非結構構件抗震性能目標和分析方法探討

朱海華

1 概述

目前,世界各國的傳統抗震設計理論大多數采用多級設計思想,結構在遇到破壞性地震時,允許出現一定的破壞,但主體不能倒塌。如我國采用的“小震不壞,中震可修,大震不倒”設計思想,確保生命安全。隨著經濟的發(fā)展以及社會化程度的提高,人們投資于非結構系統的費用逐漸提高并占有較大的比例,這些非結構部分的破壞直接影響著結構物的安全性和使用功能,會造成嚴重的財產損失以及運營中斷等間接性的經濟損失。這些附加的損失加重甚至顯著超過了結構損失,給社會以及業(yè)主造成沉重的負擔?；诮Y構性能的抗震設計理論認為非結構體系也是結構的一部分,其抗震性能也應滿足性能目標水準的要求,體現在設計中就是非結構構件抗震性能在結構驗算時應滿足設計要求。

2 抗震性能目標

非結構構件抗震設計時,其抗震設防目標與主體結構體系不完全相同,但與三水準設防目標相協調:容許非結構構件的損壞程度略大于主體結構,但不得危及生命安全。

非結構構件的抗震設防分類,各國的抗震規(guī)范、標準有不同的規(guī)定。參照國際上的規(guī)定,我國新規(guī)范采用不同的計算系數和抗震措施來表征,把非結構構件的抗震設防目標大致分為高、中、低3個層次[1]。我國建設部(90)建抗字第377號文《建筑地震破壞等級劃分標準》的有關規(guī)定如表1所示。

表1 建筑地震破壞等級劃分表

非結構構件在地震作用下的損壞程度與變形特別是樓層的層間位移角有明顯的對應關系,因此,對于采用變形要求作為不同性能指標的結構,可能得出抗震措施的初步定量關系。我國建筑幕墻設計規(guī)范中,對于玻璃幕墻平面內變形的性能也有具體的要求。但是更多的非結構構件的性能標準還只停留在定性的描述上。然而對于非結構構件,除了要有定性的損傷描述,更重要的是量化性能水準。文獻[5]通過統計認為,當層間側移角達到1/1 000時,非結構構件可能遭受損傷,這對確定彈性階段層間位移角作為非結構構件的性能標準有一定的參考價值。采用層間位移角作為結構性能水準的評價指標,可以與我國新頒布的GB 50011-2001建筑結構抗震設計規(guī)范相聯系。規(guī)范規(guī)定了各類結構的彈性層間位移角和彈塑性層間位移角,因此,采用層間位移角作為結構性能水準的評價指標可以建立在新規(guī)范的限值之上,不需要作很大的轉換與計算,使用方便。

3 抗震性能分析方法

3.1 基于位移的分析方法

基于位移法是在抗震設計時定量分析[2],使構件的塑形變形能力滿足預期的地震作用下的變形要求,與傳統的基于承載力或強度的設計方法相比,這種方法首先確定非結構構件的目標位移,再根據目標位移進行數值迭代反求構件的屈服位移,反復迭代直到滿足給定的精度。

3.2 能量分析方法

能量分析法是介于傳統方法和基于位移方法之間的一種方法,基本思想是在非延性破壞模式和設計破壞模式之間確保合適的強度界限。也就是說,對構件在較大地震作用時產生的塑形變形能量耗散,通過控制其耗能能力來達到控制整個構件的抗震性能的目的。

3.3 簡化方法

對于和結構單點或兩點連接的非結構構件,可按如下簡化方法進行抗震驗算:

其中,Fpj為沿最不利方向作用于非結構構件上的j層重心的水平地震力標準值;Wpj為j層非結構構件重量;lj為連接點到構件重心的距離;Vp為構件所在樓層剪力;I為重要性系數;C為設計譜加速度;Wp為非結構構件總重;Cp為放大系數。

對于和兩個或兩個以上樓面連接的非結構構件,我們可以把它分割成多個和單個或兩個樓面連接的子系統來分析。如圖1所示,非結構構件分別與3層,4層和5層樓面相連,可以把它考慮成兩個子構件,一個和3層,4層連接;另一個和4層,5層連接,再逐個進行分析。

4 結語

對于非結構構件,人們對此研究一直遠遠落后于對結構的研究。一方面,是由于非結構構件的種類繁多,力學模型難以建立,更難以建立一個系統的、量化的、與性能水準相一致的損傷標準;另一方面,它與結構的關系是相互的,且對結構的反應較敏感。因此,完善對非結構構件的地震反應分析并建立一套與結構性能水準相協調的性能標準將是在未來的地震中降低非結構構件的損失和實現基于建筑物性能設計的關鍵。

[1] GB 50011-2001,建筑結構抗震規(guī)范[S].

[2] 謝曉健,蔣永生,梁書亭.基于結構功能設計理論的發(fā)展綜述[J].東南大學學報(自然科學版),2000(3):52-53.

[3] 楊 強.房屋非結構構件的抗震設計要點[J].煤炭工程,2003(8):18-19.

[4] 秦 權,李 瑛.非結構構件和設備的抗震設計樓面譜[J].清華大學學報(自然科學版),1997(12):88-89.

[5] School RE.Brace Dampers:An Alternative Structural System for Improveing Earthquake Performance of Buildings[J].San Francisco,2001,5(1):84.