徐平輝,倪取佳
(廣州寶賢華瀚建筑工程設(shè)計(jì)有限公司 廣州 510030)
文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]采用常遇地震并輔助多種以常遇地震作用組合及地震作用調(diào)整系數(shù)進(jìn)行構(gòu)件的承載力計(jì)算,同時(shí)通過不同等級(jí)的抗震構(gòu)造措施以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)。
文獻(xiàn)[1]采用設(shè)防烈度地震進(jìn)行構(gòu)件的承載力計(jì)算,取消與抗震等級(jí)相關(guān)的構(gòu)件內(nèi)力調(diào)整,相應(yīng)地將抗震等級(jí)修改為抗震構(gòu)造等級(jí),與原規(guī)程的抗震構(gòu)造措施基本保持一致[5]。文獻(xiàn)[1]通過構(gòu)造措施實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)的目標(biāo)與文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]一致,但簡(jiǎn)化了抗震構(gòu)造等級(jí)的確定原則,由此帶來的差異引起了廣泛的討論。
本文基于丙類建筑就此問題進(jìn)行探討,并提出文獻(xiàn)[1]抗震構(gòu)造等級(jí)確定的實(shí)施建議,供同行討論參考。
抗震構(gòu)造等級(jí)的規(guī)定文獻(xiàn)[2]詳6.1.2等相關(guān)章節(jié)、文獻(xiàn)[3]詳3.9.3、3.9.4等相關(guān)章節(jié)??拐饦?gòu)造等級(jí)根據(jù)地震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)高度變化,且不同結(jié)構(gòu)體系中的部分構(gòu)件抗震構(gòu)造等級(jí)不同。主要的確定原則如下:
⑴設(shè)防烈度原則:設(shè)防烈度越高,構(gòu)造等級(jí)越高,延性要求越高。
⑵高度原則:結(jié)構(gòu)高度越高,構(gòu)造等級(jí)越高,延性要求越高。
⑶構(gòu)件原則:不同結(jié)構(gòu)體系中的非主抗側(cè)力構(gòu)件,等級(jí)降低(如框-剪結(jié)構(gòu)中的框架),重要構(gòu)件,等級(jí)提高(如框支框架)。
文獻(xiàn)[1]同文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]一致,性能目標(biāo)區(qū)分為A、B、C、D 四個(gè)等級(jí),中(大)震下對(duì)應(yīng)的性能水準(zhǔn)分別為1(2)、2(3)、3(4)、4(5)。文獻(xiàn)[1]基于中震進(jìn)行承載力設(shè)計(jì),C、D級(jí)考慮中震下結(jié)構(gòu)進(jìn)入一定的彈塑性通過地震力折減系數(shù)c對(duì)地震力進(jìn)行了折減(A、B 級(jí)c=1.0,無折減),兩者中震對(duì)應(yīng)的c值分別為0.85、0.70,大約相當(dāng)于結(jié)構(gòu)剛度折減系數(shù)分別為0.92、0.84,折減程度均較低,故文獻(xiàn)[1]的抗震構(gòu)造措施主要是針對(duì)大震,構(gòu)造等級(jí)基于“R-μ規(guī)律”(“R-μ規(guī)律”說明詳下文),由大震對(duì)應(yīng)的性能水準(zhǔn)確定,即3.9.5 條規(guī)定:大震性能水準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的抗震構(gòu)造等級(jí),第五水準(zhǔn)不應(yīng)低于一級(jí),第四水準(zhǔn)不應(yīng)低于二級(jí),第三水準(zhǔn)不應(yīng)低于三級(jí),第二水準(zhǔn)不應(yīng)低于四級(jí)[1]。同時(shí)3.9.3 條對(duì)不同設(shè)防烈度的最低性能目標(biāo)要求進(jìn)行了規(guī)定,6 度和7 度時(shí)不應(yīng)低于C 級(jí),8 度和9 度時(shí)不應(yīng)低于D級(jí)。
在滿足3.9.3條最低性能目標(biāo)規(guī)定的前提下,文獻(xiàn)[1]確定抗震構(gòu)造等級(jí)只有一個(gè)核心原則——與大震性能水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的“性能水準(zhǔn)原則”。
廣東省內(nèi)的設(shè)防烈度為6~8 度,本節(jié)基于6~8 度時(shí)文獻(xiàn)[1]與文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)3]的對(duì)比。其中文獻(xiàn)[1]6、7、8 度性能目標(biāo)分別取B、C、D 級(jí),對(duì)應(yīng)的構(gòu)造等級(jí)分別為三級(jí)、二級(jí)、一級(jí)。
文獻(xiàn)[1]相對(duì)提高一級(jí)及以上的構(gòu)件:高度≤24 m框架結(jié)構(gòu)的框架、高度≤80 m 剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力墻及部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)中的非底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻、高度≤60 m 框-剪或框-筒結(jié)構(gòu)的框架。文獻(xiàn)[1]相對(duì)降低一級(jí)的構(gòu)件:①部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)中6 度及7 度且高度>80 m 時(shí)的底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻、6 度時(shí)或7 度且高度>80 m 時(shí)的框支框架;②框架-核心筒結(jié)構(gòu)中6 度且高度>60 m 時(shí)的核心筒;③板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)中6 度及7 度且高度>35 m 時(shí)的剪力墻或6 度時(shí)的框架、板柱及柱上板帶。文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]的“高度原則”或“構(gòu)件原則”是導(dǎo)致差異的原因。
從結(jié)構(gòu)體系在實(shí)際項(xiàng)目中占比的角度,整體上,A級(jí)高度文獻(xiàn)[1]抗震構(gòu)造等級(jí)相對(duì)文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]提高一級(jí)及以上的比降低一級(jí)覆蓋的范圍更廣、構(gòu)件更多。
文獻(xiàn)[3]的“高度原則”導(dǎo)致其各結(jié)構(gòu)體系下的大部分構(gòu)件相對(duì)文獻(xiàn)[1]提高一級(jí)及以上。
文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]確定抗震構(gòu)造等級(jí)的三大原則似乎都存在執(zhí)行未統(tǒng)一甚至矛盾的情況,舉例說明如下。
4.1.1 未統(tǒng)一執(zhí)行“設(shè)防烈度原則”舉例
⑴A 級(jí)高度:部分框支剪力墻(高度≤80 m)的框支框架6 度到7 度時(shí)、框-筒結(jié)構(gòu)中的核心筒6 度到7度時(shí)等級(jí)未提高。
⑵B 級(jí)高度:①剪力墻結(jié)構(gòu)7 度到8 度時(shí)、框-剪或框-筒結(jié)構(gòu)中的框架7度到8度時(shí)、部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)中的非底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻7 度到8 度時(shí)、底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻6度到7度時(shí)等級(jí)未提高;②矛盾:筒中筒結(jié)構(gòu)內(nèi)、外筒等級(jí)都按設(shè)防烈度提高了,而剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力墻或框-剪、框-筒結(jié)構(gòu)中的框架7 度到8 度時(shí)卻沒有提高。
4.1.2 未統(tǒng)一執(zhí)行“高度原則”舉例
結(jié)構(gòu)高度從A 級(jí)提高到B 級(jí)后,抗震構(gòu)造等級(jí)未提高的構(gòu)件:8度時(shí)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的框架、8度時(shí)的剪力墻結(jié)構(gòu)、7 度時(shí)部分框支剪力墻中的底部加強(qiáng)區(qū)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)6度時(shí)的筒體或8度時(shí)的框架。
未統(tǒng)一執(zhí)行“高度原則”,且等級(jí)未變化的構(gòu)件包含不同的烈度和結(jié)構(gòu)體系。雖然B級(jí)高度結(jié)構(gòu)為超限結(jié)構(gòu),會(huì)根據(jù)性能需求對(duì)部分構(gòu)件提出更高的要求或加強(qiáng)措施,但或亦應(yīng)同A級(jí)高度的復(fù)雜超限結(jié)構(gòu)一致,是在整體結(jié)構(gòu)按統(tǒng)一原則執(zhí)行后的局部構(gòu)件再提高。
4.1.3 未統(tǒng)一執(zhí)行“構(gòu)件原則”舉例
⑴框-剪結(jié)構(gòu):①A 級(jí)高度時(shí),以高度60 m 為界限區(qū)分框架和剪力墻的等級(jí),B級(jí)高度時(shí),以設(shè)防烈度區(qū)分框架和剪力墻的等級(jí)(6、7 度時(shí)兩者同等級(jí),8 度時(shí)不同等級(jí)),邏輯和原則不統(tǒng)一;②6度、7度區(qū),高度≤60 m 時(shí)區(qū)分了框架和剪力墻的等級(jí),>60 m 后卻沒有區(qū)分。
⑵框-筒結(jié)構(gòu):6 度時(shí),A 級(jí)高度框架和筒體的等級(jí)區(qū)分了,B級(jí)高度卻沒有區(qū)分,且B級(jí)時(shí)只是把次抗側(cè)構(gòu)件的框架等級(jí)提高了。
綜上,文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]確定抗震構(gòu)造等級(jí)的三大原則——“設(shè)防烈度原則”、“高度原則”和“構(gòu)件原則”,沒有一個(gè)原則是一以貫之、統(tǒng)一執(zhí)行的。
在滿足3.9.3條最低性能目標(biāo)規(guī)定的前提下,不區(qū)分設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型和高度,根據(jù)選定的性能目標(biāo)及大震對(duì)應(yīng)的性能水準(zhǔn)確定抗震構(gòu)造等級(jí),執(zhí)行方式統(tǒng)一明確、原則一以貫之。
性能化抗震設(shè)計(jì)思想是當(dāng)前世界上最主流的設(shè)計(jì)思想,而“R-μ規(guī)律”是其基本原則和理論基石,其中R指地震力的降低系數(shù),表征的是設(shè)計(jì)地震作用水準(zhǔn),μ為預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)地震力作用下結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的延性需求,抗震構(gòu)造措施的嚴(yán)格程度是體現(xiàn)延性需求高低的重要方式(“R-μ規(guī)律”與體系的初始彈性基本自振周期T 有關(guān),故又稱“R-μ-T 規(guī)律”)?!癛-μ規(guī)律”的核心是地震作用降低系數(shù)R與延性需求μ的對(duì)應(yīng)原則,R越大,對(duì)應(yīng)的μ越高,R越小,對(duì)應(yīng)的μ越低,R不變,則對(duì)應(yīng)的μ應(yīng)相同或基本接近,美國(guó)[6]、加拿大[7]、歐洲[8]、新西蘭[9]、澳大利亞[10]等地的抗震設(shè)計(jì)思想均基于此規(guī)律。雖然“R-μ規(guī)律”是基于單自由度體系建立的,但上述各地的理論及實(shí)踐表明,“R-μ規(guī)律”對(duì)多自由度體系原則上依然是適用的。
以下基于“R-μ規(guī)律”,對(duì)文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]及文獻(xiàn)[1]確定抗震構(gòu)造等級(jí)原則的合理性作進(jìn)一步的探討。
中國(guó)和美國(guó)規(guī)范[6]設(shè)防烈度與“R-μ規(guī)律”的對(duì)比如表1所示,美國(guó)不區(qū)分所處地震風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的高低,延性等級(jí)的高低與地震力降低系數(shù)R的大小對(duì)應(yīng),遵循了“R-μ規(guī)律”。而文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]采用的小震設(shè)計(jì),設(shè)防烈度從6度到9度區(qū),均約取R=1/0.35=2.857,即R不變,而延性等級(jí)卻隨設(shè)防烈度變化,從6 度到9 度,抗震等級(jí)逐級(jí)提高,延性等級(jí)逐級(jí)提高,未遵循“R-μ規(guī)律”。
表1 中國(guó)、美國(guó)規(guī)范設(shè)防烈度與“R-μ 規(guī)律”對(duì)比Tab.1 Comparison between Chinese and American Codes on Seismic Fortification Intensity and“R-μ Relations”Provisions
文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]構(gòu)件承載力基于小震設(shè)計(jì),抗震措施主要針對(duì)的是中震和大震,而結(jié)構(gòu)在中、大震下的抗震能力主要體現(xiàn)為“承載力+延性”的綜合能力??拐鸬燃?jí)包含了兩方面的內(nèi)容:①內(nèi)力調(diào)整,等級(jí)越高,“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”等內(nèi)力調(diào)整系數(shù)越高,結(jié)構(gòu)整體的承載力越高;②構(gòu)造措施,等級(jí)越高,延性越高。兩者共同導(dǎo)致烈度低的結(jié)構(gòu)在中、大震下的延性和安全度相對(duì)低。
白紹良等人[11]以嚴(yán)格按文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的不同抗震等級(jí)典型鋼筋混凝土框架為例,說明和論證了文獻(xiàn)[2]未遵循“R-μ規(guī)律”的做法導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的延性能力與需求比從9度區(qū)到7度0.15g區(qū)逐級(jí)下降的事實(shí)。
文獻(xiàn)[1]不同的性能目標(biāo)對(duì)應(yīng)不同的性能水準(zhǔn),而不同的性能水準(zhǔn)下,承載力驗(yàn)算公式中的地震力折減系數(shù)c和承載力利用系數(shù)ξ不同。性能水準(zhǔn)越高,c值越大,ξ值越小,承載力要求越高,即R越小,對(duì)應(yīng)的延性構(gòu)造要求越低。
以C、D 級(jí)性能目標(biāo)的承載力驗(yàn)算、構(gòu)造等級(jí)為例。C 級(jí)大震對(duì)應(yīng)性能水準(zhǔn)4,構(gòu)造等級(jí)為二級(jí),中震對(duì)應(yīng)性能水準(zhǔn)3,承載力驗(yàn)算時(shí)c=0.85,ξ壓、剪取0.74(彎、拉取0.87);D 級(jí)大震對(duì)應(yīng)性能水準(zhǔn)5,構(gòu)造等級(jí)為一級(jí),中震對(duì)應(yīng)性能水準(zhǔn)4,承載力驗(yàn)算時(shí)c=0.70,ξ壓、剪取0.83(彎、拉取1.00)。C 級(jí)的承載力要求較D 級(jí)高,即R較D 級(jí)小,但構(gòu)造等級(jí)較D 級(jí)低,遵循了“R-μ規(guī)律”。
文獻(xiàn)[1]3.9.3 條規(guī)定6 度和7 度、8 度和9 度的最低性能目標(biāo)相同,6度和7度不低于C級(jí)、8度和9度不低于D 級(jí),大震對(duì)應(yīng)的性能水準(zhǔn)分別為不低于4、5,同時(shí)3.10.3 條規(guī)定6 度與7 度的構(gòu)造等級(jí)卻不同(6 度三級(jí)、7 度二級(jí))、8 度與9 度的構(gòu)造等級(jí)也不同(8 度一級(jí)、9度特一級(jí)),似與“R-μ規(guī)律”不符。
使用文獻(xiàn)[1]時(shí),需注意兩個(gè)問題:
⑴3.9.3 條及表3.9.3 規(guī)定為規(guī)范關(guān)于不同設(shè)防烈度性能目標(biāo)的最低要求,可根據(jù)需要選擇更高的要求。
⑵無論是3.9.3條,還是3.10.3條,都需根據(jù)3.9.5條關(guān)于大震性能水準(zhǔn)與構(gòu)造等級(jí)對(duì)應(yīng)的規(guī)定確定構(gòu)造等級(jí)。
綜合表3.9.3、表3.10.3 與3.9.5 條,設(shè)防烈度對(duì)應(yīng)的性能目標(biāo)、性能水準(zhǔn)及抗震構(gòu)造等級(jí)詳見表2。其中6 度區(qū)3.10.3 條建議選用的性能目標(biāo)為B 級(jí),大震對(duì)應(yīng)性能水準(zhǔn)3,抗震構(gòu)造等級(jí)為三級(jí),3.9.3條規(guī)定的最低性能目標(biāo)為C 級(jí),大震對(duì)應(yīng)性能水準(zhǔn)4,抗震構(gòu)造等級(jí)為二級(jí);7 度、8 度區(qū)3.10.3 條建議選用的性能目標(biāo)均與3.9.3條規(guī)定的最低性能目標(biāo)相同。
表2 性能目標(biāo)、性能水準(zhǔn)及抗震構(gòu)造等級(jí)Tab.2 Seismic Performance Objectives,Performance Levels and Requirement for Members of Special Seismic Design Grade Table
鑒于6度地震力小,豎向荷載占比相對(duì)大,容易滿足性能目標(biāo)B 級(jí)的要求,故3.10.3 條的規(guī)定實(shí)際上是鼓勵(lì)6 度區(qū)性能目標(biāo)選用B 級(jí)而不是3.9.3 條規(guī)定的最低C 級(jí),以使設(shè)計(jì)在保證安全的情況下,更為經(jīng)濟(jì)合理,并不存在與3.10.3條沖突、不遵循“R-μ規(guī)律”的問題。同理,對(duì)風(fēng)荷載控制的高層或超高層,說明地震荷載對(duì)應(yīng)下的R值相對(duì)減小,也可根據(jù)“R-μ規(guī)律”,相應(yīng)提高性能目標(biāo),降低構(gòu)造等級(jí)。
8 度與9 度按表3.9.3 最低性能目標(biāo)均為D 級(jí),按表3.10.3 對(duì)應(yīng)的抗震構(gòu)造等級(jí)分別為一級(jí)、特一級(jí)的原因說明如下:
⑵按3.9.3條的最低要求,根據(jù)“R-μ規(guī)律”,原則上9度的構(gòu)造等級(jí)可采用一級(jí)。
⑶根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究成果,以框架結(jié)構(gòu)為例,在高度相同的情況下,結(jié)構(gòu)的超強(qiáng)系數(shù)隨抗震設(shè)防烈度的增大而減少,50a 的地震損失風(fēng)險(xiǎn)和年均地震損失風(fēng)險(xiǎn)隨抗震設(shè)防烈度的增大而增大[12]。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也表明,不同結(jié)構(gòu)體系9 度大震下的損傷均相對(duì)8 度嚴(yán)重,即同一R值下,9 度真實(shí)的延性需求比8 度高,故將9度的構(gòu)造等級(jí)提高到了特一級(jí),吻合性能設(shè)計(jì)思想和“R-μ規(guī)律”的本質(zhì)。
綜上,除9 度區(qū)基于理論研究和工程實(shí)踐提高了構(gòu)造等級(jí)外,文獻(xiàn)[1]的構(gòu)造等級(jí)與大震性能水準(zhǔn)一一對(duì)應(yīng),遵循了“R-μ規(guī)律”。因遵循了“R-μ規(guī)律”,業(yè)主、設(shè)計(jì)可根據(jù)使用、結(jié)構(gòu)受力需求靈活選擇性能目標(biāo)及對(duì)應(yīng)的構(gòu)造等級(jí),合理評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)與投資的平衡,而文獻(xiàn)[3]則相對(duì)靈活性不足(性能目標(biāo)提高,構(gòu)造等級(jí)不變)。
文獻(xiàn)[1]的3.10.3 條主要為基于常規(guī)項(xiàng)目便于執(zhí)行的規(guī)定,為避免引起可能的理解歧義,建議此條條文內(nèi)容之“丙類建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造等級(jí)應(yīng)按表3.10.3確定”中的“應(yīng)”字調(diào)整為“宜”。
文獻(xiàn)[3]的“高度原則”是其B 級(jí)高度不同結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件的抗震構(gòu)造等級(jí)普遍高于文獻(xiàn)[1]的主要原因。
韋鋒等人[13]按照從R到μ的思路,采用考慮剛度退化的兩折線滯回模型,選用181 條實(shí)際記錄的地震波(對(duì)應(yīng)我國(guó)Ⅱ類場(chǎng)地)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析,求得單自由度體系“R-μ-T規(guī)律”的統(tǒng)計(jì)平均曲線,如圖1 所示。經(jīng)初步驗(yàn)證,圖1 的曲線結(jié)果與國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于單自由度體系和Ⅱ類場(chǎng)地的研究結(jié)果在整體趨勢(shì)上基本一致,如圖2(以R=3 為例)[13],圖2 中“本文計(jì)算結(jié)果”的本文指文獻(xiàn)[13]。
圖1 平均延性需求譜Fig.1 Average Ductility Demand Spectrum
圖2 不同研究者得出的平均延性需求譜對(duì)比Fig.2 Comparison of Average Ductility Demand Spectrum by Different Researchers
以上研究成果揭示:
⑴整體趨勢(shì)上,地震力降低系數(shù)R越大,延性需求μ越大。
⑵曲線近似按四段考慮,經(jīng)第一階段的陡峭下降后,進(jìn)入下降速率減小、進(jìn)一步減小的第二、第三階段,當(dāng)自振周期T超過一定值后,曲線基本保持水平(第四階段)。隨著周期的增長(zhǎng),延性需求μ在第一階段急速衰減、第二階段衰減速度緩和、第三階段衰減速度緩慢、第四階段基本不變。同時(shí)R值越大,第一、第二階段經(jīng)歷的周期跨度越大。
3.1.3 “農(nóng)業(yè)+民俗文化”:文化創(chuàng)意帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)的相互融合與促進(jìn) 在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中,以當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)文化、風(fēng)俗習(xí)慣及區(qū)域特色為切入點(diǎn),進(jìn)一步把握其文化的深層次含義,通過合理策劃來為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及展示等活動(dòng)注入更多活力,充分體現(xiàn)其文化性與地域性?;诂F(xiàn)有的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈及三大產(chǎn)業(yè)的共同發(fā)展,重點(diǎn)發(fā)展鄉(xiāng)村文化,實(shí)現(xiàn)文明創(chuàng)新,有機(jī)結(jié)合農(nóng)村產(chǎn)業(yè)與鄉(xiāng)村旅游、區(qū)域文化[6]。通過多元化的產(chǎn)業(yè)文化和一目了然的體驗(yàn)形式來深化游客對(duì)文化的理解與體會(huì)。
⑶ 地震力降低系數(shù)R一定時(shí),以圖1 的R=4 為例。μ第一階段(T≤0.65)的最小值、第二階段(0.65<T≤3.44)的取值范圍、第三階段(3.44<T≤7.90)的取值范圍和第四階段(T>7.90)的取值分別約為5.66、3.81~5.66、3.42~3.81和3.42。第一階段(短周期段)的μ值整體上較大,大于4,第二階段(中長(zhǎng)周期段)μ值從大于4 衰減到小于4,第三、第四階段(長(zhǎng)周期段)μ值均小于4。
由上述研究成果,在同一設(shè)計(jì)地震力水準(zhǔn)(R值不變)下,短周期結(jié)構(gòu)的延性需求μ相對(duì)需要較大提高,長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)則可稍微降低。參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范:GB 50009—2012》附錄F 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自振周期的經(jīng)驗(yàn)估算公式T1=(0.005~0100)n,n為結(jié)構(gòu)總層數(shù),一般意義上,高度高的結(jié)構(gòu)相對(duì)高度低的自振周期長(zhǎng),故文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]確定抗震構(gòu)造等級(jí)的“高度原則”與上述研究成果正好背道而馳,導(dǎo)致短周期結(jié)構(gòu)不安全,中周期尤其是長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)又太保守。
文獻(xiàn)[9]對(duì)于超過反應(yīng)譜平臺(tái)段的中長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)(第二至第四階段),延性需求μ隨周期的增大線性降低,但下限值略高于按等能量原理(R= 2μ-1)確定的值[9]。
文獻(xiàn)[1]沒有考慮結(jié)構(gòu)高度對(duì)延性需求μ的影響,無論何種高度,構(gòu)造等級(jí)不變,大方向上遵循了R與μ對(duì)應(yīng)的原則。
根據(jù)上述研究成果,文獻(xiàn)[1]相對(duì)文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3],對(duì)延性需求μ可適當(dāng)降低的長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu),雖然沒有反向提高,但依然偏保守;對(duì)μ需要較大提高的短周期結(jié)構(gòu),雖然沒有出現(xiàn)反而降低了的更不合理情況,但同樣或不夠安全。
建議文獻(xiàn)[1]深化高度對(duì)結(jié)構(gòu)延性需求影響的研究工作,以論證是否需對(duì)不同高度結(jié)構(gòu)的延性構(gòu)造措施進(jìn)行更合理的細(xì)化。
建議文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]首先撥正與“R-μ規(guī)律”完全相反的“高度原則”,回到正確的方向上,并同文獻(xiàn)[1]一樣開展高度對(duì)結(jié)構(gòu)延性需求影響的論證研究工作。
無論何種結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)中不同的構(gòu)件,對(duì)結(jié)構(gòu)安全和延性的貢獻(xiàn)程度不同,設(shè)計(jì)中應(yīng)區(qū)別對(duì)待。
文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]的“構(gòu)件原則”不僅體現(xiàn)在抗震構(gòu)造等級(jí)上,亦體現(xiàn)在與抗震等級(jí)相關(guān)的內(nèi)力調(diào)整及對(duì)構(gòu)件抗震等級(jí)或內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整的其他相關(guān)規(guī)定上,如框-剪結(jié)構(gòu)框架和剪力墻承擔(dān)的傾覆彎矩比的規(guī)定、框-剪結(jié)構(gòu)0.2Vo的規(guī)定、筒體結(jié)構(gòu)中框架部分按側(cè)向剛度分配的樓層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值承擔(dān)比例的規(guī)定、部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)框支柱承受的水平地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值承擔(dān)比例的規(guī)定等。
抗震等級(jí)相關(guān)的調(diào)整,涉及到構(gòu)件承載力和延性構(gòu)造兩個(gè)層面的調(diào)整,導(dǎo)致等級(jí)高的相對(duì)等級(jí)低的不僅承載力高,延性也高,雙重破壞了“R-μ規(guī)律”。
概念設(shè)計(jì)如“強(qiáng)柱弱梁”對(duì)構(gòu)件內(nèi)力的人為調(diào)整,因軸力不變,導(dǎo)致調(diào)整后不同柱構(gòu)件的安全度不同。以某框架柱為例,抗震等級(jí)為三級(jí),截面600 mm×600 mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40,計(jì)算長(zhǎng)度為5.0 m。假設(shè)X方向未調(diào)整前柱端的彎矩設(shè)計(jì)值為800 kN·m,經(jīng)“強(qiáng)柱弱梁”彎矩增大系數(shù)ηc=1.3調(diào)整后為1 040 kN·m。該柱X方向不同設(shè)計(jì)軸力N/kN下對(duì)應(yīng)的縱筋配筋(按單偏壓計(jì)算,對(duì)稱配筋)對(duì)比如表3 所示。其中μ1為軸壓比,AS1、AS2分別為彎矩調(diào)整前、后的配筋(單位mm2),K為后者與前者的比值。
表3對(duì)比結(jié)果顯示,不同軸力下,柱端彎矩按同一放大系數(shù)ηc=1.3 調(diào)整后,柱調(diào)整前、后的縱筋配筋比值K不同,即柱的安全度不同。
表3 配筋對(duì)比Tab.3 Comparison of Reinforcement
內(nèi)力承擔(dān)比的部分規(guī)定在跨越“臨界值”時(shí)會(huì)出現(xiàn)不合理的突變情況。如7 度區(qū)某56 m 高框-剪結(jié)構(gòu),略微加長(zhǎng)某剪力墻的長(zhǎng)度,導(dǎo)致在規(guī)定的水平力作用下,結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的傾覆力矩與總傾覆力矩的比值由原來的51%降低到49%,兩者僅相差4.1%,受力需求差別甚微,但框架對(duì)應(yīng)的抗震等級(jí)則分別為二級(jí)和三級(jí),前者的承載力和延性要求均高于后者。
文獻(xiàn)[1]3.9.5條承載力設(shè)計(jì)規(guī)定的條文說明中指出:“盡管采取強(qiáng)柱弱梁的抗震設(shè)計(jì)措施,但震害調(diào)查表明,塑性鉸往往出現(xiàn)在柱端而不在梁端,主要原因之一是樓板的作用、鋼筋等材料的超強(qiáng)使得框架梁端的受彎承載力超強(qiáng),有必要以重要性系數(shù)適當(dāng)降低梁端截面的受彎承載力,保證強(qiáng)柱弱梁屈服機(jī)制的實(shí)現(xiàn)”[1]。
鑒于樓板對(duì)梁的空間加強(qiáng)作用機(jī)理尚未被完全揭露,目前無法量化,文獻(xiàn)[1]從結(jié)構(gòu)整體超強(qiáng)的角度,在承載力驗(yàn)算公式中以構(gòu)件重要性系數(shù)η對(duì)構(gòu)件的地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行調(diào)整。一般豎向構(gòu)件較重要,不考慮結(jié)構(gòu)超強(qiáng)因素,取η=1.0,水平耗能構(gòu)件允許更快屈服,考慮結(jié)構(gòu)超強(qiáng),取η=0.5~0.7(對(duì)一旦失效將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連續(xù)破壞、倒塌的關(guān)鍵構(gòu)件或工程師認(rèn)為重要的構(gòu)件,可根據(jù)性能設(shè)計(jì)需求取η>1.0)。
對(duì)結(jié)構(gòu)超強(qiáng)現(xiàn)象的研究,國(guó)外通過數(shù)值模擬、試驗(yàn)及震害評(píng)估的方式,已取得較為成熟的成果并體現(xiàn)在各國(guó)規(guī)范中[6-9],文獻(xiàn)[2]未考慮此現(xiàn)象,但我國(guó)已有較多學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究。國(guó)內(nèi)外普遍的共識(shí)有:①低層結(jié)構(gòu)的超強(qiáng)系數(shù)相對(duì)高層結(jié)構(gòu)高;②低烈度區(qū)結(jié)構(gòu)的超強(qiáng)系數(shù)相對(duì)高烈度區(qū)結(jié)構(gòu)高。使用文獻(xiàn)[1]的時(shí)候,要注意對(duì)構(gòu)件重要性系數(shù)η的合理取值。
李何瀟等人[14]統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外不同層數(shù)、不同烈度關(guān)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)超強(qiáng)系數(shù)Rd(結(jié)構(gòu)體系的實(shí)際屈服強(qiáng)度與設(shè)計(jì)強(qiáng)度的比值)的研究成果數(shù)據(jù),國(guó)外Rd的范圍為1.5~6.5,其中某低烈度區(qū)因受重力荷載或風(fēng)荷載控制高達(dá)12.7,國(guó)內(nèi)的范圍則為1.50~6.97。此外,文獻(xiàn)[14]通過對(duì)嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的8 個(gè)處于不同設(shè)防烈度分區(qū)和不同層數(shù)的剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力推覆分析,得出可保守地認(rèn)為嚴(yán)格按照我國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)的超強(qiáng)系數(shù)最小值為2 的結(jié)論[14]。岳茂光等人[15]以汶川地震震害統(tǒng)計(jì)和數(shù)值模擬相互論證的方式,得出總體上認(rèn)為,按照文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的超強(qiáng)系數(shù)大于2 的結(jié)論[15]。
文獻(xiàn)[1]水平構(gòu)件的重要性系數(shù)取0.5~0.7,相當(dāng)于僅針對(duì)地震作用超強(qiáng)系數(shù)取1.43~2.00,相對(duì)還是保守的,尤其是對(duì)豎向荷載或風(fēng)荷載占一定比例的框架梁。
文獻(xiàn)[1]承載力驗(yàn)算時(shí),壓、剪和彎、拉承載力利用系數(shù)ξ取值不同[5],比如中震下的性能水準(zhǔn)為3時(shí),ξ壓、剪取0.74,彎、拉取0.87,壓、剪的承載力要求高于彎、拉。此參數(shù)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎概念設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[1]5.2.3條規(guī)定,豎向荷載下,考慮框架梁端塑性變形內(nèi)力重分布對(duì)梁端負(fù)彎矩進(jìn)行調(diào)幅的系數(shù)可取為0.7~0.9,以適當(dāng)降低梁端的承載力。
綜上,文獻(xiàn)[1]的“構(gòu)件原則”主要體現(xiàn)在僅考慮水平構(gòu)件超強(qiáng)對(duì)其地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行折減、承載力利用系數(shù)ξ壓剪和彎拉取值不同及梁端彎矩調(diào)幅3 個(gè)方面,以實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的屈服機(jī)制。不區(qū)分結(jié)構(gòu)體系,只涉及承載力,不涉及抗震構(gòu)造等級(jí)即延性的雙重調(diào)整,設(shè)計(jì)原則和邏輯統(tǒng)一,不存在文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]不同柱構(gòu)件的安全度不同、內(nèi)力承擔(dān)比部分規(guī)定導(dǎo)致構(gòu)件承載力和延性要求不合理突變的問題。
2001 年版文獻(xiàn)[2]、2002 年版文獻(xiàn)[3]的“抗震等級(jí)表”延續(xù)了1989 版文獻(xiàn)[2]的“設(shè)防烈度原則”、“高度原則”和“構(gòu)件原則”三大確定原則,雖然兩者均出臺(tái)了現(xiàn)行的2010 版并新增了“性能化設(shè)計(jì)”章節(jié),但“抗震等級(jí)表”未有變化,至今使用20余年。
抗震等級(jí)的規(guī)定本質(zhì)上是鑒于地震的不確定性、彈塑性理論和計(jì)算分析手段不完善等限制,為提高結(jié)構(gòu)延性和變形能力而基于概念設(shè)計(jì)提出的“半經(jīng)驗(yàn)半理論”處理措施,不可否認(rèn),是在理論和經(jīng)驗(yàn)都不夠的情況下提出的,三大確定原則似乎更多是基于直觀感覺而非充分的事實(shí)和理論依據(jù),因?yàn)闆]有統(tǒng)一的指導(dǎo)思想和原則,導(dǎo)致沒有一個(gè)原則是統(tǒng)一執(zhí)行、一以貫之的。同時(shí),基于小震設(shè)計(jì)的承載力和相同的構(gòu)造等級(jí),卻要完成“中震可修”、“大震不倒”兩個(gè)不同的性能要求,一個(gè)μ對(duì)應(yīng)兩個(gè)R,不吻合R與μ對(duì)應(yīng)的基本原則,也由于未遵循抗震性能設(shè)計(jì)思想背后核心的“R-μ規(guī)律”,導(dǎo)致我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)難以和國(guó)際主流抗震設(shè)計(jì)理念接軌。
20年的跨度,新的科研理論成果和工程實(shí)踐創(chuàng)新層出不窮,對(duì)地震的認(rèn)識(shí)、彈塑性理論和分析手段都有了巨大的發(fā)展和進(jìn)步,性能化設(shè)計(jì)思想也已普及并成就斐然(如文獻(xiàn)[16]基于構(gòu)件的性能化研究成果),對(duì)“抗震等級(jí)表”工程實(shí)踐存在和反饋的客觀問題,建議予以必要的重視。
文獻(xiàn)[1]采用中震擬彈性計(jì)算構(gòu)件的承載力,以可計(jì)算驗(yàn)證的方式保證“中震可修”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),并通過延性構(gòu)造措施實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的目標(biāo),方式上和文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]一致,但設(shè)計(jì)思想上差別較大,文獻(xiàn)[1]從中震到大震設(shè)計(jì),都基于并貫徹了目前最先進(jìn)的性能化設(shè)計(jì)思想,抗震構(gòu)造措施與性能水準(zhǔn)對(duì)應(yīng),概念清晰,原則統(tǒng)一,解決了文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]抗震等級(jí)規(guī)定存在的一系列問題。
抗震構(gòu)造措施是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)、提高結(jié)構(gòu)變形能力的方式之一,其最終目的是為了滿足結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)的要求。
2022 年1 月1 日正式實(shí)施的《建筑與市政工程抗震通用規(guī)范:GB 55002—2021》[4]總則1.0.3 條規(guī)定:“工程建設(shè)所采用的技術(shù)方法和措施是否符合本規(guī)范要求,由相關(guān)責(zé)任主體判定。其中,創(chuàng)新性的技術(shù)方法和措施,應(yīng)進(jìn)行論證并符合本規(guī)范中有關(guān)性能的要求”[4]。并在2.1節(jié)明確丙類建筑性能要求為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。
文獻(xiàn)[1]采用中震進(jìn)行承載力設(shè)計(jì)的方法、結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造等級(jí)確定原則的簡(jiǎn)化等修訂內(nèi)容屬于創(chuàng)新性的技術(shù)方法和措施,并已通過審查委員會(huì)的論證,根據(jù)文獻(xiàn)[4]的規(guī)定精神,采用文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),只要能滿足性能要求即可。
文獻(xiàn)[1]采用中震進(jìn)行承載力設(shè)計(jì),以可計(jì)算驗(yàn)證的方法保證了“中震可修”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),基本也保證了“小震不壞”,只剩下“大震不倒”的性能目標(biāo)需要進(jìn)一步復(fù)核。
文獻(xiàn)[1]在修訂說明第5款中指出:“算例表明,滿足中震性能水準(zhǔn)時(shí)往往可以滿足大震性能水準(zhǔn)。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),規(guī)定6、7 度低烈度區(qū)、150 m 以下、較簡(jiǎn)單、規(guī)則的丙類建筑結(jié)構(gòu),可不進(jìn)行大震彈塑性計(jì)算”[5]。
文獻(xiàn)[5]對(duì)此進(jìn)行了說明,闡述了性能目標(biāo)從A級(jí)到D 級(jí),上述丙類建筑不進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性分析,也能保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下滿足預(yù)期性能目標(biāo)的原因[5],其核心是基于“R-μ規(guī)律”。以性能目標(biāo)D為例,中震對(duì)應(yīng)性能水準(zhǔn)4,地震力折減系數(shù)c=0.7,按大震彈性地震力為中震的2 倍考慮,即相當(dāng)于大震地震力的降低系數(shù)R=2/0.7=2.857。對(duì)中長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu),大致按等位移原理[17],對(duì)應(yīng)的延性系數(shù)μ=R=2.857(若考慮結(jié)構(gòu)超強(qiáng)效應(yīng),延性系數(shù)還可降低),而大震對(duì)應(yīng)性能水準(zhǔn)5,構(gòu)造等級(jí)不低于一級(jí),屬于高延性構(gòu)造,國(guó)內(nèi)外的研究成果和工程實(shí)踐表明,其延性系數(shù)遠(yuǎn)大于3,結(jié)構(gòu)有足夠的能力儲(chǔ)備經(jīng)受大震考驗(yàn);對(duì)如自振周期在反應(yīng)譜平臺(tái)范圍內(nèi)的短周期結(jié)構(gòu),偏保守取結(jié)構(gòu)超強(qiáng)系數(shù)Rd=1.5,結(jié)構(gòu)實(shí)際屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的R=1.905,雖然根據(jù)“R-μ規(guī)律”對(duì)應(yīng)的是低延性需求,鑒于文獻(xiàn)[1]也沒有考慮短周期結(jié)構(gòu)延性需求更高的影響,建議補(bǔ)充大震性能目標(biāo)復(fù)核,尤其是8度區(qū)。
綜合本文前述內(nèi)容,文獻(xiàn)[1]與文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]無論從承載力的驗(yàn)算,還是延性設(shè)計(jì)采取的措施上,均不一致,兩者的設(shè)計(jì)思想有著本質(zhì)的不同且各成體系,相關(guān)的規(guī)定存在差異不可避免,從尊重科學(xué)客觀規(guī)律的角度,在此體系下合理、適用的規(guī)定在另一個(gè)體系下必然不一定合理、適用。
基此,對(duì)文獻(xiàn)[1]確定抗震構(gòu)造等級(jí)的執(zhí)行方式,建議解決方案如下,供同行討論參考。
⑴ 進(jìn)行中震設(shè)計(jì),抗震構(gòu)造等級(jí)遵循“R-μ規(guī)律”,按文獻(xiàn)[1]規(guī)定采用。
⑵實(shí)操層面上,必要時(shí)可采用文獻(xiàn)[1]抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜,不考慮抗震等級(jí)相關(guān)的內(nèi)力調(diào)整,補(bǔ)充復(fù)核構(gòu)件承載力是否滿足“小震不屈服”要求(即文獻(xiàn)[4]“小震不壞”的性能要求)。
⑶對(duì)存在構(gòu)件抗震構(gòu)造等級(jí)低于文獻(xiàn)[4]的結(jié)構(gòu),結(jié)合文獻(xiàn)[1]修訂說明第5 款,根據(jù)實(shí)際情況判斷是否補(bǔ)充“大震不倒”性能要求的復(fù)核。
⑴抗震構(gòu)造等級(jí)遵循“R-μ規(guī)律”,按文獻(xiàn)[1]規(guī)定采用。
⑵按照文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[4]規(guī)定進(jìn)行中、大震下的性能化設(shè)計(jì),根據(jù)性能要求可局部提高部分樓層或構(gòu)件的構(gòu)造等級(jí),最終滿足兩者規(guī)定的性能目標(biāo)。
⑶必要時(shí)同非超限結(jié)構(gòu),補(bǔ)充“小震不壞”性能要求的復(fù)核。
⑴文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]確定抗震構(gòu)造等級(jí)的三大原則——“設(shè)防烈度原則”、“高度原則”和“構(gòu)件原則”,沒有一個(gè)原則是一以貫之、統(tǒng)一執(zhí)行的。
⑵文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]確定抗震構(gòu)造等級(jí)的“設(shè)防烈度原則”未遵循“R-μ規(guī)律”,導(dǎo)致烈度低的結(jié)構(gòu)安全度相對(duì)低。
⑶ 文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]的“高度原則”與“R-μ規(guī)律”背道而馳,導(dǎo)致短周期結(jié)構(gòu)不安全,中周期尤其是長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)又太保守。文獻(xiàn)[1]沒有“高度原則”,但同樣存在短周期結(jié)構(gòu)或不夠安全、長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)偏保守的問題。
⑷文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]的“構(gòu)件原則”,相關(guān)的調(diào)整存在雙重破壞“R-μ規(guī)律”、不同柱構(gòu)件安全度不同及跨越“臨界值”時(shí)出現(xiàn)不合理的突變等問題。
⑸文獻(xiàn)[1]的“構(gòu)件原則”主要體現(xiàn)在僅考慮水平構(gòu)件超強(qiáng)對(duì)其地震作用效應(yīng)折減、承載力利用系數(shù)ξ壓剪和彎拉取值不同及梁端彎矩調(diào)幅三個(gè)方面,以實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的屈服機(jī)制。
⑹文獻(xiàn)[1]抗震構(gòu)造等級(jí)與大震性能水準(zhǔn)一一對(duì)應(yīng),遵循了“R-μ規(guī)律”,原則統(tǒng)一,概念清晰明確。9度區(qū)基于理論研究和工程實(shí)踐將構(gòu)造等級(jí)提高至特一級(jí)亦吻合性能設(shè)計(jì)思想和“R-μ規(guī)律”的本質(zhì)。
⑺采用文獻(xiàn)[1],業(yè)主、設(shè)計(jì)可根據(jù)使用、結(jié)構(gòu)受力需求靈活選擇性能目標(biāo)及對(duì)應(yīng)的構(gòu)造等級(jí),合理評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)與投資的平衡,而文獻(xiàn)[3]則相對(duì)靈活性不足。
⑻文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]的“抗震等級(jí)表”長(zhǎng)達(dá)20 年未從理論革新和實(shí)踐論證中進(jìn)行修訂,建議把文獻(xiàn)[1]成果合理的部分作為下一次修訂有益的參考或補(bǔ)充。
⑼建議文獻(xiàn)[1]3.10.3 條條文內(nèi)容之“丙類建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造等級(jí)應(yīng)按表3.10.3 確定”中的“應(yīng)”字調(diào)整為“宜”。
⑽建議文獻(xiàn)[1]深化高度對(duì)結(jié)構(gòu)延性需求影響的研究工作,以論證是否需對(duì)不同高度結(jié)構(gòu)的延性構(gòu)造措施進(jìn)行更合理的細(xì)化。
⑾對(duì)文獻(xiàn)[1]確定抗震構(gòu)造等級(jí)的執(zhí)行方式提出了建議解決方案,供同行討論參考。