綠色建筑基于性能的抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

閆新，孟磊

（1煤炭工業(yè)合肥設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230041；2安徽省金田建筑設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230051）

0 引言

近日合肥市建委印發(fā)了“合肥市城鄉(xiāng)建設(shè)局關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)全市房屋建筑工程抗震管理的通知”合建〔2019〕255號(hào)。對(duì)房屋建筑工程抗震管理作出了更明確的要求，其中二.(四)款對(duì)綠色建筑工程的性能化設(shè)計(jì)作出明確要求：“綠色建筑宜采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)并合理提高建筑的抗震性能。二星級(jí)綠色建筑，其關(guān)鍵構(gòu)件的抗震承載力應(yīng)不低于“中震不屈服”，豎向構(gòu)件的受剪截面應(yīng)滿足“中震截面限制條件”，或采取減震隔震技術(shù)。三星級(jí)綠色建筑，其關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件的正截面承載力、耗能構(gòu)件的受剪承載力均應(yīng)不低于“中震不屈服”抗震性能水平，或采取減震隔震技術(shù)”。為了便于執(zhí)行上述規(guī)定，本文重點(diǎn)對(duì)一些概念和實(shí)施方法進(jìn)行論述，供設(shè)計(jì)參考。

1 綠色建筑星級(jí)評(píng)價(jià)

在全壽命期內(nèi)，節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、減少污染，為人們提供健康、適用、高效的使用空間，最大限度地實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的高質(zhì)量建筑為綠色建筑。涉及建筑安全耐久、健康舒服、生活便利、資源節(jié)約（節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材）和環(huán)境宜居等方面的綜合性能。綠色建筑劃分為基本級(jí)、一星級(jí)、二星級(jí)、三星級(jí)四個(gè)等級(jí)。根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2019）第4.2.1條規(guī)定：“采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)并合理提高建筑的抗震性能，評(píng)價(jià)分值為10分?！?.2.1條文說(shuō)明中明確為：采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)并適當(dāng)提高建筑的抗震性能指標(biāo)要求，如采用“中震不屈服”以上的性能目標(biāo)，或者為滿足使用功能而提出比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求更高的剛度要求等，可以提高建筑的抗震安全性及功能性；采用隔震、消能減震設(shè)計(jì)，是提高建筑物的設(shè)計(jì)類別或提高其抗震性能要求時(shí)的有效手段?？梢钥闯鼍G色建筑工程基于性能的抗震設(shè)計(jì)要求與合建〔2019〕255號(hào)文較為一致，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)合肥地區(qū)的房屋建筑工程需按合建〔2019〕255號(hào)要求執(zhí)行。

2 關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件、耗能構(gòu)件

關(guān)鍵構(gòu)件：《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）指該構(gòu)件的失效可能引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)破壞或危及生命安全的嚴(yán)重破壞。在性能化設(shè)計(jì)時(shí)，通常將以下三類構(gòu)件設(shè)定為關(guān)鍵構(gòu)件:推遲結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服階段的構(gòu)件，如底部加強(qiáng)區(qū)核心筒剪力墻；二是可能引起較大內(nèi)力重分布的構(gòu)件，如抬柱梁；三是可能引起結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的構(gòu)件，如大懸挑桁架的弦桿和腹桿。關(guān)鍵構(gòu)件舉例及相應(yīng)最低性能水準(zhǔn)要求見(jiàn)表1。普通堅(jiān)向構(gòu)件：指“關(guān)鍵構(gòu)件”之外的其他豎向構(gòu)件。耗能構(gòu)件：一般框架梁、剪力墻連梁、偏心支撐的耗能梁、耗能支撐、耗能阻尼裝置等屬于耗能構(gòu)件。

表1 關(guān)鍵構(gòu)件舉例及相應(yīng)最低性能水準(zhǔn)要求

3 抗震性能化設(shè)計(jì)原則

抗震性能化設(shè)計(jì)是指預(yù)先設(shè)定具體量化的不同地震水準(zhǔn)下建筑的不同性能目標(biāo)(地震反應(yīng)和損傷程度)，通過(guò)深入的計(jì)算分析、試驗(yàn)等進(jìn)行論證，調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，采取有針對(duì)性的加強(qiáng)措施，使得建筑結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)預(yù)期的性能目標(biāo)要求?？拐鹦阅芑O(shè)計(jì)可以滿足社會(huì)和業(yè)主對(duì)建筑抗震性能的多層次要求；可以解決由于采用現(xiàn)行規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)中還未明確規(guī)定的新結(jié)構(gòu)體系、新技術(shù)、新材料帶來(lái)的設(shè)計(jì)依據(jù)缺失問(wèn)題；對(duì)于超限高層建筑工程，由于其超出相關(guān)規(guī)范要求的抗震概念設(shè)計(jì)要求，需要通過(guò)性能化設(shè)計(jì)了解不同地震水準(zhǔn)下建筑結(jié)構(gòu)抗震性能。

抗震性能化設(shè)計(jì)基本原則如下：①抗震性能化設(shè)計(jì)是在我國(guó)規(guī)范“小震不壞、中震可修和大震不倒”的抗震設(shè)防準(zhǔn)則基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)細(xì)化中、大震作用下的抗震設(shè)計(jì)，是對(duì)兩階段抗震設(shè)計(jì)方法的補(bǔ)充和完善。②抗震性能化設(shè)計(jì)主要目標(biāo)是提高結(jié)構(gòu)抗震安全度。抗震安全度體現(xiàn)在以下方面:結(jié)構(gòu)具有合理的屈服機(jī)制和耗能機(jī)制；構(gòu)件在中、大震下具有相應(yīng)的抗震承載能力或損傷處于受控狀態(tài)；構(gòu)件變形控制在合理程度。③抗震性能化設(shè)計(jì)通過(guò)以下過(guò)程完成：建立符合實(shí)際情況的計(jì)算模型，進(jìn)行比較精細(xì)化的計(jì)算分析，選擇合理的設(shè)防目標(biāo)并加以復(fù)核驗(yàn)證，采取有針對(duì)性的對(duì)薄弱部位和環(huán)節(jié)的加強(qiáng)措施。在彈塑性分析前應(yīng)進(jìn)行符合實(shí)際的施工模擬分析。

性反應(yīng)譜分析法。應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的合理性、正確性進(jìn)行分析和判斷。⑤彈塑性計(jì)算模型應(yīng)采用得到試驗(yàn)驗(yàn)證的、國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的材料層次、構(gòu)件層次以及結(jié)構(gòu)層次彈塑性模型。⑥結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型應(yīng)真實(shí)反映進(jìn)入非線性狀態(tài)后結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度的空間分布。所有的非線性反應(yīng)均應(yīng)考慮P-△效應(yīng)。⑦彈塑性計(jì)算需采用國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的結(jié)構(gòu)彈塑性計(jì)算軟件。

4 中震(大震)彈性、中震(大震)不屈服

結(jié)構(gòu)在中、大震作用下，由于部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件已經(jīng)屈服，結(jié)構(gòu)的整體阻尼比和周期均增加，從加速度反應(yīng)譜曲線可以看出，結(jié)構(gòu)阻尼和周期的增加均會(huì)減小結(jié)構(gòu)的地震力。等效彈性分析方法通過(guò)增加阻尼比和折減連梁剛度的方法來(lái)近似考慮結(jié)構(gòu)阻尼的增加和結(jié)構(gòu)剛度的退化。為方便設(shè)計(jì)，中震和大震采用等效彈性方法計(jì)算豎向構(gòu)件及關(guān)鍵部位構(gòu)件的組合內(nèi)力，計(jì)算中適當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)阻尼比的增加以及剪力墻連梁剛度的折減。

中震(大震)彈性、中震(大震)不屈服指在設(shè)防地震(罕遇地震)水準(zhǔn)下，通過(guò)等效彈性計(jì)算復(fù)核特定構(gòu)件承載力是否滿足彈性或不屈服狀態(tài)。中震(大震)彈性設(shè)計(jì):取消內(nèi)力調(diào)整系數(shù)但保留荷載分項(xiàng)系數(shù)、承載力抗震調(diào)整系數(shù)，材料強(qiáng)度按設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值。構(gòu)件既在中震(大震)作用下處于彈性狀態(tài)，又保留了結(jié)構(gòu)的安全度和可靠度。中震(大震)不屈服設(shè)計(jì):取消內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，荷載分項(xiàng)系數(shù)、承載力抗震調(diào)整系數(shù)取為1.0，材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值。構(gòu)件已經(jīng)達(dá)到彈性狀態(tài)的極限狀態(tài)即將進(jìn)入屈服階段。表2為某超限高層等效彈性分析參數(shù)，可供參考。將等效彈性反應(yīng)譜法與時(shí)程分析法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，可驗(yàn)證等效彈性反應(yīng)譜計(jì)算模型中損傷位置構(gòu)件折減剛度取值的合理性。采用等效彈性反應(yīng)譜計(jì)算的底部地震剪力與彈塑性時(shí)程計(jì)算的底部剪力比值宜為1.0～1.2。彈塑性時(shí)程計(jì)算的底部地震剪力3條波時(shí)取最大值，7條波時(shí)取平均值。

表2 等效彈性分析參數(shù)

5 中、大震構(gòu)件承載力計(jì)算

按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）(2016年版）附錄M.1推薦的抗震性能設(shè)計(jì)的方法，結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)抗震性能要求可以從構(gòu)件承載力、變形能力和構(gòu)造的抗震等級(jí)三個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)，軟件通過(guò)計(jì)算主要實(shí)現(xiàn)構(gòu)件承載力方面的性能設(shè)計(jì)要求。構(gòu)件承載力計(jì)算公式《抗規(guī)》及《高規(guī)》對(duì)比列于表3。

表3 設(shè)防地震構(gòu)件承載力計(jì)算

對(duì)比《抗規(guī)》《高規(guī)》的構(gòu)件承載力計(jì)算公式可以發(fā)現(xiàn)兩者之間存在一定聯(lián)系，但無(wú)法嚴(yán)格對(duì)位，比如《抗規(guī)》采用的標(biāo)準(zhǔn)組合不考慮《高規(guī)》的0.4系數(shù)，《抗規(guī)》對(duì)于大震不屈服項(xiàng)采用材料強(qiáng)度極限值，而《高規(guī)》無(wú)論中震、大震，對(duì)不屈服項(xiàng)均采用材料標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算。由于《抗規(guī)》性能設(shè)計(jì)可以分別對(duì)構(gòu)件的正、斜截面進(jìn)行性能類型指定，因此兩者之間有一定的相似性，以下列出一些相似的情況：

①《抗規(guī)》中震斜截面彈性、正截面彈性≈《高規(guī)》普通構(gòu)件性能2；

②《抗規(guī)》中震斜截面彈性、正截面不屈服≈《高規(guī)》普通構(gòu)件性能3；

③《抗規(guī)》中震斜截面不屈服、正截面不屈服≈《高規(guī)》關(guān)鍵構(gòu)件能4。

6 減震隔震技術(shù)

消能減震原理：在建筑結(jié)構(gòu)的某些部位設(shè)置消能（阻尼）器，在地震作用下，消能器產(chǎn)生摩擦、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)彈塑（黏彈）性滯回變形來(lái)耗散或吸收地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，以減少主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。常用的方法有四種：①增大阻尼比（阻尼法）；②延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期（隔震法）；③改變地震作用的分布（剛度法）；④以上方法的組合。減隔震技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 減隔震技術(shù)對(duì)比

7 結(jié)語(yǔ)

需要注意的是綠色建筑工程中的性能化設(shè)計(jì)要求較超限工程的設(shè)計(jì)不能等同，綠色建筑工程視綠建星級(jí)確定性能化目標(biāo)。而超限工程需根據(jù)抗震設(shè)防烈度、抗震設(shè)防分類、場(chǎng)地類別、超限項(xiàng)類型及超限程度、建造費(fèi)用、震后修復(fù)難易程度等根據(jù)《高規(guī)》或《抗規(guī)》有關(guān)性能化設(shè)計(jì)要求選定相應(yīng)的抗震性能目標(biāo)。

綠色建筑的評(píng)價(jià)是對(duì)建筑全壽命期內(nèi)的建筑安全耐久、健康舒服、生活便利、資源節(jié)約和環(huán)境宜居等性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。綠色建筑以“四節(jié)一環(huán)?！睘榛炯s束，以“以人為本”為核心要求，對(duì)場(chǎng)地的風(fēng)、聲、光、熱環(huán)境應(yīng)加以組織和利用。對(duì)安全評(píng)分項(xiàng)的基于性能的抗震設(shè)計(jì)在合理和經(jīng)濟(jì)性上宜充分結(jié)合地方情況綜合確定。