鉴于单跨钢筋混凝土框架结构在汶川地震中破坏比较严重, 为提高钢筋混凝土框架结构的抗震性能, 我国《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) (简称抗规) 中明确规定, 甲类、乙类建筑以及高度大于24m的丙类建筑, 不应采用单跨框架结构, 高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构。

　　 按照《建筑抗震鉴定标准》 (GB 50023—2009) 的规定, 对于能够满足多遇地震作用下的构件抗震承载力验算和抗震构造要求的既有单跨钢筋混凝土框架结构, 但因其结构体系不符合要求仍需要进行改变结构体系的加固处理。我国抗震设防烈度为6~9度, 不同地震烈度对房屋结构抗震性能的要求是有差异的;既有建筑结构原设计留有的安全裕量也有一定的差异;因此, 需要通过对既有单跨框架结构进行深入的抗震性能分析, 得出符合实际的既有单跨框架结构的抗震性能评估, 为采取更加符合实际的抗震加固范围与方法提供技术支撑, 对于在既有建筑抗震鉴定与加固中贯彻既安全又经济的抗震设防原则具有重要意义。

　　 本文探讨建立既有单跨框架结构抗震性能评估的方法, 其思路是通过多遇地震作用下的结构抗震验算、设防烈度地震作用下的抗侧力构件不屈服验算和罕遇地震作用下的弹塑性变形验算来综合评价既有单跨钢筋混凝土框架结构的抗震性能。

　　 既有房屋建筑抗震性能是指满足抗震设防目标的能力, 其丙类建筑的基本抗震设防目标是:当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时, 主体结构不受损坏或不需修理可继续使用;当遭受相对于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时, 可能发生损坏, 但经一般性修理仍可继续使用;当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时, 不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。对于乙类建筑的抗震设防目标应高于上述目标。评价既有建筑是否满足该设防目标, 主要应从以下三个方面进行:1) 多遇地震作用下的构件承载力和变形验算, 评价满足多遇地震作用不坏的功能;2) 设防烈度地震作用下的构件极限承载力, 评价在设防烈度地震作用下主要抗侧力构件不屈服的功能;3) 罕遇地震作用下结构弹塑性变形验算, 对于丙类建筑评价在罕遇地震作用下不致倒塌的能力, 对于乙类建筑应评价是否处于严重破坏以内。

　　 对于评价多遇地震作用下不坏的功能, 应采用《建筑抗震鉴定标准》 (GB 50023—2009) 按照今后使用年限区分A, B, C类的以构件承载力和结构变形验算为主的第二级鉴定方法。

　　 设防烈度地震作用下的构件极限承载力计算, 是评价在设防烈度地震作用下主要抗侧力构件不屈服情况, 由于设防烈度地震作用下, 允许除主要抗侧力构件外的构件和非结构构件进入屈服、产生一定程度的破坏, 但主要抗侧力构件应不屈服或进入屈服的程度要轻一些。其评价方法是采用主要抗侧力构件的极限承载力与设防烈度地震作用标准值分配给各抗侧力构件的地震内力 (剪力、弯矩等) 的比值进行;当比值不小于1.0时, 为满足要求。其计算公式为:

　　 式中:S_GE为重力荷载代表值的效应;S_EK为设防烈度水平地震作用下的构件内力, 不再乘以地震作用分项系数也不考虑与抗震等级有关的增大系数;R_K为构件截面承载力标准值, 按材料强度标准值计算。

　　 在强烈地震作用下, 结构将进入弹塑性状态, 并通过发展塑性变形和累积耗能来消耗地震输入能量。大量的分析研究和震害都表明, 具有薄弱楼层的结构, 其弹塑性层间变形集中的现象是十分明显的。因此, 在多遇地震作用下构件截面承载力抗震验算的基础上, 进行罕遇地震作用下结构薄弱楼层 (部位) 的弹塑性变形验算, 对于做到“大震不倒”具有十分重要的意义。

　　 结构在强烈地震作用下变形验算的基本问题是, 估计强烈地震作用下结构薄弱楼层 (部位) 的弹塑性最大位移反应和分析结构本身的变形能力, 用以评价结构的层间弹塑性最大位移控制在允许的范围内。

　　 结构的“大震”变形验算, 主要是“大震”作用下结构薄弱楼层层间弹塑性位移计算和结构弹塑性层间位移角限值的分析。对于不超过12层且刚度无突变的钢筋混凝土框架结构可采用结构薄弱楼层 (部位) 最大弹塑性位移的简化计算方法。

　　 (1) 结构薄弱楼层 (部位) 最大弹塑性位移简化计算

　　 抗规在分析总结多层剪切型结构薄弱楼层层间弹塑性最大位移反应的特点和规律, 以及对有关公式分析比较的基础上, 提出了结构薄弱楼层 (部位) 的层间弹塑性最大位移的简化计算公式:

　　 式中:Δu_p为层间弹塑性位移;Δu_y为层间屈服位移;μ为楼层延性系数;Δu_e为罕遇地震作用下按弹性分析的层间位移;ξ_y为楼层屈服强度系数;η_p为弹塑性位移增大系数, 当薄弱楼层 (部位) 的屈服强度系数不小于相邻楼层 (部位) 该系数平均值的0.8时, 可按表1采用, 当不大于该平均值的0.5时, 可按表1内相应数值的1.5倍采用, 其他情况可采用内插法取值。

　　 (2) 罕遇地震作用下层间屈服剪力V_y、薄弱楼层的判别

　　 罕遇地震作用下弹塑性分析的位移计算还涉及层间屈服剪力V_y、薄弱楼层的判别以及塑性位移的增大系数等。

　　 关于罕遇地震作用下层间屈服剪力V_y, 除单层结构和弱柱型多层结构外, 层间屈服剪力与外力分布有关, 其计算是比较复杂的。由于地震作用的随机性带来框架结构破坏形式的不确定性, 因此精确地计算楼层受剪承载力是很困难的。较为简化的实用计算方法有三种, 如图1所示。震害表明, 框架结构屈服强度系数沿楼层的分布往往是不均匀的, 结构总是在相对薄弱的楼层率先屈服而导致变形集中, 所以罕遇地震作用的变形验算, 实质是控制薄弱层的弹塑性变形不超过允许值。在上述层间屈服剪力的计算中, 节点失效法较接近实际, 拟弱柱化法对V_y值估计偏大, 而节点平衡法对V_y值估计偏小。这三种计算方法详见文献[1]。

　　 多层结构在强烈地震作用下, 总是在较薄弱的楼层率先进入屈服, 发展弹塑性变形, 形成变形集中的现象。多层结构的弹塑性变形验算实质上就是薄弱楼层的层间弹塑性最大位移是否在结构楼层的变形能力允许范围内。因此, 确定多层结构的薄弱楼层是一个较为重要的问题。

　　 对于结构楼层屈服强度系数沿高度分布不均匀的结构, 薄弱楼层的位置十分明显, 即ξ_y (i) 相对小的楼层, 可用下式判断^[2]:

　　 (3) 结构弹塑性层间位移允许指标及罕遇地震作用下的破坏状态判别

　　 《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) 给出了各类结构层间弹塑性位移角限值, 对于钢筋混凝土框架结构其允许层间位移角[θ_P]为1/50。

　　 文献[2]通过对钢筋混凝土框架结构的震害调查、框架结构的层间极限承载能力和变形能力的分析, 给出了罕遇地震作用下钢筋混凝土结构不同破坏状态的判别标准见表2。

　　 某小学教学楼为2栋4层钢筋混凝土框架结构, 有出屋面小建筑, 建筑面积为4 420m²。设计时间为2009年07月, 该房屋所在地区抗震设防烈度为7度 (0.1g) , 设计地震分组为第一组, 设计图纸完整, 竣工验收资料完整。但该建筑第1~4层为单跨框架结构, 不符合抗规关于乙类建筑不应采用单跨框架结构的规定。房屋外观图见图2。该房屋标准层结构平面图见图3。

　　 (1) 根据检测结果对该建筑物进行复核验算。结构验算结果表明, 该建筑上部主体结构的计算承载力满足规范要求, 且实际配筋量较计算要求配筋大得多, 部分梁、柱计算结果摘录见表3。

　　 (2) 该工程在深圳市7度 (0.10g) 多遇地震作用下, 最大弹性层间位移角为1/950, 满足抗规中框架结构最大弹性层间位移角限值1/550的要求, 其最大弹性层间位移角发生在第2层。

　　 根据检测结果和式 (1) 对该建筑物在设防烈度地震作用下的构件极限承载力是否屈服进行了计算, 也可以转换为设防烈度地震作用下对极限承载力要求的配筋计算。

　　 结构计算结果表明, 该建筑结构在设防烈度地震作用下除第2层 (12) -?, (13) -?, ○1/11-?, (12) -?柱和第3层○1/1-?, (2) -?柱的计算配筋大于实际结构构件配筋外, 其他柱的计算配筋均小于实际结构构件配筋, 按楼层进行评价, 该房屋结构在设防烈度地震作用下框架柱抗侧力构件承载能力大于设防烈度地震作用下的内力, 结构各楼层基本处于不屈服状态。

　　 对该房屋结构在罕遇地震作用下的弹塑性位移进行了计算, 该房屋建造在7度设防区, 其罕遇地震作用影响系数α_max为0.50, 其横向和纵向屈服强度系数等计算结果列于表4。

　　 从表4所列的计算结果可以看出, 该房屋纵向抗震能力强于横向, 可见横向为较薄弱的方向。从结构楼层的极限抗震能力来看, 无论横向还是纵向其薄弱楼层均为第2层, 其薄弱程度均不小于第1层与第3层屈服强度系数平均值的0.8倍, 还不属于特别不均匀的结构。较薄弱方向横向的屈服强度系数为0.61, 不符合抗规规定的屈服强度系数不大于0.5应进行弹塑性变形验算要求。

　　 为了对其在罕遇地震作用下的弹塑性位移极限进行估计, 根据文献[3]给出的不同ξ_y值弹塑性位移增大系数, 计算得出罕遇地震作用下横向薄弱楼层的层间弹塑性位移为31.8mm, 其层间位移角为1/122。根据表4所列的判断指标, 该房屋结构在罕遇地震作用下的破坏状态为中等至严重破坏状态。

　　 该房屋结构具有一定的抗震能力, 能够满足多遇地震作用不坏、设防烈度地震作用可修和罕遇地震作用不倒的抗震设防要求;也能满足乙类建筑在罕遇地震作用下控制在中等至严重破坏的抗震性能要求。

　　 由于楼梯是大震作用下人们逃生的最后通道, 而该房屋结构突出结构平面的?-?轴线楼梯间与整个框架结构联系较弱, 应对该楼梯间的框架柱采取加大截面法或粘贴型钢法的加固措施。

　　 (1) 通过多遇地震作用下的结构抗震验算、设防烈度作用下的抗侧力构件不屈服验算和罕遇地震作用下的弹塑性变形验算来综合评价既有单跨钢筋混凝土框架结构的抗震性能评估方法, 能够较正确地评定单跨钢筋混凝土框架结构的抗震性能以及相应的薄弱楼层, 使得这类既有房屋结构能够根据抗震性能的评定结果采取既安全又经济的抗震对策。

　　 (2) 建筑结构整体抗震能力是由结构体系、结构布置和抗震承载能力与变形能力综合决定的, 其结构变形能力与结构所采取抗震构造措施关系很大。当结构体系不合理时, 其结构的抗震承载能力和变形能力应要求更高;当抗震承载能力富余量不大时, 其抗震构造的要求应更为严格;当抗震承载能力富余量较大时, 其抗震构造要求可适当放宽。

　　 (3) 通过本文的实例分析和所进行过的既有单跨框架结构分析来看, 既有单跨钢筋混凝土框架结构的抗震性能评估方法的应用应限定在总高度不应超过24m的多层框架结构房屋, 其跨度也不宜大于9m。对于超出上述范围的单跨钢筋混凝土框架结构的抗震性能评定, 建议采用更仔细的静力弹塑性方法或输入地震波的直接动力法进行分析。