随着国家在地震区划与地震工程两方面工作的积极推进及学者对结构地震破坏机理的深入研究,我国在既有工程领域已制定了《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009)(简称抗震鉴定标准)和《建筑抗震加固技术规程》(JGJ 116—2009)(简称抗震加固规程)。随着经济的发展和结构抗震设计理论水平的日益提高,特别是基于性能的“个性化”抗震设计思想的提出,对部分既有建筑的抗震性能需求提出了更高要求。

　　 现行抗震鉴定标准是基于设防地震下构造措施、多遇地震下强度、刚度及延性验算的两级鉴定方法,对既有建筑的抗震鉴定结果不能较细致地反映结构抗震性能存在的不足,对于结构进入弹塑性状态后可能形成的屈服耗能机制及延性能力等关键指标不能做出判断,仅能够对结构整体或宏观上的抗震性能做出较为初步的判断 ^[1]。

　　 抗震加固规程沿用《建筑抗震设计规范》(GBJ 11—89)中“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目标,该指导思想仅能做到大震时主体结构不倒塌以保障生命安全,对既有结构、室内设施的损伤及由此带来的经济损失却不能有效地控制。如医疗建筑、防灾减灾建筑等,其内部存在仪器、设备成本往往高于土建成本数倍,一次中小规模的地震所造成的灾害损失也会大大超出社会和业主所能接受的程度;为充分发挥该类建筑救死扶伤及调度、指挥等功能,建筑尚需要满足“震时使用功能不能中断、震后使用功能经简单修复或不修复即可恢复”的较高抗震性能需求。现行抗震加固规程主要是满足“共性”的要求,基本上没有考虑重要建筑的“个性化”需求。

　　 基于性能的抗震设计思想是20世纪90年代初由美国加州伯克利分校Moehle ^[2]提出的,这一设计思想自此成为抗震设计理论研究的主要方向之一。1997年,美国颁布的FEMA273和FEMA274报告 ^[3],是第一部全面系统地介绍采用消能减震技术进行建筑抗震加固的文献,并且把该方法纳入基于性能的抗震设计框架内;1998年,欧洲混凝土协会(CEB) ^[4]提出采用基于位移的方法评估既有结构的抗震性能并进行抗震加固设计;2000年,日本将基于性能的设计方法引入到抗震设计规范中,并提出了基于性能概念的能力谱法,用于新建建筑和既有建筑的抗震性能评估 ^[5];我国尚未将基于性能的设计方法正式引入到抗震鉴定标准和抗震加固规程中,但许多学者已经进行了相关研究。2005年,周云等 ^[6]基于性能需求并结合耗能减震结构的特性,提出了减震加固设计的理论框架;2009年,吕西林等 ^[7]提出基于性能的减震设计方法,指出结构控制技术为基于性能的抗震设计理论的应用提供了重要技术支持;2014年,徐开等 ^[8]阐述了基于性能的抗震加固方法的基本思想、产生背景、发展状况及主要研究内容,并指出该方法有待进一步研究的内容。目前,国内对基于性能抗震设计理论的研究对象主要为承重结构,对室内设施的抗震性能研究较少,且缺乏建筑物综合抗震性能的量化指标。本文研究了基于性能的减震加固、隔震加固方法,给出了既有建筑结构抗震性能评估方法及相关可量化指标、设计流程、关键技术等。

　　 以一般的能量表达式来说明地震时主体结构的能量转换过程,任意t时刻,结构各项能量之和与地震输入能总保持平衡:

　　 $E{}_{\text{k}}+E{}_{\text{d}}+(E{}_{\text{E}}+E{}_{\text{Ρ}}+E{}_{\text{Η}})=E{}_{\text{e}\text{q}}(1)$

　　 式中:E_k为结构的震动动能;E_d为结构的阻尼耗能;(E_E+E_P+E_H)统称为结构应变能,由弹性应变能E_E、塑性应变能E_P、滞回耗能E_H组成;E_eq为地震输入结构的能量。

　　 地震结束以后,结构终究会停止振动,弹性变形恢复,故结构的震动动能E_k和弹性应变能E_E等于0,结构振动的能量平衡方程式(1)可写为:

　　 $E{}_{\text{d}}+(E{}_{\text{Ρ}}+E{}_{\text{Η}})=E{}_{\text{e}\text{q}}(2)$

　　 震害、试验和理论分析都表明,耗能能力不足是结构在罕遇地震作用下倒塌的主要原因 ^[9]。为使结构满足既定的设防目标,关键是要保证式(2)左边的结构耗能能力大于右边的地震耗能需求。

　　 为了解决既有建筑现存的耗能能力不足的问题,从式(2)可知,主要有三类方法:

　　 (1)提高与刚度等相关的(E_P+E_H),主要通过提高整体刚度及构件承载力来增加结构塑性变形和滞回变形耗散地震能量的能力,从而保证加固后的耗能能力大于耗能需求,此为抗震加固。

　　 (2)提高与阻尼相关的E_d,主要通过设置一定数量的消能装置增加结构的阻尼耗能,从而保证既有建筑加固后的耗能能力大于耗能需求,此为消能减震加固。

　　 (3)降低地震的耗能需求E_eq,主要通过新增隔震层消耗地震所产生的能量并减小地震能量向上部结构的传递,从而保证既有建筑现存的耗能能力大于降低以后的耗能需求,此为隔震加固。

　　 抗震加固、减震加固、隔震加固均可以实现“一般情况”的性能目标即“小震不坏,中震可修,大震不倒”,但由于其耗能机制不同,三种方法在设防地震、罕遇地震下能达到的性能水准差异较大。高于“一般情况”的性能目标归纳结果详见表1。

　　 抗震加固的耗能机制以结构塑性损伤为代价,主要利用结构塑性变形、滞回变形及固有阻尼耗散地震输入的能量,故即使维持原有“一般情况”的性能目标,也需要进行一定范围的加固。

　　 减震加固的耗能机制主要以新增消能装置提供的附加阻尼及结构的固有阻尼来耗散地震能量。由于消能装置在主体结构进入非线性状态之前率先进入耗能状态,耗散了大量输入既有建筑的地震能量,从而有效地减少主体结构的塑性损伤。减震加固最高可实现性能2、性能3的提升需求。

　　 隔震加固的耗能机制主要以隔震层的塑性变形和阻尼来耗散地震能量,大幅减少传递至上部主体结构的地震能量。由于隔震装置先于上部结构进入塑性阶段而耗能,故上部结构的地震响应显著减小并快速衰减,大部分处于弹性阶段的整体平动。隔震加固最高可实现性能1、性能2的提升需求。

　　 抗震加固对既有建筑耗散地震能量的能力是“预定的”,当实际地震输入能量超过预定值时,结构就会处于不安全状态,且大震后会有大量的构件发生弹塑性变形甚至少量倒塌,震后难以修复且成本较高 ^[10]。减震加固、隔震加固由于其优越的抗震性能,可实现震后使用功能快速恢复,特别适用于加固后预期性能目标较高的既有建筑。

　　 抗震性能评估是基于性能的抗震性能提升技术的核心内容,是加固方案设计及明确加固后的抗震性能是否满足业主需求的重要依据,而用于抗震性能评估的指标选取又是该项工作的重中之重。

　　 根据国内外的研究成果,用于承重结构抗震性能评估的指标主要有 ^[11]:1)位移指标;2)与结构延性相关的参量;3)与能量有关的参量;4)位移、能量双控指标;5)力指标。该类指标较难全面量化既有建筑的抗震性能,且对室内设施的震损情况也缺乏考察。

　　 本文借鉴William等 ^[12]提出的概念性指标,提出更具实施性的五项可量化指标:1)层间位移指标;2)楼面加速度指标;3)震损指标;4)力指标;5)能量指标。采用五项可量化指标来全面考察既有建筑的承重结构、非承重结构的抗震性能及室内设施的震损情况。

　　 层间位移指标,用于考察承重结构和内外隔墙等非承重构件的抗震性能 ^[13]。经整理,层间位移角与承重结构、非承重构件的破坏等级及抗震性能水准之间的关系详见表2。

　　 楼面加速度指标,用于考察室内设施、仪器的震损情况。目前,国内外对采用楼面加速度指标来量化室内设施、仪器抗震性能的研究较少,经参考我国对风荷载作用下舒适度的研究成果,并借鉴了采用隔震技术的美国南加州大学医院和日本千叶县病房大楼,其室内设施、仪器经受了屋面最大加速度0.2g地震考验的经验,建议罕遇地震下的屋面加速度控制指标不宜超过0.2g(200gal)。

　　 震损指标,用于考察承重结构的抗震性能。震损的描述应包括两个方面:损伤程度和损伤分布。损伤程度可以显示结构在地震灾害作用下构件的破坏等级,反映出各性能水准下震损构件所占比例;损伤分布可以揭示结构的薄弱楼层及塑性铰开展区域,反映出结构在灾害作用下构件的破坏数量及破坏机制。经整理,承重结构的破坏等级、破坏数量与抗震性能水准之间的关系 ^[14,15]详见表2。

　　 力指标,用于考察承重结构的抗震性能。虽然力指标难以全面描述结构的非线性行为,但可以判断结构在水平地震作用下的最大楼层剪力是否超过了楼层的受剪承载能力,也是判断结构是否存在抗倾覆安全系数过低,从而造成大面积竖向构件受拉、基底出现零应力区的重要指标。力指标为结构性能水准的判定提供重要依据。

　　 能量指标,用于考察承重结构的抗震性能。由于地震总输入能量以及各类耗能之间的分配比例关系均受到地震动特性及结构自身动力特性等因素的影响,目前尚无法形成基于能量对结构抗震性能进行判定的量化指标,但地震输入总能量及耗能之间的分配比例可以作为对结构损伤鉴定的参考指标,也可以作为结构抗震性能提升方案比选的重要依据。弹塑性滞回耗能是衡量结构塑性累积损伤的重要指标,通过其在地震输入总能量的占比可以直观判定结构的震损状况,通过各类构件在弹塑性耗能中的占比可以看出各类构件的震损情况。

　　 针对同一既有建筑,在同一地震水准下,五项可量化指标在对其抗震性能评估的结论上会稍有差别,应采用五项可量化指标中最低的性能水准作为该建筑在该地震水准下的性能评估结论。对于重要建筑的抗震鉴定,建议进行设防地震、罕遇地震下弹塑性分析,通过量化的指标较为细致的考察结构整体及局部构件的抗震性能,为加固方案设计提供依据。

　　 基于性能的减震加固设计与新建筑减震设计的主要区别:减震加固对象为既有建筑,其刚度和强度都是既定,主要通过新增阻尼装置来耗散大部分地震输入能量,减轻主体结构的震损,达到预期性能目标。正常情况下,决定结构最高性能目标的主要因素是其在罕遇地震下的性能表现,为简化设计流程,性能评估顺序需要反其道而行之,见图1。

　　 预估减震方案的最高性能目标时,可采用调整等效弹性模型在罕遇地震下的阻尼比来满足预期性能目标的位移需求,确保在罕遇地震下所需附加阻尼比在合理区间。待减震方案确定后,附加阻尼比应在多遇地震下采用实际模型计算分析。

　　 减震设计时应加强“概念设计”,主要包括以下内容:1)预估最高性能目标,明确适用范围;2)从经济、安全角度考虑,确保附加阻尼比在合理范围;3)根据性能目标选择合理的消能器类型及力学参数;4)合理设计消能装置的布置位置及布置方式;5)合理设计节点连接与构造,防止节点先于消能器破坏。

　　 隔震层设计通常要同时满足:设防地震下的水平向减震系数不超过目标值、罕遇地震下的支座位移不超过极限位移。设防地震下,主要是通过减小支座的水平刚度,以延长结构周期、降低水平向地震作用;而在罕遇地震下,则需要加大刚度、增加耗能来控制隔震层的位移,两者之间相互矛盾,需要在降低水平向地震作用和控制水平位移之间找到最佳的平衡点。

　　 高性能需求的主体结构加固设计,在罕遇地震下需同时满足:1)楼层剪力、弯矩应降低至目标值以下;2)楼层位移应控制在预期性能允许范围内;3)楼层加速度应控制在允许范围内。

　　 对于层数较多或现存强度和刚度相对较弱的既有建筑,若把罕遇地震下的抗震性能由原来的“大震不倒”提高至“大震基本完好或轻微损坏”,仅采用隔震方案往往达不到上述性能需求,故本文提出隔震+减震的设计方案,即除设置隔震层减小地震能量向上部结构的传递外,在上部结构内再设置一定数量的阻尼器,进一步消耗地震能量、控制结构位移、减轻结构震损,以达到预期性能目标。

　　 预估隔震方案的最高性能目标时,可建立弹性模型,对既有医疗建筑进行弹性反应谱或弹性时程分析。弹性分析时,可基于主体结构在罕遇地震下的需求位移,通过试算得到能满足位移需求的水平向减震系数,该值若过小则隔震方案不能满足性能需求,反之则可以实现预期性能目标。待隔震方案确定后,水平向减震系数应在设防地震下采用实际模型计算分析。隔震加固设计流程见图2。

　　 本工程为北京市某医院的门诊楼,始建于1996年,为整体现浇式钢筋混凝土框架-剪力墙结构,该建筑地下1层,地上4层、局部5层,第4层为手术室。建筑总高度为14.7m。建筑总长度为43.7m,总宽度为46.5m,总建筑面积为11 883m²(地下面积为3 448m²),结构模型如图3所示。抗震设防烈度为8度(0.2g),设计地震分组为第一组,场地土类别为Ⅲ类,特征周期为0.45s,50年一遇的基本风压为0.45kN/m²,地面粗糙度为B类。根据抗震鉴定标准及业主要求,该建筑后续使用年限为40年。

　　 门诊楼抗震鉴定报告的主要结论为:1)由于剪力墙的非对称布置,结构整体有较大的扭转效应,最大位移比已达到1.87;2)由于《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223)更新,医疗建筑的抗震设防类别由丙类提升至乙类,再加上材料强度的退化及扭转效应,在多遇地震下,有一定数量的混凝土构件存在强度不足的问题,需进行加固处理。

　　 为比较三类加固技术(抗震加固、减震加固、隔震加固)在既有结构抗震性能提升上的差异,3种加固方案均按照其能达到的最高性能目标进行设计。具体工程的性能目标,应根据既有建筑现存抗震性能、使用功能、重要性并考虑经济因素、社会影响等因素综合确定。

　　 经设防地震、罕遇地震的弹塑性分析,预估最高性能目标可达到性能4。加固方案为:采用新增4片通高剪力墙解决扭转问题;采用传统抗震加固解决承载力不足问题,需加固的构件数量详见表3。

　　 经试算在罕遇地震下仅需附加约10%阻尼比即可达到性能2。加固方案为:采用12根BRB支撑解决扭转问题;采用27个黏滞阻尼器解决承载力不足问题。消能器参数详见表4。

　　 经试算,罕遇地震下水平向减震系数约0.3,即可达到性能1。加固方案为:通过隔震支座的合理布置解决扭转问题;通过隔震层降低上部结构地震作用解决承载力不足问题;隔震支座布置在地下室的柱顶、墙顶。本工程仅采用隔震方案即可达到性能1,消能部件及隔震支座参数详见表5,6。

　　 本文选用PERFORM-3D软件对结构的抗震性能进行分析。该软件采用以变形或强度为基础的极限状态对结构进行性能评估,提供了梁柱铰模型、梁柱纤维模型、剪力墙纤维模型、阻尼器、屈曲约束支撑、桁架、隔震支座、钩、缝等非线性模型。

　　 因减震加固、隔震加固均存在非线性的连接单元,故三类加固技术均采用弹塑性动力时程分析方法,主向、次向、竖向的加速度峰值按1.0∶0.85∶0.65比例进行输入。本工程的地震动参数选取详见表7。

　　 因抗震加固与减震加固的前3阶周期基本相同,最大误差仅0.004s,故这两种方案选用3组相同的地震波:人工波RH1,天然波TH062,TH064;隔震方案选取的地震波需同时满足隔震模型和非隔震模型在主要周期点上“统计意义上相符”,详见表8,隔震方案选取的地震波为:人工波RH4,天然波TH092,TH110。经复核,选取的地震波均满足地震动三要素:峰值特性、频谱特性和有效持时。

　　 3种加固方案在两个方向(X,Y向)上均需进行3组地震波的弹塑性时程分析,为简化流程,每种加固方案在两个方向(X,Y向)上仅列举出3组地震波的最大响应进行对比分析。

　　 由于阻尼处理方法不够完善及地震波选取的随机性,不宜直接把弹塑性计算结果视为结构的实际位移,建议按式(3)对每层层间位移角进行修正,并根据地震波选取数量采用最大值或平均值。

　　 修正位移$=\frac{\text{大}\text{震}\text{弹}\text{塑}\text{性}\text{位}\text{移}}{\text{小}\text{震}\text{弹}\text{性}\text{位}\text{移}}\times$小震反应谱法位移 (3)

　　 由图4的层间位移角与结构地震破坏等级关系可知:抗震加固方案最大层间位移角为1/228,承重结构接近中等破坏下限;减震加固方案最大层间位移角为1/356,承重结构处于轻微～中等破坏;隔震加固方案最大层间位移角仅为1/1 029,承重结构处于完好状态。非承重结构震损描述详见表9。

　　 如图5所示,两个方向(X,Y向)的屋面最大峰值加速度:抗震加固方案为1 527gal;减震加固方案为1 194gal;隔震加固方案为157gal。由此可知,减震方案不能使楼面加速度显著衰减,仅隔震加固方案可保证室内设施安全。

　　 PERFORM-3D软件基于美国的VISION 2000和FEMA273报告,将结构的性能水准划分为四个等级。美国规范提供了相应的基于位移的性能评估参数,其对性能水准的描述详见表10,美国规范与中国《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)在性能水准定义上的相对关系详见表11。

　　 各自选取3组地震波中在两个方向(X,Y向)上位移响应最大的1组地震波对结构进行震损程度分析,处于各性能水准的构件数量及所占比例详见表12。根据构件破坏等级及数量按表2对承重结构性能进行评估,结果表明:抗震加固方案处于严重破坏状态;减震加固方案处于轻微～中等破坏状态;隔震加固方案处于完好状态。

　　 本文采用楼层屈服强度的利用率来评估既有结构的抗震性能,计算方法详见式(4):

　　 式中楼层受剪承载力采用实配钢筋和材料强度标准值计算,楼层弹塑性地震剪力取3组地震波中较大者。

　　 楼层屈服强度利用率计算结果见图6。由图6可知:抗震加固方案首层屈服强度利用率高达1.12,第2,4层已接近1.0,有较多承重结构已发生屈服现象;减震加固方案首层屈服强度利用率已接近1.0,部分承重结构已发生屈服现象;隔震加固方案最大利用率仅为0.3,处于弹性状态。结构整体抗倾覆验算也是结构性能评估重要依据,尤其是隔震加固方案,当抗倾覆稳定系数小于3时,将出现大面积隔震支座受拉,宜避免此类情况。

　　 各自选取两个方向(X,Y向)上位移响应最大的1组地震波进行能量分析,分析结果详见图7～9。由图可知:抗震加固方案的地震能量耗散图中,塑性滞回耗能占较大比例,承重结构不可避免产生较大的塑性损伤;减震加固方案的阻尼器耗散了一定地震能量,有效减小了塑性滞回耗能的占比,减轻了承重结构的塑性损伤;隔震加固方案的隔震层耗散了大部分地震能量,避免了承重结构的塑性损伤。

　　 设防地震水准,仍用上述五项指标对既有结构进行抗震性能评估;多遇地震下抗震性能评估可按现行抗震加固规程执行,不再阐述过程;评估总结果详见表9。

　　 经三类加固技术改造后,既有建筑的抗震性能有较大的差异,震后主体结构修复费用、室内设施及贵重设备的修复或重购费用均不同。减震加固、隔震加固技术可以实现传统抗震加固无法达到的预期性能目标,但该类技术在我国尚未在工程中大规模地采用,其中一个重要原因是人们对减震加固、隔震加固技术的认识仅停留在定性而不是定量上,甚至有人认为该类技术只有社会效益没有经济效益,因此需建立一种基于既有建筑改造全寿命周期的综合效益评估方法,内容应包含直接改造成本、维护保养成本及震损修复成本。本文仅对案例的直接改造成本进行分析,其包含的分项工程及相关费用详见表13。

　　 本文采用能量守恒原理对既有混凝土结构抗震性能提升技术进行分类,通过对基于性能的三类加固技术对比与分析,得出以下结论:

　　 (1)由于耗能机制不同,隔震加固可实现的性能目标最高,减震加固次之,抗震加固最低。

　　 (2)五项指标可全面量化既有建筑承重结构、非承重结构的抗震性能,对室内设施震损亦可有效评估。对重要建筑,在抗震鉴定阶段建议进行设防地震、罕遇地震下性能评估,为加固方案设计提供依据。

　　 (3)基于性能的减震加固、隔震加固流程可有效简化设计过程,快速实现既定的性能目标。

　　 (4)抗震加固对楼面加速度有放大效应,减震加固不能显著衰减楼面加速度,仅隔震加固方案可保证室内设施安全。

　　 (5)减震加固和隔震加固相比抗震加固具有一定经济优势。