关于建筑抗震韧性设计分析

关于建筑抗震韧性设计分析

田博

身份证号：41270119890530405X

摘要：随着社会经济发展、城市化进程加快以及我国新型城镇化战略的实施，大城市及城市群和重大基础设施大震巨灾风险防控已经成为全球可持续发展的关键。提升城市抗灾韧性被认为是应对城市灾害脆弱性的最佳解决方案。城市韧性被定义为城市系统遭受灾害影响时保持或快速恢复的能力，是解决城市灾害脆弱性、实现城市可持续发展的根本途径。有鉴于此，本文针对建筑抗震韧性设计提出自己一些简单看法，以供参考。

关键词：建筑；抗震韧性；设计；分析

1 建筑抗震韧性概述

建筑抗震韧性可定义为建筑遭受地震时维持或快速恢复其功能的能力。根据抗震韧性的概念，建筑抗震韧性的本质特征可概括为三点：系统性、功能性和快速恢复性。建筑抗震韧性设计与传统抗震设计之间的差异：时间尺度上，传统抗震设计方法更多的强调地震发生时刻的性能表现，而抗震韧性设计则强调地震发生时刻及恢复的全过程；设计对象上，传统抗震设计更多关注结构构件的抗震设计方法，而抗震韧性设计强调结构构件、非结构构件、设备等全要素设计；设计目标上，传统的抗震设计以保证结构安全为目标，而抗震韧性更强调结构构件、非结构构件和设备构成的建筑体系是否满足功能要求。

2 建筑抗震韧性设计的关键步骤

根据建筑抗震韧性设计的基本思路和要求，建筑抗震韧性设计可按以下步骤进行：首先，应制定匹配我国三抗震设防水准及建筑使用功能的建筑抗震韧性目标；其次，可根据我国现行《建筑抗震设计规范》的相关规定进行建筑结构的抗震设计，以保证地震作用下的生命安全；最后，进行建筑的抗震韧性概念设计和韧性验算以满足预定功能和快速恢复的要求。从概念上讲，建筑的抗震韧性取决于建筑的震后功能和恢复时间，前者取决于地震作用下建筑自身的抗震能力，后者主要涉及灾后重建的资源储备、社会动态响应和投入能力。为体现我国“从注重灾后救助向注重灾前预防转变”的战略需求，作者提出了基于功能损失和震后恢复时间的双参数抗震韧性评估方法[7,25]。控制功能损失和震后恢复时间所采取的应对措施完全不同，前者主要通过增强结构、非结构及设备等的抗震能力应对，这是提升建筑抗震韧性的根本措施，后者更多的依靠资源、组织管理应对，这是提升韧性的辅助措施。建筑的抗震韧性设计过程中，两者应区别对待。本文通过建筑的抗震韧性概念设计和韧性验算保证建筑在设定地震作用下完成预定的功能，抗震设计过程中应严格执行；通过概念设计达到建筑快速恢复的目标，抗震设计过程中可适当放松要求。

2.1 韧性目标的确定

2.1.1 建筑使用功能分类

为了与我国既有设计规范相匹配，按照《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223-2008）[32]的相关规定，将建筑按照使用功能分类划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类。第Ⅳ类建筑是涉及国家公共安全、地震时可能发生严重次生灾害的建筑，地震作用下一旦破坏，将会造成无法弥补的经济损失和人员伤亡，引起应急响应工作的瘫痪。第Ⅲ类建筑是地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关建筑，一旦破坏，可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果，大幅度降低应急响应工作的效率。第Ⅱ类建筑是Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ类以外的建筑，破坏后会造成一定程度的灾害后果，但对应急响应工作影响不大。第Ⅰ类建筑是使用上人员稀少且震损不致产生次生灾害的建筑，即使破坏也不会影响应急响应工作的运行。

2.1.2 韧性水平

基于作者提出的双参数抗震韧性评价思想以及建筑“保证安全”、“维持功能”和“快速恢复”的设计内涵和要求，本文以建筑物结构安全性、震后功能水平和恢复能力三个指标，将建筑抗震韧性等级划分为低韧性、基本韧性、韧性和高韧性四个等级，具体划分标准如下：（1）低韧性：建筑结构倒塌、严重破坏或中等破坏即为低韧性。（2）基本韧性：建筑结构基本完好或轻微破坏，且功能损失大于50%即为基本韧性；基本韧性建筑的恢复时间要尽可能小于2周。（3）韧性：建筑结构基本完好或轻微破坏，且震后功能损失在10%-50%范围内即为韧性；韧性建筑的恢复时间要尽可能小于72小时。（4）高韧性：建筑结构基本完好或轻微破坏，且震后功能损失小于等于10%时即为高韧性；高韧性建筑的恢复时间要尽可能小于24小时。

建筑的结构安全性与功能水平直接由建筑自身的抗震能力决定，设计时必须严格执行表3中结构破坏程度和功能损失两项规定，才能保证建筑震后正常，而建筑的快速恢复主要取决于重建的资源储备、社会动态响应和投入能力，存在较大不确定性，在进行抗震韧性设计时，可不必严格执行恢复时间的限定。需要指出的是，本节给出的建筑韧性水平划分标准是根据医疗建筑大量抗震韧性评价结果确定的建议值，若有更为可靠的数据或震害经验时，可更新韧性水平的划分标准。

2.2 结构安全设计

保障建筑在地震作用下不倒塌是建筑抗震韧性设计的基本目标，应根据《建筑抗震设计规范》对结构构件进行抗震计算设计和概念设计以达到结构安全的目标。结构的概念设计包括场地和地基、建筑结构的规则性、结构抗震体系的合理选择以及抗震构造措施等保证结构安全的相关规定；结构的抗震计算包括小震作用下的承载力设计和弹性变形验算以及大震作用下的弹塑性变形验算，以保证建筑结构在各设防地震动水准下满足结构安全性的要求。

2.3 建筑非结构构件、设备等要素的韧性概念设计

在建筑结构安全的前提下，还应对影响建筑功能的非结构构件、设备等影响建筑抗震韧性的各要素进行抗震韧性概念设计，以保证在设定地震作用下建筑能完成相应功能。对于非结构构件和设备而言，韧性概念设计是指通过选择合适的抗震措施、材料、布局与配置、细部构造和冗余备份等方式，保证其功能正常运行或能够快速修复。例如，填充墙可采用柔性连接或带水平滑移层等墙体形式，以适应建筑功能要求；给水排水、暖通空调、燃气、电气等附属机电设施的管道和设备，需遵循建筑机电工程抗震设计规范的规定进行选材和布置；设备则可以应用固定连接装置或减隔震装置等抗震措施，并通过调整连接处或减隔震装置的参数，确保其在地震作用下不会倾倒或跌落；同时，还可以更换建筑内管道接口为柔性接口，防止在地震中断裂。

2.4 功能快速恢复技术和策略

建筑抗震韧性设计除了使建筑满足预定功能要求外，当建筑遭遇强烈地震作用时，建筑功能很有可能降低和丧失，如何快速恢复对提高建筑抗震韧性能力至关重要。当建筑发生破坏后，建筑功能的恢复速度主要取决于：①维修人员、成本等维修资源的投入；②结构、非结构构件、设备的修复技术和维修顺序，其中维修资源主要取决于政府的决策和支援情况，不确定性较大。（1）对于建筑的结构构件、填充墙等非结构构件可采用早强快硬树脂-FRP、高强射钉快速锚固-粘钢加固、基于低碳早强纤维混凝土新型材料的注浆加固以及基于FRP-UHPC模板的加固等技术提高其修复速度，设备可采用备用水源、电源和设备、设备紧急调度、设备快速安装技术以及设备故障快速识别等措施。（2）合理安排结构、非结构构件、设备等组件维修的先后次序也是提高建筑功能恢复速度关键。当维修资源充足且工作空间足够时，可按照先结构构件、后非结构构件和设备的顺序进行修复，当维修资源不足或工作空间不足时，可优先选择重要的非结构构件和设备进行修复。

参考文献

[1]贾明明,袁昊祯,彭慧君.松原地区群体建筑结构地震响应及抗震韧性分析[J].地震工程学报, 2022(003):044.

[2]丁元涛,张海燕.建筑工程结构设计中抗震问题的分析[J].建筑·建材·装饰, 2022(017):000.

[3]薄景山,王玉婷,薄涛,等.城市和建筑抗震韧性研究的进展与展望[J].地震工程与工程振动, 2022(002):042.