗震能力。

6 结语

美国的抗震性能评估标准从20世纪80年代以来经过不断的迭代更新逐渐发展成为一部理念较为先进的、以性能化思想作为基础的抗震性能评估标准,主要技术特点包括建筑抗震性能目标的灵活设置、对于基准建筑可以采用非常简化的评估程序、直接进行中大震作用下的抗震性能评估、对于延性结构和非延性结构采用不同的评估方法、对于延性结构通过等效方式进行弹塑性阶段的抗震性能评估、综合考虑承载能力和变形能力而不是分开评估等等。尽管我国的抗震设计理念与美国有较大差别,但其中也有很多方面值得我国的抗震鉴定标准借鉴。随着我国城市更新进程的不断加快,既有建筑抗震性能评估和加固的需求强烈且日趋多样化和复杂化,部分情况下只需要进行简化的筛查评估,而涉及到复杂的结构改造或使用功能改变等等则需要更加精细的系统性评估方法,以采取更加精准、绿色、高效的抗震加固措施,因此有必要发展出符合我国实际国情的、更加精细化和性能化的抗震性能评估方法和分析程序。