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摘要：在國(guó)內(nèi)外有關(guān)隔震加固和基于性能設(shè)計(jì)方法研究的基礎(chǔ)上，提出了基于性能的隔震加固設(shè)計(jì)的理論框架。其中包括加固結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)、加固結(jié)構(gòu)的性能評(píng)估、設(shè)計(jì)方法等環(huán)節(jié)．較為清晰的展現(xiàn)了設(shè)計(jì)的基本過(guò)程，明確了下一步研究的方向及需要解決的問(wèn)題。...

基于性能的隔震加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

趙玉成

(北京工業(yè)大學(xué)，北京  100022)

    由于以往社會(huì)經(jīng)井水平的限制及規(guī)范法規(guī)的不完善，存在著大量未考慮抗震設(shè)防和雖考慮抗震設(shè)防但抗震設(shè)防目標(biāo)比較低的建筑。例如：30年前建造的建筑、唐山地震以后進(jìn)行了加固的但抗震能力仍然根低的建筑．其數(shù)量占現(xiàn)有建筑數(shù)量的l0％～30％。在上海，大約有2×10㎡的建筑需要加周，占現(xiàn)有建筑的23％。同時(shí)，許多歷史建筑、宗教建筑、有重要意義的建筑等也亟需在不破壞原有建筑風(fēng)貌的基礎(chǔ)上進(jìn)行抗震加固。

    隔震加固技術(shù)改變了傳統(tǒng)加固結(jié)構(gòu)“硬碰硬”式的抗震加固思想，改“抗”為“隔”+開(kāi)辟了抗震加固的新途徑，是一項(xiàng)值得推廣應(yīng)用的新技術(shù)。基于性能的設(shè)計(jì)方法可使所設(shè)計(jì)的加固結(jié)構(gòu)滿足各種預(yù)定的性能目標(biāo)要求，成為隔震加固設(shè)計(jì)方法的發(fā)展趨勢(shì)。研究基于性能的隔震加固設(shè)計(jì)方法具有重要的理論意義和工程實(shí)踐價(jià)值。

    目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)基于性能的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了多方面的基礎(chǔ)性研究，而針對(duì)基于性能的隔震加固研究的還比較少二本文在基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合隔震加固結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)．對(duì)基于性能的隔震加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論框架進(jìn)行了探討。

1.基于性能的隔震加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想

    現(xiàn)有的隔震加固設(shè)計(jì)理論是以現(xiàn)行的規(guī)范中的隔震技術(shù)為依據(jù)．根據(jù)預(yù)期的水平向減震系數(shù)和位移控制要求，選擇適當(dāng)?shù)母粽鹬ё�及抵抗地基微振�?dòng)與風(fēng)荷載而提供初始剛度的部件組成加固結(jié)構(gòu)的隔震層。隔震層的簡(jiǎn)化計(jì)算方法是采用我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范建議的有效剛度法。該方法是一種線性的分析方法，不能很好地考慮隔震層的非線性動(dòng)力特性，會(huì)使上部結(jié)構(gòu)的地震作用的估算存在很大誤差，從而使隔震加固結(jié)構(gòu)的性能得不到保證。

    現(xiàn)有的隔震加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法不能很好地體現(xiàn)不同隔震加同結(jié)構(gòu)的性能要求，也不能按照性能目標(biāo)要求對(duì)隔震裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于性能的隔震加固設(shè)計(jì)是要控制加固結(jié)構(gòu)在地震作用下的工作狀態(tài)，即通過(guò)加固結(jié)構(gòu)在目標(biāo)性能下隔震裝置的設(shè)計(jì)來(lái)滿足加圃結(jié)構(gòu)的性能要求．從而宴現(xiàn)基于性能的隔震加固設(shè)計(jì)。

2.基于性能的隔震加固設(shè)計(jì)流程

    基于性能的隔震加固設(shè)計(jì)首先要明確待加固結(jié)構(gòu)的性能要求，井對(duì)其抗震性能進(jìn)行評(píng)估。若待加固結(jié)構(gòu)的性能不滿足要求，則需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的特性和結(jié)構(gòu)加固的性能目標(biāo)設(shè)計(jì)隔震裝置，通過(guò)隔震裝置來(lái)吸收和隔離地震能量，從而達(dá)到隔震加固的性能目標(biāo)。

    基于性能的隔震加固設(shè)計(jì)應(yīng)包括隔震加固的性能目標(biāo)、待JJnN結(jié)構(gòu)的性能評(píng)估、隔震裝置的設(shè)計(jì)、隔震加固結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)、隔震加固結(jié)構(gòu)性能的抗震安全性評(píng)價(jià)、隔震加固結(jié)構(gòu)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)竹等幾個(gè)方面，設(shè)計(jì)流程如圖l所示：

    采用隔震技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于性能的加固設(shè)計(jì)時(shí)，如何確定隔震加固的性能目標(biāo)，如何設(shè)計(jì)隔震裝置，如何對(duì)待加固結(jié)構(gòu)及隔震加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)．如何對(duì)隔震加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震安全性評(píng)價(jià)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)．是在隔震加固設(shè)計(jì)中需要解決的重要問(wèn)題。

3.隔震加固結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)

    隔震加固結(jié)構(gòu)的設(shè)防要求，很大程度上依賴于建筑物的重要性、經(jīng)濟(jì)政策和技術(shù)水平。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠度和居住的安全性、舒適性提出了更高的要求。近年來(lái)，隔震技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用使這一要求成為可能。隔震裝置具有較好的隔震減震效果，增設(shè)隔震系統(tǒng)可改善整體結(jié)構(gòu)的抗震性能和提高結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，因而采用隔震技術(shù)加固的結(jié)構(gòu)可提高原有建筑的設(shè)防目標(biāo)。另外，從建筑功能和經(jīng)濟(jì)角度考慮，業(yè)主有權(quán)選擇高于規(guī)范要求的性能設(shè)防目標(biāo)結(jié)構(gòu)工程師也有責(zé)任使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)滿足業(yè)主選擇的性能目標(biāo)和符合有關(guān)法規(guī)的規(guī)定。

    本文結(jié)合我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2001)的要求，根據(jù)建筑的重要性、經(jīng)濟(jì)政策和隔震加固技術(shù)水平等，并兼顧社會(huì)和業(yè)主的要求，提出了隔震加固結(jié)構(gòu)可按以下三個(gè)層次的設(shè)防性能目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)：①“小震不壞，中震可修，大震不倒”；②“中震不壞，大震可修”；③“大震不壞”。

4.隔震加固結(jié)構(gòu)的分析

    隔震加固分析模型建立在對(duì)原有結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估基礎(chǔ)上，模型中應(yīng)考慮待加固結(jié)構(gòu)的性能退化與損傷，隔震層的阻尼、剛度和恢復(fù)力模型。對(duì)隔震加固結(jié)構(gòu)基于性能的分析方法主要有動(dòng)力非線性分析方法、靜力非線性分析方法、能量分析方法。其中，靜力非線性分析方法是種簡(jiǎn)單而有效的分析方法，可用于結(jié)構(gòu)的初步分析和概念設(shè)計(jì)階段。隔震加固的分析與設(shè)計(jì)方法必須反應(yīng)出性能設(shè)計(jì)的理念：一般而言，性能目標(biāo)要求較低的簡(jiǎn)單建筑物，可采用較簡(jiǎn)單的方法分析，性能目標(biāo)要求較高的復(fù)雜結(jié)構(gòu)物，需采用較嚴(yán)格的方法分析設(shè)計(jì)。基于性能的隔震加固結(jié)構(gòu)的分析框圖如圖2所示。

    基于性能的隔震加固結(jié)構(gòu)的分析重點(diǎn)為：①結(jié)構(gòu)模型中如何考慮隔震裝置的阻尼、剛度和恢復(fù)力特性；②結(jié)構(gòu)分析模型中如何合理考慮結(jié)構(gòu)性能的退化和損傷；③發(fā)展簡(jiǎn)單實(shí)用而有效的分析方法，減少計(jì)算的工作量。

    基于性能的分析過(guò)程可借助計(jì)算機(jī)軟件或簡(jiǎn)化的手算方法實(shí)現(xiàn)。目前．常用的分析軟件有SAP2000 ANSIS、ETABS、MIDAS等。

5.隔震加固結(jié)構(gòu)的性能評(píng)估

    隔震加固的性能評(píng)估包括待加吲結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估、加固后結(jié)構(gòu)的抗震安全性評(píng)估和加固后結(jié)構(gòu)抗震性能的社會(huì)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。

    5.l待加固結(jié)構(gòu)的性能評(píng)估

    待加固結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估是進(jìn)行加固設(shè)計(jì)的前提條件，其結(jié)果應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)起到關(guān)鍵性的指導(dǎo)作用。待加固結(jié)構(gòu)的性能評(píng)估應(yīng)以相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)程和加固結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)為依據(jù)，主要從結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剮度、延性和構(gòu)造幾方面進(jìn)行。

    按照現(xiàn)行抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)中兩級(jí)鑒定方法，對(duì)待加固結(jié)構(gòu)的抗震鑒定結(jié)果不能較細(xì)致地反映結(jié)構(gòu)抗震性能存在的不足，對(duì)于結(jié)構(gòu)進(jìn)^彈塑性狀態(tài)后可能形成的屈服耗能機(jī)制及延性能力等結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵指標(biāo)不能作出判斷．僅能夠?qū)�結(jié)構(gòu)整體或宏觀上的抗震性能作出較為初步的評(píng)價(jià)”。筆者認(rèn)為應(yīng)補(bǔ)充靜力非線性計(jì)算，拽出待加固結(jié)構(gòu)的薄弱部位，了解結(jié)構(gòu)彈塑性發(fā)展和結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制，才能對(duì)結(jié)構(gòu)的性能作出評(píng)判，為加崮方案的制定提供充足的依據(jù)。

    5.2加固后結(jié)構(gòu)的抗震安全性評(píng)估

    在初步完成加固分析以后，必須對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震安全性進(jìn)行評(píng)估，以證實(shí)符合所選定的性能目標(biāo)。隔震加固結(jié)構(gòu)的性能評(píng)估目標(biāo)有①隔震層的水平最大位移；②上部結(jié)構(gòu)的最大層間位移角。通過(guò)這兩個(gè)目標(biāo)的評(píng)估來(lái)考察結(jié)構(gòu)在地震作用下的整體性能，進(jìn)而從整個(gè)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震加固的工程決策。

    結(jié)構(gòu)整體安全性能評(píng)價(jià)方法有經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法，分析法，其中包括確定性評(píng)價(jià)和概率性評(píng)價(jià)。此外還有專家系統(tǒng)法、易損性法等9。圖3是抗震安全性能評(píng)價(jià)的框圖。

    5.3隔震加固結(jié)構(gòu)抗震性能的社套經(jīng)濟(jì)綜臺(tái)評(píng)價(jià)

    隔震技術(shù)能夠很好地實(shí)現(xiàn)基于性能的抗震加固，但其抗震性能的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益也是人們關(guān)注的問(wèn)題。對(duì)比傳統(tǒng)的抗震加固方法，隔震加同具有加固效果明顯、降低加固造價(jià)、應(yīng)用范圍廣，對(duì)建筑物的外貌改變小等優(yōu)點(diǎn)，尤其是對(duì)歷史建筑、宗教建筑、有重要意義的建筑，進(jìn)行隔震加固后，在滿足性能El標(biāo)的前提下，達(dá)到了既節(jié)約投資，叉不破壞  原有建筑的風(fēng)貌的效果。

    隔震加固結(jié)構(gòu)抗震性能的社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)的重點(diǎn)是建立動(dòng)態(tài)的以概率理論為基礎(chǔ)的系統(tǒng)性評(píng)價(jià)方法；正確估算隔震加固工程的投資、維護(hù)性投資、地震災(zāi)害所可能造成的經(jīng)濟(jì)損失以及抗震工程投資所達(dá)到的經(jīng)濟(jì)效果和社會(huì)效果，從而為工程加固方案的優(yōu)化與實(shí)施提供科學(xué)的依據(jù)。圖4為隔震加固結(jié)構(gòu)抗震性能的利會(huì)經(jīng)儕綜合評(píng)價(jià)圖。

6.結(jié)束語(yǔ)

    隔震加固技術(shù)具有加固效果明顯、適用性廣、保護(hù)結(jié)構(gòu)原貌等特點(diǎn)，開(kāi)辟了抗震加固的新途徑。采用基于性能的設(shè)計(jì)方法對(duì)隔震加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)可滿足各種預(yù)定的性能目標(biāo)要求，具有廣泛的應(yīng)用前景，本文提出了基于性能的隔震加固設(shè)計(jì)的總流程圖．并詳細(xì)介紹了其中的環(huán)節(jié)，以期為今后的應(yīng)用與研究提供指導(dǎo)。

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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