结构荐读丨专家解读《基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则》（RISN-TG046-2023）

百科 2025-02-02 10:27 北京

《基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则》（RISN-TG046-2023）解读

文/尚庆学，王海深，潘鹏

摘要

Abstract

《建设工程抗震管理条例》自2021年9月1日起施行,对位于高烈度设防地区、地震重点监视防御区的新建学校、幼儿园、医院、养老机构、儿童福利机构、应急指挥中心、应急避难场所、广播电视等建筑的抗震性能提出了更高要求,即:要求由“保证安全性”提升到“保持正常使用功能”。因此,住房和城乡建设部标准定额研究所于2023年5月12日颁布了《基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则》(RISN-TG046—2023)。为了帮助使用者更深入地理解《导则》,对《导则》的编制背景、编制过程以及各章节内容进行简要介绍,对《导则》的关键条文进行深入解读,详细说明了震时正常使用建筑的设计流程。《导则》创新提出了通过位移、加速度双控实现结构、非结构、设备三保护的设计理念,为实现建筑震时正常使用提供了科学实用的解决方案。

引言

2008年四川汶川地震发生以来,我国发生多次强震,如2021年云南漾濞地震^[1]、2022年青海门源地震^[2]、2022年泸定地震^[3-4]等,强震作用下建设工程损伤给震区居民生命财产安全、日常生活带来巨大影响。以往历次震害调查结果表明,地震作用下除结构构件损伤外,建筑非结构构件及内部设备的损伤也非常严重,且非结构及设备损伤往往对建筑正常使用造成不利影响,甚至导致建筑停摆、丧失使用功能^[1-4]。已有的振动台试验研究结果也表明,对于建筑内部的非结构构件及关键设备,其在地震作用下往往易发生严重损伤,且其发生损伤所需的地震动强度往往小于导致结构构件发生损伤的地震动强度^[5-7]。历次震害调查结果也使得工程界、学术界逐渐开始关注非结构构件及建筑内部设备的抗震性能和防震保护^[8-15]。

尽管已有不少关于建筑非结构构件及内部设备的震害报道及相关抗震性能试验研究,但是目前我国的相关建筑抗震设计规范尚不能真正实现地震后建筑非结构构件及内部设备的安全性保证及震后正常使用功能保全。已有规范、标准大多从一般性要求方面对非结构构件的设防目标进行了规定,但由于非结构构件种类繁多、力学性能各异,且不同类型非结构构件对应的锚固措施、边界条件往往有较大差别,导致其防震保护实现路径无法统一;且以往建筑抗震设计往往仅考虑结构变形(层间位移角)的控制,对于影响非结构构件地震响应的楼面加速度参数考虑较少,无法真正控制非结构构件的地震损伤,也就无法真正实现建筑保持正常使用功能。为此,清华大学、广州大学牵头联合相关单位编制了《基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则》(RISN-TG046—2023)^[16](简称《导则》),旨在推动地震时保持正常使用功能建筑的抗震设计,进一步提高我国建设工程抗震能力。

本文对《导则》编制背景及过程、《导则》各章内容进行概述,对《导则》的关键条文进行深入解读,以帮助使用者更深入地理解《导则》,促进地震时保持正常使用功能建筑的抗震设计。

《导则》编制背景及过程

2021年5月12日,我国正式颁布《建设工程抗震管理条例》(简称《条例》)^[17],要求“两区八类建筑”即“位于高烈度设防地区、地震重点监视防御区的新建学校、幼儿园、医院、养老机构、儿童福利机构、应急指挥中心、应急避难场所、广播电视等建筑应当按照国家有关规定采用隔震减震等技术,保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求”。

《条例》中关于“两区八类建筑”应当“满足正常使用要求”的规定与建筑抗震韧性的概念不谋而合。建筑抗震韧性是指建筑在设定水准地震作用后,维持与恢复原有建筑功能的能力^[18]。建筑抗震韧性最重要的特征是地震后建筑无需修复或可快速修复,即:建筑能够满足正常使用要求。近年来,随着抗震韧性研究的深入,自2021年2月1日《建筑抗震韧性评价标准》(GB/T 38591—2020)^[18](简称《韧性标准》)实施以来,建筑抗震韧性一直是政府管理部门、建筑业主和设计单位都非常关心的问题。《韧性标准》提供了科学实用的抗震韧性评价方法和评价工具,旨在引导社会主动提高建筑抗震韧性。此后,越来越多的研究指出,建筑抗震韧性的实现与震后功能保全不止依赖于结构安全,其内部非结构、设备的震后安全与正常使用也至关重要^[19-20]。尤其对于学校、医院等重要建筑,其内部关键设备的地震损伤往往导致建筑使用功能的降低甚至完全丧失,严重影响震后正常使用^[21-23]。

《条例》于2021年9月1日施行后,为配合《条例》进一步提高建设工程抗震防灾能力,降低地震灾害风险,保障人民生命财产安全,实现地震时建筑正常使用的目标,更好地鼓励和支持建设工程抗震新技术的研究、开发和应用,在系统总结国内外建设工程相关科研和实践经验的基础上,清华大学、广州大学等有关单位根据住房和城乡建设部标准定额研究所《关于同意编制<基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则>的函》(建标工函〔2021〕78号)的要求,编制了《导则》,为保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求提供合理可行的技术路径。《导则》参编单位包括9所高校/科研机构、10家设计/咨询类公司、1家工程类公司。编制组于2021年10月召开编制组前期编委会议,就编制大纲、编制的具体内容、编制工作分工和编制进度计划进行了充分的讨论;编制期间多次召开编制组试设计结果论证会,并于2021年12月开始征求意见,2022年3月形成送审稿并召开审查会,最终于2022年5月完成了报批稿,并于2023年5月发布。

《导则》内容概述

编制《导则》的目的是为“两区八类建筑”的抗震设计及维护提供技术支持。其他需要保证设防地震时正常使用功能的建筑设计及维护,也可参考《导则》执行。《导则》的各项规定与《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)^[24]、《建筑隔震设计标准》(GB/T 51408-2021)^[25]、《建筑消能减震技术规程》(JGJ 297—2013)^[26]等规范、标准相衔接。

《导则》由“总则”“术语与符号”“基本规定”“地震作用和抗震验算”“建筑非结构构件”“建筑附属机电设备和功能性仪器设备”“维护与监测”等7个章节构成。《导则》的编制,总结吸取了近20年国际、国内结构工程和地震工程领域的研究成果,为地震时正常使用建筑的抗震设计提供了规范、统一的设计方法和要求。各章节的主要内容如下:

(1)总则。给出《导则》的编制背景、适用范围、设计目标等。

(2)术语与符号。针对《导则》中使用的有关建筑抗震设计的专业术语,给出科学、准确的定义。

(3)基本规定。从总体上规定了地震时正常使用功能建筑的分类、性能目标、抗震设计一般要求以及场地、地基和基础的有关规定。

(4)地震作用和抗震验算。针对地震时保持正常使用功能建筑的地震作用、结构构件承载力验算、层间变形和楼面水平加速度设计限值、结构抗震措施给出具体规定。

(5)建筑非结构构件。针对建筑非结构构件给出设计的一般规定、选用准则及抗震措施。

(6)建筑附属机电设备和功能性仪器设备。针对建筑附属机电设备和功能性仪器设备给出设计的一般规定、选用准则及抗震措施。

(7)维护与监测。针对地震时保持正常使用功能建筑的地震反应监测与维护给出具体设计要求。

(8)附录。附录A给出了位移敏感型建筑非结构构件的层间位移角容许值,以及不同类型位移敏感型建筑非结构构件适用的建筑类型;附录B、C、D分别给出了加速度敏感型建筑非结构构件、附属机电设备、功能性仪器设备的水平加速度容许值,以及不同类型加速度敏感型建筑非结构构件、附属机电设备、功能性仪器设备适用的建筑类型;附录E、F分别给出了地震时保持正常使用功能隔震、减震建筑维护要求;附录G则给出了地震反应监测内容的具体要求。

《导则》关键条文解读

3.1 地震时保持正常使用功能建筑的内涵

保持正常使用功能是指在遭受相当于本地区抗震设防烈度地震影响时能够满足正常使用要求,保证结构和建筑非结构构件基本完好、建筑附属机电设备和功能性仪器设备正常工作。在此基础上,地震时正常使用建筑是指在遭受相当于本地区抗震设防烈度地震影响时,能保持正常使用功能的新建学校、幼儿园、医院、养老机构、儿童福利机构、应急指挥中心、应急避难场所、广播电视等建筑。此外,对于其他需要保证设防地震时正常使用功能的建筑设计及维护,也可参考《导则》执行。

3.2 地震时保持正常使用功能建筑的分类

《导则》按使用功能及其损坏后果将“两区八类建筑”分为两类,其分类应按照表1进行。其中,Ⅰ类建筑确定原则为在地震发生时和发生后建筑损坏将产生严重次生灾害或严重影响抗震救灾的建筑,Ⅱ类建筑确定原则为用于保护弱势群体的建筑及某些人员密集建筑。综合考虑震后影响,《导则》规定Ⅰ类建筑的抗震性能目标高于Ⅱ类建筑。对于包含多个使用功能的建筑,其分类应由设计人员根据实际工程情况确定。

表1 地震时保持正常使用功能建筑分类

3.3 地震时保持正常使用功能建筑的性能目标

地震时保持正常使用功能建筑根据其类别不同,对应的性能目标也有所区分。Ⅰ类建筑的总体性能目标为:当遭受相当于本地区抗震设防烈度地震影响时,无需修理可继续使用;当遭受罕遇地震时,经简单修理可继续使用;Ⅱ类建筑的总体性能目标为:当遭受相当于本地区抗震设防烈度地震影响时,无需修理可继续使用;当遭受罕遇地震时,经适度修理可继续使用。其中,简单修理,即建筑修复费用与建造成本的比值小于5%且修复时间小于7d;适度修理,即建筑修复费用与建造成本的比值小于10%且修复时间小于30d。

地震时正常使用Ⅰ类建筑、Ⅱ类建筑的性能目标应不低于表2、表3的规定。其中,完好,即构件保持弹性状态;基本完好,即构件基本保持弹性状态;轻微损坏,即构件可能出现轻微的塑性变形,但不影响正常使用;轻度损坏,即构件达到屈服状态,但不出现明显的塑性变形;中度损坏,即构件出现明显的塑性变形,但控制在适度修理可继续使用的范围;正常工作,即减震、隔震部件、附属机电设备、功能性仪器设备正常运行,发挥设计预期的作用或功能。

表2 Ⅰ类建筑正常使用的性能目标

表3 Ⅱ类建筑正常使用的性能目标

建筑非结构构件、建筑附属机电设备及功能性仪器设备轻度损坏,即外观可能损坏而不影响使用功能和防火能力,安全玻璃可能产生裂缝但无坠落;中度损坏,即使用功能基本正常或可很快恢复,耐火时间减少1/4,强化玻璃破碎,其他玻璃无坠落。

3.4 地震时保持正常使用功能建筑的设计流程

根据《条例》第十六条规定,地震时保持正常使用功能建筑应采用隔震减震等技术,此外《导则》创新提出通过位移、加速度双控实现结构、非结构、设备三保护的设计理念,并给出了相应的设计流程(图1)。

图1 地震时保持正常使用功能建筑设计流程

(1)确定初设方案:设计初期,根据建筑及结构初设结果,建立结构的有限元模型。

(2)设防地震下承载力验算:基于设防地震进行结构构件的承载力验算。

(3)结构层间变形验算:进行设防地震和罕遇地震作用下结构弹塑性时程分析,计算结构层间位移,若不满足限值(表4、表5)要求,则应调整结构设计方案并重新进行上述步骤;若层间变形验算满足要求,则可进行下一步。

表4 Ⅰ类建筑在设防地震和罕遇地震下的层间位移角限值

表5 Ⅱ类建筑在设防地震和罕遇地震下的层间位移角限值

(4)楼面水平加速度验算:楼面水平加速度验算若满足限值(表6)要求,则设计完成,若不满足,可重新调整结构设计方案,或对建筑非结构构件、建筑附属机电设备和功能性仪器设备采取专门措施并进行专门研究和论证。专门研究和论证时应考虑所有建筑非结构构件、建筑附属机电设备和功能性仪器设备对建筑正常使用功能的影响。

表6 地震时保持正常使用功能建筑最大楼面水平加速度限值/g

(5)专门研究和论证:专门研究和论证时可根据现行国家标准《韧性标准》进行抗震韧性评价,Ⅰ类建筑应达到抗震韧性三星,Ⅱ类建筑应达到抗震韧性二星及以上。建筑抗震韧性评价流程见图2,评价过程中考虑了各类结构、非结构、设备对震后建筑修复费用、修复时间以及人员伤亡的影响来评定建筑抗震韧性等级,具体操作可参考文献[19-20,27],此处不再赘述。

图2 建筑抗震韧性评价流程

应当指出的是,表6中最大楼面水平加速度限值是在综合考虑地震烈度划分标准[28]、建筑非结构构件、建筑附属机电设备和功能性仪器设备正常使用限值要求^[6-7,18,29]的基础上确定的。

3.5 场地、地基和基础

场地、地基和基础的安全性及稳定性对建筑的安全及正常使用至关重要,为此《导则》对地震时保持正常使用功能建筑场地、地基和基础的抗震设计做出具体规定。

选址方面,地震时保持正常使用功能建筑的场地宜选择对抗震有利地段,应避开不利地段;当无法避开时,应采取有效措施。对于地面下存在饱和砂土或饱和粉土的情况,应进行液化判别;存在液化土层的地基,应根据建筑的抗震设防类别、地基的液化等级,结合具体情况采取相应的措施。

地震时保持正常使用功能建筑的地基基础应稳定可靠,其设计和抗震验算应满足本地区抗震设防烈度地震作用的要求,并按照设防地震作用进行抗震验算。其中,地基的抗震验算应采用地震作用效应的标准组合和地基承载力极限值进行,地基承载力极限值可取2倍地基承载力特征值,对于天然地基尚应考虑基础宽度和埋置深度的影响进行修正。基础抗剪、抗冲切验算应采用地震作用效应的基本组合和基础承载能力设计值,基础抗弯承载力验算可采用地震作用效应的标准组合和基础承载能力标准值。

3.6 结构构件抗震承载力验算

表2、3中结构构件根据功能、作用、位置及重要性等可分为关键构件、普通竖向构件、重要水平构件和普通水平构件。关键构件是指构件的失效可能引起结构的连续破坏或危及生命安全的严重破坏,可由结构工程师根据工程实际情况分析确定。普通竖向构件是指关键构件之外的竖向构件;重要水平构件是指关键构件之外不宜提早屈服的水平构件,包括对结构整体性有较大影响的水平构件,承受较大集中荷载的框架梁、承受较大集中荷载的抗震墙连梁,承受竖向地震的悬臂梁,以及消能减震结构中消能子结构的框架梁等。普通水平构件包括一般的框架梁、抗震墙连梁等。消能部件是指由消能器和支撑或连接消能器构件组成的部分。隔震部件是指由隔震支座、阻尼装置、抗风装置、限位装置、抗拉装置及相关的支承或连接构件组成的部分。

《导则》要求,地震时保持正常使用功能建筑的结构构件承载力应按照设防地震作用进行验算,并满足相应的性能要求。其中,关键构件,满足中震弹性(式(1));普通竖向及重要水平混凝土构件,满足抗剪弹性(式(1))、抗弯不屈服(式(2));普通竖向及重要水平钢构件,满足抗剪和抗弯不屈服(式(2));普通水平混凝土构件,满足抗剪不屈服(式(2))且抗弯满足式(3),普通水平钢构件抗剪和抗弯满足式(3)。

式中:S为结构构件内力组合的设计值;R为构件承载力设计值;γ_RE为承载力抗震调整系数;γ_G为重力荷载分项系数;γ_Eh、γ_Ev分别为水平、竖向地震作用分项系数;S_GE为重力荷载代表值的效应;S_Eh、S_Ev分别为水平、竖向地震作用标准值的效应。

式中R_k为普通竖向构件及重要水平构件承载力标准值,按材料强度标准值计算。

式中Rk*为普通水平构件承载力标准值,按材料强度标准值计算,对钢筋混凝土梁支座或节点边缘截面可考虑将钢筋的强度标准值提高25%进行计算,对钢梁支座或节点边缘截面可考虑将钢材屈服强度标准值提高25%进行计算,以考虑设防地震下允许钢筋混凝土梁支座或节点边缘截面、钢梁支座或节点边缘截面进入不影响正常使用的轻微塑性。

3.7 建筑非结构构件、建筑附属机电设备和功能性仪器设备

地震时正常使用建筑应根据其在设防地震作用下的层间位移角和楼面水平加速度选择适合的建筑非结构构件、建筑附属机电设备和功能性仪器设备,所选用的建筑非结构构件、建筑附属机电设备和功能性仪器设备应能适应其所在位置的层间位移角和楼面水平加速度。

《导则》附录A～D分别给出了位移敏感型建筑非结构构件、加速度敏感型建筑非结构构件、附属机电设备和功能性仪器设备适用的建筑类型及对应工程需求参数的容许值,可供工程师参考并选用。按照地震时正常使用要求,建筑非结构构件、附属机电设备和功能性仪器设备的指标限值取值参考现行《韧性标准》表F.1中构件损伤状态的中位值及对数标准差确定。对于表F.1中存在1级损伤状态的,指标限值按照1级损伤状态的中位值确定;对于不存在1级损伤状态的,指标限值按照最严格标准取84%保证率确定。按该准则确定的指标限值在楼面水平加速度为0.25g时,基本能保证常用加速度敏感型建筑非结构构件、建筑附属机电设备的正常使用;楼面水平加速度为0.45g时,基本能保证抗震性能良好的常用加速度敏感型建筑非结构构件、建筑附属机电设备正常使用。对于位移敏感型建筑非结构构件,进一步将其层间位移角容许值与《导则》中采用不同结构体系的各类建筑层间位移角限值进行比较确定是否适用于该类建筑,并给出适用的建筑类型。

此外,当建筑非结构构件、建筑附属机电设备或功能性仪器设备不能适应建筑的层间位移角和楼面水平加速度时,应重新选择或对其采取专门措施。对建筑非结构构件、建筑附属机电设备和功能性仪器设备采取专门措施时,包括但不限于增设抗震支撑、增设隔震(振)装置、增强锚固措施。对于缺乏数据支撑的建筑非结构构件、建筑附属机电设备和功能性仪器设备,应进行专门试验研究。

结语

(1)《导则》创新提出通过位移、加速度双控实现结构、非结构、设备三保护的设计理念,并给出了相应的设计流程,可为落实《条例》中提出的“两区八类建筑”保持震时正常使用功能提供合理的技术路径。

(2)《导则》为地震时正常使用建筑的抗震设计提供规范、统一的设计方法和要求。《导则》以保证在遭受相当于本地区抗震设防烈度地震影响时建筑能够满足正常使用要求为目标,要求基于设防地震进行承载力设计,通过结构变形和楼面水平加速度验算,既能保证结构和建筑非结构构件基本完好,也能保证建筑附属机电设备和功能性仪器设备正常工作。

(3)《导则》的编制和发布将推动建设工程抗震新技术的研发和应用。《导则》编制过程中,总结吸取了近二十年国际、国内建设工程和地震工程领域的研究成果,《导则》的编制将进一步鼓励和支持建设工程抗震新技术的研究、开发和应用,实现抗震技术的进一步突破,进而实现国际引领,促进建设行业高质量发展,全面提升我国建设工程抗震能力,为社会的发展提供全面的地震安全保障。

致谢：本文完全依据《基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则》(RISN-TG046—2023)撰写,《导则》是全体编委会成员共同的工作,而绝非是本文作者独立完成的。《导则》编委会成员包括:周福霖、潘鹏、安晓文、王涛、谭平、郁银泉、马玉宏、苗启松、史铁花、曾德民、祁皑、潘文、黄襄云、杜永峰、冯远、刘彦辉、王立军、周建龙、陈洋洋、王载、管庆松、胡明祎、张俊平、束伟农、罗赤宇、黄伟、林景华、邓烜、杜志超、尚庆学、王海深、雷远德、史庆轩、王珏、解琳琳。成文过程中,编委会为本文提供了翔实的数据,并对主要内容进行了细心校核。限于篇幅,难以尽述,特此向编委会全体成员和其他为本文提供帮助的同志致以诚挚的谢意。

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基金项目及作者简介：

*国家重点研发计划项目(2022YFC3803000),北京市自然科学基金-丰台轨道前沿研究联合基金项目(L221022)。

第一作者：尚庆学,博士,高级工程师,主要从事工程抗震研究,Email:shangqingxue@outlook.com。

通信作者：潘鹏,博士,教授,主要从事工程抗震研究,Email:panpeng@tsinghua.edu.cn。