低損傷建筑結(jié)構(gòu)在新西蘭的研究和應(yīng)用

許守磊，張文松，魯懿虬

（深圳市筑裕新科技發(fā)展有限公司，廣東深圳 518000）

1 工程概況

新西蘭地處環(huán)太平洋地震帶，是個地震頻發(fā)的國家。一直以來，結(jié)構(gòu)抗震在該地區(qū)是個非常重要的課題，其寶貴的地震震害資料和先進(jìn)的抗震設(shè)計理念對全世界抗震領(lǐng)域做出了重要的貢獻(xiàn)。2010年和2011年的基督城大地震和2017年凱庫拉地震對當(dāng)?shù)亟Y(jié)構(gòu)抗震設(shè)計產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，設(shè)計理念迅速從傳統(tǒng)的“大震不倒”轉(zhuǎn)到了要求更高的“大震小修”，在該理念下設(shè)計的低損傷結(jié)構(gòu)因其抗震性能的優(yōu)越性，在新西蘭漸漸被業(yè)主和專業(yè)人員熟悉和接受?；炷两Y(jié)構(gòu)在新西蘭房屋中占有很大比例，在新的抗震理念下，低損傷混凝土結(jié)構(gòu)也逐漸在實際工程中被推廣和應(yīng)用。本文總結(jié)了傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能，探討低損傷混凝土結(jié)構(gòu)的種類和其優(yōu)越性，并對其在新西蘭的應(yīng)用舉例分析。

2 傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗震問題

目前全世界常用的抗震設(shè)計法稱之為能力設(shè)計法，也就是工程師熟知的延性設(shè)計法。該方法是新西蘭學(xué)者坎特伯雷大學(xué)地震工程專家帕克和鮑雷在20世紀(jì)70年代提出的，其核心思想是讓結(jié)構(gòu)在地震中的破壞發(fā)生在特定的部位從而使整個結(jié)構(gòu)出現(xiàn)延性破壞并防止其倒塌，也就是保證“大震不倒”，從而保證生命安全。中國抗震設(shè)計中的“強(qiáng)柱弱梁”“強(qiáng)剪弱彎”和“強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”就是能力設(shè)計法很好的體現(xiàn)。

自該方法被提出后，新西蘭從1980年之后建造的混凝土房屋基本都按照此設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計。2010/2011的基督城大地震震中離市中心只有5km，對多數(shù)房屋是一次2500年一遇的大地震，是對能力設(shè)計法“大震不倒”的檢驗。在地震中，按此方法設(shè)計的混凝土房屋95%以上均沒有出現(xiàn)倒塌，可以說基本滿足了“大震不倒”設(shè)防要求。然而，傳統(tǒng)的延性設(shè)計通過讓結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸耗散地震能量，表現(xiàn)為鋼筋屈服、混凝土開裂或壓潰，這種梁鉸機(jī)制雖保證結(jié)構(gòu)不倒塌，但塑性鉸一般在梁端部、柱和墻的底部等結(jié)構(gòu)主體部位且破壞嚴(yán)重，難以修復(fù)，很多時候修復(fù)帶來的費用反而超過拆除和重建?；匠堑卣鸷?0%以上的鋼筋混凝土房屋被拆除，其余房屋也有不同程度的損傷需要修復(fù)，大面積的拆除、修復(fù)和重建給新西蘭造成超過當(dāng)年30%GDP的經(jīng)濟(jì)損失。另外，房屋修復(fù)，拆除、重建浪費大量時間，使正常的生產(chǎn)和商業(yè)活動無法在短時間內(nèi)恢復(fù)正常，城市長時間陷入癱瘓，城市可恢復(fù)性很差。因此，按延性設(shè)計的傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)雖能在地震中屹立不倒，但破壞嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失巨大。

3 低損傷混凝土結(jié)構(gòu)

目前結(jié)構(gòu)抗震的主要矛盾集中在業(yè)主對房屋日益提高的抗震性能需求和工程師難以實現(xiàn)可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)之間的矛盾。低損傷結(jié)構(gòu)是解決該矛盾的主要途徑之一，是目前全世界前沿的研究課題，中國工程院將其列為建筑土木類行業(yè)排名前十的前沿課題。其主要思想是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，使地震破壞集中在結(jié)構(gòu)的特定的部位，而這些特定部位并不出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)主體部位，而是通過耗能性能良好的耗能構(gòu)件來耗散地震能量，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，而這些耗能部件可快速修復(fù)或并不需要修復(fù)，從而達(dá)到“大震小修”或“大震不修”的設(shè)計目標(biāo)。低損傷結(jié)構(gòu)一般有新的受力機(jī)制，使其出現(xiàn)工程師預(yù)想的結(jié)構(gòu)性能。

3.1 自中心體系

框架和剪力墻是混凝土房屋中常見的抗側(cè)體系，如上文提到，傳統(tǒng)的框架或剪力墻結(jié)構(gòu)在地震作用下破壞主要出現(xiàn)在梁兩端、柱或墻底，且破壞嚴(yán)重難以修復(fù)。自中心搖擺框架和自中心搖擺剪力墻很好地解決了該問題，其思想與傳統(tǒng)的強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件正好相反，放松了節(jié)點，將柱子和梁界面脫開，或?qū)εc基礎(chǔ)的界面脫開，將預(yù)制柱與梁、墻與基礎(chǔ)用后張預(yù)應(yīng)力拉緊，在地震作用下梁柱界面或墻與基礎(chǔ)界面張合，形成搖擺機(jī)制，地震位移集中于界面張合從而保護(hù)結(jié)構(gòu)本身。另外，當(dāng)結(jié)構(gòu)搖擺時，預(yù)應(yīng)力筋可提供回復(fù)力使結(jié)構(gòu)具有良好的自復(fù)位性能，如圖1所示。一般情況下，工程師會在梁柱截面和墻基礎(chǔ)界面安裝耗能原件提高結(jié)構(gòu)的阻尼比，減小結(jié)構(gòu)位移。

圖1 自中心剪力墻

該體系已經(jīng)成功應(yīng)用于新西蘭多個實際工程項目。例如，2008年建成的Allan MacDiarmid大樓位于新西蘭抗震等級最高的惠靈頓，是新西蘭第一棟利用自中心體系的大樓，該樓同時使用了自中心框架和剪力墻，并在梁柱節(jié)點、柱底和連梁處安裝了金屬耗能器，該樓在2016年的凱庫拉7.8級地震時損傷極小，無須修復(fù)。位于基督城的南十字醫(yī)院Southern Cross也是利用自中心體系非常好的例子，該樓建于2010年，剛好在2011年基督城大地震之前，在基督城2500年一遇的地震中只有柱子和墻面發(fā)生輕微的混凝土剝落，耗能器稍有變形，其余破壞輕微，醫(yī)院內(nèi)部完好無損，震后評估一周后便繼續(xù)投入使用，實現(xiàn)了“大震小修”的目標(biāo)。因為該體系的優(yōu)越抗震性能，目前該體系在基督城震后重建中越來越流行，例如，2019年剛重建完成的基督城城市圖書館利用了自中心混凝土筒和鋼框架結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)，分別做為抗側(cè)體系和重力體系，其筒體由四片自中心剪力墻組成，每片剪力墻之間均設(shè)置U型阻尼器用來提高耗能性能。

3.2 開槽梁

新西蘭混凝土結(jié)構(gòu)大都為預(yù)制裝配式，其樓板一般采用雙T板，預(yù)應(yīng)力空心樓板或壓型鋼板組合樓板。在2011年基督城地震和2017年凱庫拉地震中，混凝土結(jié)構(gòu)的樓板破壞嚴(yán)重，其主要原因是混凝土梁在形成塑性鉸時，混凝土開裂鋼筋屈服或拉斷，造成梁不可逆轉(zhuǎn)的伸長，導(dǎo)致混凝土樓板的擱置長度大大減小，從而形成很大的樓板裂縫甚至導(dǎo)致樓板掉落。該問題可通過開槽梁解決，開槽梁將柱邊梁端下部挖一個三角形或矩形槽，只有梁上部1/4梁高的混凝土與柱邊相連，形成梁鉸，在梁鉸處設(shè)置斜向抗剪鋼筋抵抗梁端部剪力。節(jié)點如圖2所示，該節(jié)點在地震作用下可以轉(zhuǎn)動，從而消除梁端部形成塑性鉸帶來的破壞，計算時可簡化成鉸接，只傳遞剪力不傳遞彎矩。開槽梁因沒有混凝土開裂鋼筋屈服的問題，梁兩端本身破壞大大減弱，也大大減小了地震中梁的伸長，保證了樓板擱置長度，保護(hù)了樓板，使結(jié)構(gòu)仍為一整體。另外，開槽梁因不傳遞彎矩可減小柱端彎矩，從而縮短柱子的截面尺寸。當(dāng)然，如果要使框架梁柱端傳遞彎矩，在開槽梁底部可設(shè)置阻尼器，即可傳遞彎矩，也可增大阻尼比，使結(jié)構(gòu)整體位移變小。值得注意的是，當(dāng)連續(xù)框架梁在梁柱節(jié)點處的梁端設(shè)為鉸接，梁跨中彎矩相對于梁兩端剛接時會增加，對于跨度較大的框架梁，梁截面需增大，配筋也會相應(yīng)提高，使成本增加并可能導(dǎo)致使用功能受限。然而，建筑材料成本在整個建筑項目的成本中只占20%左右，增加的截面和鋼筋對項目成本增加并不明顯。另外，梁也可通過自中心預(yù)應(yīng)力技術(shù)來增加梁抗彎剛度和強(qiáng)度減小截面。新西蘭基督城多棟重建樓用到了開槽梁，在開槽梁底部裝置阻尼器，但為了節(jié)省空間，阻尼器一般設(shè)置在梁底面上方。

圖2 開槽梁

低損傷混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用應(yīng)優(yōu)先考慮特殊設(shè)防類和重點設(shè)防類建筑，比如地震時應(yīng)急的醫(yī)療、消防設(shè)施和消防應(yīng)急指揮中心等，這類建筑要求震后使用功能不能中斷或者需要盡快恢復(fù)正常使用。雖然建造成本有所增加，但保證此類建筑物的“大震小修”可確保震后救災(zāi)工作的順利展開。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計理念主要集中在“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)，該理念雖能保護(hù)房屋的安全性，但卻無法滿足業(yè)主對房屋日益增大的性能要求。傳統(tǒng)混凝土在地震中可滿足“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)，但破壞嚴(yán)重，大量被拆除，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。低損傷混凝土結(jié)構(gòu)利用新的受力原理，可將建筑物從“大震不倒”設(shè)計成“大震小修”，大大減小了震后修復(fù)重建時間，減小經(jīng)濟(jì)損失。新西蘭在低損傷結(jié)構(gòu)領(lǐng)域走在世界前列，有大量的低損傷結(jié)構(gòu)技術(shù)已應(yīng)用到實際工程項目。