張 力

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州350025)

引 言

中國和日本一衣帶水，同樣是地震多發(fā)國家，但由于國民經(jīng)濟及技術(shù)發(fā)展水平不同，對房屋抗震的研究及抗震要求也存在差異。日本第一版的《既存鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物的抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》于1977年頒布實施，隨后分別于1991年、2001年進行了修訂，現(xiàn)行的鑒定標(biāo)準(zhǔn)為2001版的《既存鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物的抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)·同解說》。該標(biāo)準(zhǔn)是日本長期應(yīng)對地震災(zāi)害的實踐經(jīng)驗積累以及多年的工程應(yīng)用及研究成果的結(jié)晶，具有很高的抗震水準(zhǔn)。中國第一版的抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)是在1976年唐山大地震后由國家建委抗震辦公室主持編制的，于1977年12月正式頒布實施的《工業(yè)與民用建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(TJ23－77)。1996年頒布實施了國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB50023－95)，針對建筑抗震設(shè)計規(guī)范TJ11－78實施以前設(shè)計建造的房屋進行抗震鑒定。2008年汶川大地震造成大量的房屋破壞和人員傷亡，暴露了原有抗震設(shè)計和抗震鑒定的一些不足，在總結(jié)多年的工程經(jīng)驗和科研成果的基礎(chǔ)上，并考慮我國國民經(jīng)濟水平有了較大提高的因素，2009年7月1日，我國頒布實施了最新版的《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB50023－2009)，對既有建筑的抗震要求做了較為全面的規(guī)定。

1 日本抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)

1.1 適用對象及評定原則

該鑒定標(biāo)準(zhǔn)適用于正常設(shè)計施工建造的，原則上為5～6層以下(不超過31m)的中低層既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物的抗震鑒定。不僅可用于一般的既有建筑物和抗震加固后的建筑物，也可以用于新建建筑物從抗震鑒定角度確定其抗震性能。

建筑物抗震性能包含承重結(jié)構(gòu)抗震性能和非承重結(jié)構(gòu)抗震性能，以結(jié)構(gòu)層為對象分縱橫兩個方向分別進行評定。根據(jù)計算精度不同，分為第一級評定、第二級評定及第三級評定，三級評定的精度依次提高。任一級的評定結(jié)果合格，均可判定鑒定對象的抗震性能滿足要求。

非承重結(jié)構(gòu)抗震性能是通過計算非承重結(jié)構(gòu)的抗震指標(biāo)IN進行抗震性能評定，IN是用以判斷非結(jié)構(gòu)構(gòu)件是否塌落、破壞，從而影響人類生命安全或出逃路線安全的重要參數(shù)。

承重結(jié)構(gòu)抗震性能是通過計算結(jié)構(gòu)抗震指標(biāo)Is，由下式進行判斷:

其中Is為結(jié)構(gòu)抗震指標(biāo)，是根據(jù)樓層的豎向構(gòu)件的抗側(cè)變形能力及抗剪承載能力進行計算，并考慮結(jié)構(gòu)形狀和使用年限的影響進行修正而得到的一個連續(xù)量。Is0為結(jié)構(gòu)抗震評定指標(biāo)，Is0=ES·Z·G·U，是根據(jù)以往地震作用下受損建筑物的分析結(jié)果，以未來發(fā)生大地震時建筑物不致倒塌為原則確定的抗震評定基本指標(biāo)ES，并考慮建筑物所在的地域特征Z、場地類型G以及使用功能U進行修正而得到的一個數(shù)值。

1.2 結(jié)構(gòu)抗震指標(biāo)Is

各樓層縱橫方向上的Is由下式計算:

式中:E0為抗震能力基本指標(biāo)，取決于該樓層的豎向抗側(cè)力構(gòu)件的破壞模式、抗剪承載能力和極限變形能力。SD為結(jié)構(gòu)的體型折減系數(shù)，由平面形狀的規(guī)則性、長寬比、平面凹凸、伸縮縫、樓板開洞(大小及偏置)、地下室的有無、層高的均一性、框支柱、質(zhì)心和剛心的偏位及相鄰層的剛度比共計十一項指標(biāo)的乘積確定。T為使用年限系數(shù)，是考慮結(jié)構(gòu)已使用年限及使用狀況(裂縫、變形、老化等缺陷)等對建筑物抗震性能影響的折減系數(shù)。

1.3 抗震能力基本指標(biāo)E0

抗震能力基本指標(biāo)E0按下式確定:

式中Φ為樓層影響系數(shù)，Φ=(N+i)/(N+1)。C為結(jié)構(gòu)承載能力指標(biāo)，等于結(jié)構(gòu)層抗剪承載能力與該層及以上各層重量總和的比值。F為延性指標(biāo)，是根據(jù)不同構(gòu)件類型的塑性變形能力對構(gòu)件承載能力指標(biāo)C的影響系數(shù)。

1.3.1 強度型抗震能力指標(biāo)E0計算方法

當(dāng)同一樓層由多個極限變形能力不同的豎向構(gòu)件組成時，極限變形能力最小的脆性構(gòu)件達(dá)到其極限剪力時，層剪力達(dá)到最大，構(gòu)件破壞，其余構(gòu)件不能繼續(xù)承載，層剪力顯著降低，具有脆性破壞特征，這種情況E0按下式計算:

式中C1和F1為極限變形能力最小的第一類豎向構(gòu)件的結(jié)構(gòu)承載能力指標(biāo)和延性指標(biāo)。Cj和αj為第j類豎向構(gòu)件結(jié)構(gòu)承載能力指標(biāo)及其折減系數(shù)。C－F關(guān)系示意圖(見圖1)。

圖1 強度型C－F關(guān)系圖

1.3.2 延性型抗震能力指標(biāo)E0計算方法

當(dāng)同一樓層由多個極限變形能力不同的豎向構(gòu)件組成時，極限變形能力最小的脆性構(gòu)件達(dá)到其極限剪力時，脆性構(gòu)件破壞，但其余構(gòu)件還能繼續(xù)承載，層剪力不會顯著降低，其層抗剪承載能力由極限變形能力最大的延性構(gòu)件控制，具有延性破壞特征。這種情況E0可按下式計算:

圖2 延性型C－F關(guān)系圖

C－F關(guān)系示意圖(見圖2)。

1.3.3 第一級評定階段E0的計算方法

第一級評定時，按極限變形能力將豎向構(gòu)件分成3類:短柱、一般柱及墻。E0可按下式計算:

無短柱、墻，僅有一般柱時，CSC=CW=0，

無短柱，有墻、一般柱時，CSC=0，

圖2 延性型C－F關(guān)系圖

所有三類構(gòu)件均有時，

式中:α1、α2、α3為抗剪承載能力折減系數(shù)，一般可取0.7、0.7、0.5。

CSC、CC、CW為短柱、一般柱及墻的結(jié)構(gòu)承載能力指標(biāo)，采用混凝土抗剪強度與截面積的乘積計算得到的構(gòu)件抗剪承載能力與該樓層及其上所有樓層重量的比值，并考慮混凝土強度等級的影響進行修正。

FSC、FC、FW為短柱、一般柱及墻的延性指標(biāo)，分別取0.8、1.0、1.0。

第一級評定為粗略估算，計算簡單，只考慮各豎向構(gòu)件的抗震承載能力，不考慮變形影響，評定結(jié)果偏于保守。

1.3.4 第二級評定階段E0的計算方法

第二級評定時，將梁和樓板的剛度假設(shè)為無限大，根據(jù)設(shè)計規(guī)范公式或經(jīng)驗公式計算柱、墻在水平荷載作用下的極限破壞模式，即是剪切破壞還是彎曲破壞，將豎向構(gòu)件分成五類，分別為脆性柱、剪切柱、剪切墻、彎曲柱和彎曲墻。對應(yīng)于極限破壞時的最大剪力即為構(gòu)件的抗剪承載能力QU。

脆性柱、剪切墻的延性指標(biāo)F分別取0.8、1.0，剪切柱、彎曲柱和彎曲墻的延性指標(biāo)F可通過樓層屈服位移角、標(biāo)準(zhǔn)層間位移角以及構(gòu)件屈服時的層間位移角通過計算求得。

根據(jù)求得的五類構(gòu)件的延性指標(biāo)，將所有該層的豎向構(gòu)件分組，最多不超過三組。各組的結(jié)構(gòu)承載能力指標(biāo)C由該組的所有構(gòu)件的抗剪承載力QU除以其上樓層總重量求得，Cj=ΣQUj/ΣW。取該組構(gòu)件的延性指標(biāo)最小者作為該組延性指標(biāo)Fj。根據(jù)各組延性指標(biāo)F按從小到大的順序，記為(C1，F(xiàn)1)、(C2，F(xiàn)2)、(C3，F(xiàn)3)，按照脆性柱的分布情況按式(4)或式(5)計算抗震能力指標(biāo)E0。式(4)中的αj根據(jù)構(gòu)件的破壞模式和屈服時的層間位移角等參數(shù)求得。

第二級評定中，構(gòu)件的分類、抗剪承載能力以及延性指標(biāo)均較第一級評定更為精確，因此其評定結(jié)果也比第一級評定具有更高的可靠性。

1.3.5 第三級評定階段E0的計算方法

第三級評定時，假定梁柱節(jié)點為剛性節(jié)點，考慮梁板構(gòu)件的影響以及墻體因基礎(chǔ)上浮引起傾覆轉(zhuǎn)動的影響等因素，較第二級評定增加了三類構(gòu)件，分別是剪切梁控制的柱(柱的抗側(cè)承載能力由梁剪切破壞控制)、彎曲梁控制的柱(柱的抗側(cè)承載能力由梁彎曲破壞控制)、傾覆墻(墻底基礎(chǔ)上浮破壞先于墻彎曲破壞或剪切破壞)。E0的計算過程與第二級鑒定類似，不同之處主要有:

(1)新增3類豎向構(gòu)件的強度指標(biāo)和延性指標(biāo)計算;

(2)利用桿端彎矩分配法計算豎向構(gòu)件的極限承載力，并依此判斷破壞模式;

(3)可計入梁柱節(jié)點對拉結(jié)破壞或剪切強度的影響;

(4)為了避免局部樓層率先破壞，確保發(fā)生結(jié)構(gòu)整體破壞(比如梁或墻底的彎曲屈服或墻體傾覆等)，對結(jié)構(gòu)基本抗震性能指標(biāo)E0進行了修正:

第三級鑒定對構(gòu)件的劃分更為精細(xì)，對構(gòu)件的破壞模式的計算分析更為精確，與結(jié)構(gòu)實際受力和變形狀態(tài)更為接近，因此其評定結(jié)果也比第一級評定、第二級評定具有更高的可靠性。

1.4 抗震評估流程

2 中國抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)

2.1 適用對象及評定原則

該鑒定標(biāo)準(zhǔn)適用于抗震設(shè)防烈度為6～9度地區(qū)的現(xiàn)有建筑的抗震鑒定，不包含古建筑和行業(yè)有特殊要求的建筑。不適用于新建建筑工程的抗震設(shè)計和施工質(zhì)量的評定，不能作為新建工程未執(zhí)行設(shè)計規(guī)范的借口。

由于建筑物的建造年代不同，其后續(xù)使用年限也存在差異，從后續(xù)使用年限內(nèi)具有相同概率保證的角度考慮，將現(xiàn)有建筑物劃分為A類、B類和C類，其后續(xù)使用年限分別按30年、40年和50年考慮，地震作用的相對比例大致為0.75:0.88:1.00，對抗震性能的評定依次更加嚴(yán)格。一般上世紀(jì)80年代及以前建造的房屋最低應(yīng)按A類考慮，90年代建造的房屋最低應(yīng)按B類考慮，2001年以后建造的房屋按C類考慮。

現(xiàn)有鋼筋混凝土房屋的抗震鑒定，應(yīng)按結(jié)構(gòu)體系的合理性、結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料的實際強度、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的縱向鋼筋和橫向箍筋的配置和構(gòu)件連接的可靠性、填充墻等與主體結(jié)構(gòu)的拉結(jié)構(gòu)造以及構(gòu)件抗震承載力的綜合分析，對整幢房屋的抗震能力進行鑒定。當(dāng)梁柱節(jié)點構(gòu)造和框架跨數(shù)不符合規(guī)定時，應(yīng)評為不滿足抗震鑒定要求;當(dāng)僅有出入口、人流通道處的填充墻不符合規(guī)定時，應(yīng)評為局部不滿足抗震鑒定要求。

A類鋼筋混凝土房屋應(yīng)進行綜合抗震能力兩級鑒定。當(dāng)符合第一級鑒定(抗震措施鑒定)的各項規(guī)定時，除9度外應(yīng)允許不進行抗震驗算而評為滿足抗震鑒定要求;不符合第一級鑒定要求和9度時，除有明確規(guī)定的情況外，應(yīng)在第二級鑒定中采用屈服強度系數(shù)和綜合抗震能力指標(biāo)的方法作出判斷。

B類鋼筋混凝土房屋應(yīng)根據(jù)所屬的抗震等級進行結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)造檢查，并應(yīng)通過內(nèi)力調(diào)整進行抗震承載力驗算;或按照A類鋼筋混凝土房屋計入構(gòu)造影響對綜合抗震能力進行評定。

C類鋼筋混凝土房屋應(yīng)嚴(yán)格按照現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定的抗震措施及抗震計算方法進行抗震鑒定。

當(dāng)砌體結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)相連或依托于框架結(jié)構(gòu)時，應(yīng)加大砌體結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的地震作用，對砌體結(jié)構(gòu)進行抗震鑒定;對框架結(jié)構(gòu)的鑒定，應(yīng)計入兩種不同性質(zhì)的結(jié)構(gòu)相連導(dǎo)致的不利影響。

2.2 A類建筑抗震鑒定

A類建筑房屋高度不應(yīng)超過10層，分二級進行抗震鑒定，第一級為抗震措施鑒定，主要包括結(jié)構(gòu)體系、材料強度、鋼筋配置、框架填充墻體的拉結(jié)構(gòu)造等，按建筑物所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度及所在的場地類型，確定抗震措施的要求。當(dāng)?shù)谝患夎b定滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時，可評定為該建筑物抗震性能合格。否則根據(jù)抗震措施存在的具體問題，直接評為抗震性能不合格(進行加固或其他措施)，或進行第二級鑒定。第二級鑒定主要進行結(jié)構(gòu)在多遇地震作用(小震)下的結(jié)構(gòu)承載力驗算，可以通過整體建模計算并考慮地震作用的折減、構(gòu)造影響及損傷影響等因素，當(dāng)所有構(gòu)件承載能力均滿足要求時，可評為抗震性能合格。也可進行簡化計算，通過計算樓層綜合抗震能力指數(shù)β進行評定，當(dāng)β≥1.0時，抗震性能評定為合格。β按下式計算:

式中ψ1、ψ2分別為體系影響系數(shù)和局部影響系數(shù)，根據(jù)第一級鑒定結(jié)果進行取值，當(dāng)結(jié)構(gòu)存在損傷時，尚應(yīng)進一步折減。ξy為樓層屈服強度系數(shù)，Ve為樓層彈性地震剪力，Vy為樓層現(xiàn)有受剪承載能力(標(biāo)準(zhǔn)值)，假設(shè)梁板在樓面內(nèi)剛度無限大，按下式計算:

式中Vcy為框架柱層間現(xiàn)有受剪承載力之和，Vmy磚填充墻框架層間現(xiàn)有受剪承載力之和，Vwy為抗震墻層間現(xiàn)有受剪承載力之和。

承載能力驗算或綜合抗震能力指數(shù)β計算時，場地特征周期取值較現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范(設(shè)計基準(zhǔn)期為50年)小0.05～0.15秒，地震作用分項系數(shù)取1.0，構(gòu)件內(nèi)力不進行調(diào)整，抗震鑒定承載能力調(diào)整系數(shù)γRa取0.85γRE。抗震措施要求與現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范相比降低較多。

2.3 B類建筑抗震鑒定

B類建筑分別從抗震措施鑒定和抗震承載力驗算兩個方面對結(jié)構(gòu)抗震性能進行評定?？拐鸫胧╄b定首先根據(jù)建筑物所在地區(qū)的設(shè)防烈度、房屋高度及結(jié)構(gòu)類型確定結(jié)構(gòu)抗震等級，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同抗震等級(一～四級)及不同結(jié)構(gòu)類型(框架結(jié)構(gòu)、框架抗震墻結(jié)構(gòu)及抗震墻結(jié)構(gòu))的具體要求，對結(jié)構(gòu)體系、材料強度、構(gòu)件鋼筋配置、節(jié)點鋼筋配置、填充墻體布置及拉結(jié)構(gòu)造等進行鑒定，較A類建筑要求更為細(xì)致和嚴(yán)格。抗震承載力驗算時，若抗震措施存在不滿足要求的條款時，必須考慮對抗震承載力進行折減，參考A類建筑進行抗震綜合能力評價，若建筑物屬于乙類框架結(jié)構(gòu)，尚應(yīng)進行變形驗算。

承載力驗算時，場地特征周期取值較現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范(設(shè)計基準(zhǔn)期為50年)小0.05～0.15秒;構(gòu)件內(nèi)力按鑒定標(biāo)準(zhǔn)進行調(diào)整，但其調(diào)整系數(shù)小于現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范?？拐鸫胧┮筝^現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范略低。

2.4 抗震鑒定流程

3 中日鑒定標(biāo)準(zhǔn)對比分析

通過對中國《抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB50023－2009)及日本的《既存鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物的抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)·同解說》2001版的抗震理念及評定方法的研究分析，不同之處主要有以下幾點:

(1)日本的鑒定標(biāo)準(zhǔn)對既有建筑物的抗震性能要求同現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范一致，對新舊建筑采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此也適用于新建建筑的抗震性能評定。中國的鑒定標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)建筑物的建造年代，將建筑物按后續(xù)使用年限進行分類，對于不同分類的建筑物采用不同的抗震評定標(biāo)準(zhǔn)進行抗震性能鑒定，對于早期建造的房屋(A類和B類)的抗震評定標(biāo)準(zhǔn)低于現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范，同時規(guī)定不能采用該標(biāo)準(zhǔn)對新建建筑進行抗震性能評定。

(2)日本鑒定標(biāo)準(zhǔn)是以建筑物的現(xiàn)狀為出發(fā)點，根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)布置、材料性能、構(gòu)件承載能力、構(gòu)件的變形能力等參數(shù)，以層破壞模式推定其實際能抵抗的地震作用大小。中國鑒定標(biāo)準(zhǔn)主要從設(shè)計的角度(A類建筑第二級鑒定除外)，以建筑物必須達(dá)到的抗震措施和抗震承載力來對建筑物的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件進行復(fù)核。

(3)日本鑒定標(biāo)準(zhǔn)將建筑物的各項影響建筑抗震性能的項目及評定標(biāo)準(zhǔn)全部量化，計算得到結(jié)構(gòu)抗震指標(biāo)Is及結(jié)構(gòu)抗震評定指標(biāo)Is0，整個抗震評定體系可操作性較好。我國鑒定標(biāo)準(zhǔn)更側(cè)重于從抗震概念上對結(jié)構(gòu)抗震性能作出評價，評定體系由抗震措施復(fù)核和抗震承載力驗算兩方面組成。

(4)日本鑒定標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)樓層側(cè)向變形協(xié)調(diào)，以變形能力最小的構(gòu)件為基準(zhǔn)確定樓層極限承載能力，對變形能力大的豎向構(gòu)件的抗側(cè)承載能力進行折減［公式(4)］。中國鑒定標(biāo)準(zhǔn)A類建筑物的樓層抗剪承載能力計算公式(10)中，是以變形能力較大的框架柱為基準(zhǔn)，對于變形能力較小的抗震墻、磚填充墻框架則考慮其已發(fā)生破壞后的殘余承載能力(按70%考慮)。

4 結(jié)語

日本抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)對不同時期建筑物的抗震性能評定采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，使得最新的抗震研究成果得以推廣應(yīng)用，修正早期標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)識的不足，地震發(fā)生時，不同時期建造的房屋能夠具有相同的抗震水準(zhǔn)，可更加有效地保證生命及財產(chǎn)安全。日本對結(jié)構(gòu)抗震性能的評定基于實際震害經(jīng)驗的大量統(tǒng)計分析得到的結(jié)構(gòu)層破壞模式、結(jié)構(gòu)抗震能力基本指標(biāo)等理論和量化指標(biāo)，值得我國抗震鑒定借鑒和學(xué)習(xí)。

［1］GB50023－2009，建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］菅野俊介.日本既有鋼筋混凝土建筑物的抗震能力評估［M］.日本:國際地震學(xué)與地震工程研究所2011中國抗震研修課程講義，2011.

［3］羅琨.中日歐現(xiàn)有建筑抗震性能評估方法比較研究［R］.北京交通大學(xué)，2011.

［4］王瑋，曹清，賈開.日本建筑的抗震加固評估標(biāo)準(zhǔn)及加固方法［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(6).

［5］周平槐.日本既有鋼筋混凝土建筑抗震鑒定方法［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2012，42(8).