鄭士舉, 蔣利學(xué)

(1 上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2 上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032)

0 引言

美國對既有建筑抗震性能評估的研究約起始于20世紀(jì)七八十年代。1971年美國加州圣費(fèi)爾南多發(fā)生6.6級地震,造成大量老舊鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞。這次地震后,美國開始有計(jì)劃地對既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評估與加固。1984年,FEMA(美國聯(lián)邦應(yīng)急管理署)啟動了一項(xiàng)旨在全國范圍內(nèi)降低既有建筑地震安全風(fēng)險的計(jì)劃,開展了大量聯(lián)合研究,陸續(xù)發(fā)布多本手冊。1992年,FEMA發(fā)布了“既有建筑抗震性能評估手冊”(FEMA 178[1]),這一手冊在1998年修訂后成為預(yù)備標(biāo)準(zhǔn)(FEMA 310[2]),并在2003年上升為ASCE(美國土木工程師協(xié)會)標(biāo)準(zhǔn)——“既有建筑抗震性能評估標(biāo)準(zhǔn)”(ASCE 31-03[3]),正式成為全國性標(biāo)準(zhǔn)。這一系列的手冊和標(biāo)準(zhǔn)確立了美國抗震性能評估標(biāo)準(zhǔn)分為三級的基本框架,但主要內(nèi)容為前兩級評估。另一方面,從20世紀(jì)80年代開始,ATC(應(yīng)用技術(shù)理事會)在CSSC(加州抗震安全委員會)的資助下聯(lián)合大量學(xué)者開展了既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能評估方面的研究,于1996年發(fā)布了著名的ATC-40報告[4],即“混凝土建筑的抗震性能評估和加固”,這一報告首次詳細(xì)闡述了基于性能的抗震評估思想和基于位移的抗震評估方法原理。隨后1997年,FEMA在ATC-40的基礎(chǔ)上,發(fā)布了“建筑物抗震加固改造指南”(FEMA 273[5]),其中包括了完整的基于性能的抗震評估方法。2000年,對FEMA 273補(bǔ)充完善后,FEMA發(fā)布了“建筑物抗震加固改造試行標(biāo)準(zhǔn)及說明”(FEMA 356[6]),并成為ASCE的預(yù)備標(biāo)準(zhǔn)。2006年,在FEMA 356的基礎(chǔ)上,ASCE發(fā)布了正式標(biāo)準(zhǔn)“既有建筑抗震加固改造標(biāo)準(zhǔn)”(ASCE/SEI 41-06[7])。2013年,ASCE將ASCE 31-03和ASCE/SEI 41-06合并,即將三級評估框架與基于性能的抗震評估方法進(jìn)行融合,發(fā)布了“既有建筑抗震性能評估和加固標(biāo)準(zhǔn)”(ASCE/SEI 41-13[8])。2017年,ASCE發(fā)布了這一標(biāo)準(zhǔn)的最新修訂版ASCE/SEI 41-17[9]。本文主要根據(jù)ASCE/SEI 41-17對美國抗震性能評估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介紹,并與我國抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比。

1 美國抗震性能評估標(biāo)準(zhǔn)的基本思路

美國標(biāo)準(zhǔn)ASCE/SEI 41-17抗震性能評估的第一步是確定性能目標(biāo);第二步是確定地震活動強(qiáng)度等級;第三步是調(diào)查建筑竣工資料等建造信息;第四步是選擇評估程序;第五步是開展抗震性能評估并出具報告。

建筑抗震性能目標(biāo)由委托方和專業(yè)人員共同確定且應(yīng)符合政府部門的相關(guān)要求。建筑基本抗震性能目標(biāo)根據(jù)建筑物風(fēng)險類別、地震危險性等級查表確定,性能目標(biāo)可根據(jù)建筑的具體情況在基本性能目標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整,即增強(qiáng)性能目標(biāo)或有限性能目標(biāo)。建筑物風(fēng)險類別根據(jù)IBC或ASCE 7規(guī)范來確定,分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個類別,主要根據(jù)建筑的使用功能和結(jié)構(gòu)破壞造成的損失來進(jìn)行分類。地震風(fēng)險等級采用基于地震動超越概率的定義方式,用于確定地震作用,在ASCE/SEI 41-17中給出了四種常用的地震風(fēng)險等級,其對應(yīng)的地震動超越概率及重現(xiàn)周期見表1。BSE-1E和BSE-2E分別相當(dāng)于中震和大震,主要用于常規(guī)的既有建筑。BSE-2N相當(dāng)于新建建筑的最大考慮地震(MCER),用于有較高要求的既有建筑。

表1 ASCE/SEI 41-17地震風(fēng)險等級

在ASCE/SEI 41-17中建筑性能目標(biāo)的劃分非常靈活,自由度很大。建筑性能目標(biāo)由結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)和非結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)組合而成。結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)分為立即使用(S-1)、損傷控制(S-2)、生命安全(S-3)、有限安全(S-4)、防止倒塌(S-5)。非結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)分為運(yùn)行(N-A)、位置保持(N-B)、生命安全(N-C)、降低(造成大量傷亡的)危害(N-D)。單個結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)和非結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)組合在一起,構(gòu)成一個建筑性能目標(biāo),如3-B、5-D等。

建筑基本抗震性能目標(biāo)是最常用的,對于多數(shù)情況是適用的,如表2所示。地震活動強(qiáng)度等級根據(jù)反應(yīng)譜加速度分為很低、低、中、高四個等級,如表3所示。

表2 現(xiàn)有建筑物的基本性能目標(biāo)

表3 地震活動強(qiáng)度等級劃分

建筑抗震性能評估程序分為三級,第一級評估為篩查,第二級評估為基于缺陷的抗震性能評估,第三級評估為系統(tǒng)性評估。這三級評估之間復(fù)雜程度呈遞進(jìn)的關(guān)系。第一級篩查是從總體上定性評價結(jié)構(gòu)抗震性能,方法簡單但往往是偏于保守的。第二級評估程序針對第一級評估發(fā)現(xiàn)的抗震缺陷進(jìn)行更進(jìn)一步的詳細(xì)評估。而第三級評估程序更全面、具體和復(fù)雜。第一級評估和第二級評估有明確的適用范圍,適用范圍的劃分考慮了結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)形式、地震活動強(qiáng)度等級、層數(shù)(高度)等因素。在適用范圍內(nèi)時,結(jié)構(gòu)抗震性能評估首先從第一級評估開始,如能通過,結(jié)構(gòu)抗震性能評估程序結(jié)束;如不能通過,則對第一級發(fā)現(xiàn)的抗震缺陷進(jìn)行第二級評估。超出適用范圍則采用第三級評估程序。ASCE/SEI 41-17抗震性能評估流程如圖1所示。

圖1 ASCE/SEI 41-17抗震性能評估流程圖

2 第一級評估

在第一級篩查評估時,允許采用更為簡化的評估方式,即判斷建筑是否為基準(zhǔn)建筑(Benchmark Building)。所謂的基準(zhǔn)建筑指的是按照某一劃定版本的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造的建筑,或按照某一劃定版本的抗震性能評估和加固規(guī)范進(jìn)行過抗震性能評估和加固的建筑。這些劃定版本的規(guī)范往往是經(jīng)過實(shí)際地震檢驗(yàn)過的,因此按該劃定版本及之后版本設(shè)計(jì)、評估或加固的建筑,在對建造資料、現(xiàn)場實(shí)際狀況、地質(zhì)情況等進(jìn)行調(diào)查核實(shí)時(這一步是必須的)如未發(fā)現(xiàn)異常情況,即可被認(rèn)為符合基準(zhǔn)建筑的要求,從而可直接評定結(jié)構(gòu)抗震性能符合生命安全或立即使用性能水準(zhǔn)的要求(在BSE-1E作用下),不再執(zhí)行后續(xù)的結(jié)構(gòu)抗震性能評估程序,而只需對非結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評估,從而大大簡化抗震性能評估工作。

如果某建筑不能被劃為基準(zhǔn)建筑,則采用核查表單的方式進(jìn)行第一級評估。首先對建筑進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查和狀態(tài)評估,以驗(yàn)證現(xiàn)場實(shí)際情況與圖紙資料是否符合、是否進(jìn)行過改造、有無明顯的施工質(zhì)量缺陷和結(jié)構(gòu)性能退化等。在第一級評估中,現(xiàn)場材料性能檢測不是必須的,可以采用圖紙資料中的數(shù)值或根據(jù)建造年代取默認(rèn)值。

核查表單的內(nèi)容根據(jù)地震活動強(qiáng)度等級、選定的性能水準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行選擇。除地震活動強(qiáng)度等級為很低且結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)為防止倒塌時采用最為簡單的單個表單進(jìn)行核查外,其余情況均需采用3個表單進(jìn)行核查,包括基本結(jié)構(gòu)配置核查表單、結(jié)構(gòu)性能核查表單、非結(jié)構(gòu)性能核查表單?；窘Y(jié)構(gòu)配置核查表單中的內(nèi)容主要為傳力路徑、相鄰建筑樓間距、薄弱層、軟弱層、豎向規(guī)則性、平面尺寸規(guī)則性、質(zhì)量分布規(guī)則性、質(zhì)心和剛心之間的偏心等。地震活動強(qiáng)度等級為中、高時,還包括地基液化、斷層等地質(zhì)風(fēng)險評估、抗傾覆評估和基礎(chǔ)整體性評估。在結(jié)構(gòu)性能核查表單中,根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式有更為具體的核查內(nèi)容,如對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),核查內(nèi)容根據(jù)不同地震活動強(qiáng)度等級主要包括結(jié)構(gòu)體系冗余度、柱軸壓比、柱鋼筋錨固、柱剪應(yīng)力、填充墻、短柱、強(qiáng)柱弱梁、箍筋間距、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋、樓蓋連續(xù)性等等。非結(jié)構(gòu)性能核查表單的主要內(nèi)容為設(shè)施設(shè)備、分隔墻、吊頂、固定支架、屋面煙囪等等在地震中容易掉落或出現(xiàn)連接破壞的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接可靠性。

以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例,中等地震活動強(qiáng)度等級、防止倒塌結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)下,基本結(jié)構(gòu)配置和結(jié)構(gòu)性能核查表單內(nèi)容如表4所示。從表4中可以看出,第一級評估基本上為抗震措施的核查,但也需要進(jìn)行一些簡要的結(jié)構(gòu)分析,這種分析稱為快速驗(yàn)算(Quick Checks)。對于較為規(guī)則的常規(guī)結(jié)構(gòu),通過一系列簡化的計(jì)算公式,計(jì)算層間位移角、鋼筋混凝土框架柱的平均剪應(yīng)力、剪力墻的平均剪應(yīng)力、地震傾覆力矩引起的柱壓應(yīng)力等等。需要說明的是,在這些計(jì)算應(yīng)力的公式中,均需用到偽地震剪力V,之所以稱“偽”,是因?yàn)樗腔诘任灰圃瓌t按等效彈性體系計(jì)算得到的地震剪力,即假定結(jié)構(gòu)在中大震下保持彈性。對于非彈性體系,中大震下結(jié)構(gòu)可能已經(jīng)進(jìn)入屈服,因此V并不是結(jié)構(gòu)實(shí)際承受的地震剪力,實(shí)際承受的地震剪力可能比V小。因此,在這些計(jì)算應(yīng)力的公式中,以式(1)為例,均通過除以一個不小于1的系統(tǒng)修正系數(shù)Ms來反映結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)體系延性的影響。結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)越高(如立即使用結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)S-1,要求結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài))、結(jié)構(gòu)體系延性越差(如無筋砌體結(jié)構(gòu),不允許進(jìn)入彈塑性階段),系統(tǒng)修正系數(shù)Ms越小。

(1)

表4 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)第一級評估內(nèi)容

3 第二級評估

第二級評估稱為基于缺陷的抗震性能評估,所謂基于缺陷,是指對第一級評估中發(fā)現(xiàn)的缺陷或不能確認(rèn)之處進(jìn)行更進(jìn)一步的分析評估。第二級評估的建筑性能目標(biāo)和地震風(fēng)險等級應(yīng)與第一級評估一致。如果在第二級評估中能夠證明在第一級評估中發(fā)現(xiàn)的抗震缺陷是可以接受的,那么該建筑即可被評為滿足設(shè)定的性能目標(biāo)要求。在第二級評估中仍允許根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙資料和建造年代采用默認(rèn)材料強(qiáng)度,而不需進(jìn)行現(xiàn)場檢測。

在第二級評估中需進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,結(jié)構(gòu)分析可以采用線性靜力分析方法或線性動力分析方法,線性靜力分析方法的使用有其限值范圍。線性靜力分析方法其實(shí)就是底部剪力法,計(jì)算公式與我國規(guī)范略有差異。線性動力分析方法分為兩種,即振型分解反應(yīng)譜法和彈性時程分析。對于振型分解反應(yīng)譜法,要求振型參與系數(shù)不小于90%,與我國規(guī)范一致。

同第一級評估一樣,在第二級評估中采用的基底剪力V也是偽地震剪力,線性靜力分析方法中的V按式(2)計(jì)算:

V=C1C2CmSaW

(2)

式中:C1為反映結(jié)構(gòu)最大期望彈塑性位移與按線彈性體系計(jì)算所得位移關(guān)系的修正系數(shù);C2為考慮往復(fù)循環(huán)過程中滯回環(huán)捏攏、結(jié)構(gòu)剛度退化、承載力退化的修正系數(shù);Cm為考慮高階振型質(zhì)量參與的有效質(zhì)量系數(shù);Sa為相應(yīng)于基本周期和所采用地震風(fēng)險等級的反應(yīng)譜加速度;W為有效重力荷載,類似于我國規(guī)范中的重力荷載代表值。

在抗震性能評估時,需區(qū)分主要構(gòu)件和次要構(gòu)件,還需要區(qū)分變形控制構(gòu)件(延性構(gòu)件)和承載力控制構(gòu)件(非延性構(gòu)件)。既承擔(dān)地震作用又發(fā)生變形的構(gòu)件均為主要構(gòu)件;發(fā)生變形但較少承擔(dān)地震作用的構(gòu)件為次要構(gòu)件,包括非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、對抗側(cè)剛度或抗側(cè)承載力貢獻(xiàn)很小的構(gòu)件、設(shè)計(jì)用于第一道抗震防線耗能的構(gòu)件(如連梁)等。變形控制構(gòu)件和承載力控制構(gòu)件的劃分主要從構(gòu)件荷載-位移曲線的形狀、荷載-位移曲線塑性段的長度、是否為主要構(gòu)件等方面進(jìn)行考慮。

對于變形控制構(gòu)件,抗震性能符合性判別按式(3)進(jìn)行:

mκQCE>QUD

(3)

式中:m為反映構(gòu)件延性的承載力修正系數(shù),其值大于等于1,取值取決于結(jié)構(gòu)類型、構(gòu)件類型、受力模式、結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)等,構(gòu)件延性越好,取值越大,結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)越高,取值越小;κ為信息因子(Knowledge Factor),用于反映所用材性信息的可信程度,取值在0.75～1.0之間;QCE為變形控制構(gòu)件的期望承載力,計(jì)算時采用材料強(qiáng)度的期望平均值并考慮塑性應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng);QUD為重力荷載效應(yīng)和地震作用效應(yīng)的組合效應(yīng)。

對于承載力控制構(gòu)件,采用式(4)進(jìn)行抗震性能符合性判別:

κQCL>QUF

(4)

式中:QCL為承載力控制構(gòu)件的下限承載力,計(jì)算時采用材料強(qiáng)度的下限值(均值減1倍的標(biāo)準(zhǔn)差);QUF為承載力控制構(gòu)件的重力荷載效應(yīng)和地震作用效應(yīng)的組合效應(yīng)。

從上述介紹可以看出,第二級評估實(shí)際上是基于承載力的評估,對于延性構(gòu)件,通過延性系數(shù)m將中大震作用下非彈性體系的變形驗(yàn)算近似轉(zhuǎn)化為承載力的驗(yàn)算,對于承載力控制構(gòu)件則不考慮系數(shù)m。在ASCE/SEI 41-17第8～12章中,詳細(xì)給出了不同種類結(jié)構(gòu)構(gòu)件m的取值。在同一類型的構(gòu)件中,在同等結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)下,m的取值主要受抗震措施的影響,如對于鋼筋混凝土柱主要包括了軸壓比、配箍率、彎剪比(即柱端受彎破壞與柱剪切破壞所對應(yīng)的水平剪力之比)等。

4 第三級評估

第三級評估為系統(tǒng)性評估,用于不適合采用第一級評估和第二級評估的結(jié)構(gòu),以及第二級評估后不能滿足性能目標(biāo)要求需要更進(jìn)一步詳細(xì)評估的結(jié)構(gòu)。在第三級評估中,對現(xiàn)場調(diào)查檢測的要求是最高的,均應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場結(jié)構(gòu)調(diào)查和材性檢測。同時,結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)越高,現(xiàn)場調(diào)查檢測的深度要求越高。第三級評估與第二級評估的區(qū)別是第二級評估僅針對第一級評估中發(fā)現(xiàn)的缺陷部位,而第三級評估是針對全部結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的全面、系統(tǒng)的抗震評估。

第三級評估結(jié)構(gòu)分析可以選用四種分析方法中的一種或多種,即線性靜力分析、線性動力分析、靜力非線性分析(pushover)、動力非線性分析方法。但線性分析方法不適用于存在豎向不連續(xù)、明顯薄弱層、明顯扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、斜交抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)。靜力非線性分析方法不適用于高階振型影響顯著的結(jié)構(gòu)。當(dāng)前三種方法均不適用時,應(yīng)采用動力非線性分析方法。當(dāng)進(jìn)行線性分析時,相關(guān)評估方法與第二級評估一致,即采用基于承載力的評估方法;當(dāng)進(jìn)行非線性分析時,采用基于位移的評估方法。

當(dāng)采用靜力非線性分析方法時,在選定的地震風(fēng)險等級作用下結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位移δt(即位移需求)可采用修正系數(shù)法按式(5)計(jì)算,也可根據(jù)FEMA 440[10]采用能力譜法進(jìn)行計(jì)算。

(5)

式中:C0為反映多自由度體系頂點(diǎn)位移與其等效單自由度體系譜位移關(guān)系的修正系數(shù);Te為等效基本周期,等效方式為將結(jié)構(gòu)的荷載-位移推覆曲線按一定的規(guī)則等效為三折線模型,三折線模型彈性段剛度所對應(yīng)的周期即為等效基本周期;Sa為相應(yīng)于等效基本周期Te和等效阻尼比的反應(yīng)譜加速度。

式(5)的本質(zhì)是通過一系列的等效,將多自由度體系的彈塑性位移計(jì)算簡化為等效單自由度彈性體系的譜位移計(jì)算,從而可利用已建立的單自由度彈性體系的加速度及位移反應(yīng)譜來等效計(jì)算多自由度體系的彈塑性位移需求。顯然,這是一種近似的簡化計(jì)算,精度不高,僅適用于較為規(guī)則且層數(shù)不多、高階振型影響小的結(jié)構(gòu)。對于不規(guī)則結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)或高階振型影響大的結(jié)構(gòu),則應(yīng)采用非線性動力分析方法即彈塑性時程分析法來計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移需求。

采用式(5)計(jì)算出結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位移后(一般為頂點(diǎn)位移),在該目標(biāo)位移下各構(gòu)件的轉(zhuǎn)角變形需求即可確定。ASCE/SEI 41-17第8～12章中詳細(xì)給出了不同類型結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)下和不同抗震措施下的轉(zhuǎn)角變形能力,其評價參數(shù)采用的是弦線轉(zhuǎn)角,以試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ),考慮了軸壓比、剪壓比、縱筋配筋率及配箍率等參數(shù)的影響[11]。如果某構(gòu)件的轉(zhuǎn)角變形需求小于其轉(zhuǎn)角變形能力,則該構(gòu)件可以通過第三級評估;否則,則不能通過第三級評估。

5 與我國抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)的對比

美國的抗震性能評估標(biāo)準(zhǔn)是一部完全的性能化抗震評估標(biāo)準(zhǔn),直接進(jìn)行中大震下的抗震性能評估。而我國的《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50023—2009)[12](簡稱抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn))采用的是與我國抗震設(shè)計(jì)一樣的理念,即小震下進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算,大震下的變形能力和抗倒塌能力則通過抗震措施鑒定分析來進(jìn)行評估。對比中美抗震性能評估標(biāo)準(zhǔn)可以發(fā)現(xiàn),兩國的標(biāo)準(zhǔn)在理念上存在相近之處,但在具體的方法上則存在比較大的差異:

(1)兩國標(biāo)準(zhǔn)在確定既有建筑所承受地震作用的理念上是基本一致的,即既有建筑在后續(xù)服役期遭遇同等強(qiáng)度地震作用的概率比新建建筑低,因此對既有建筑的抗震要求可比新建建筑低。在抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)中,將既有建筑按后續(xù)使用年限分為A(后續(xù)使用年限30年)、B(后續(xù)使用年限40年)、C(后續(xù)使用年限50年)三類?；谠诤罄m(xù)使用年限內(nèi)既有建筑與新建建筑具有同樣的地震超越概率的原則[13],可以對A類和B類建筑承擔(dān)的地震作用進(jìn)行折減,從平均意義上,該折減系數(shù)對于A類約為0.8,B類約為0.9[14]。

美國標(biāo)準(zhǔn)對地震作用直接采用超越概率的方式進(jìn)行表示,而未采用地震作用折減系數(shù),該超越概率對應(yīng)的加速度值通過地震風(fēng)險區(qū)劃圖確定。美國對于既有建筑抗震評估時采用的50年中震超越概率為20%,50年大震超越概率為5%,采用式(6)[15]進(jìn)行換算可知,50年20%中震超越概率的地震作用大致相當(dāng)于30年10%中震超越概率的地震作用,50年5%大震超越概率的地震作用相當(dāng)于30年2%大震超越概率的地震作用,即大致相當(dāng)于后續(xù)使用年限30年。但這一地震作用取值對于涉及較大結(jié)構(gòu)改造、建筑風(fēng)險類別提升、大幅延長使用年限等情況是不適用的,此時應(yīng)提高評估要求,我國相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中也有類似的要求。

(6)

式中:PR為預(yù)計(jì)超越概率對應(yīng)的重現(xiàn)周期平均值;t為后續(xù)使用年限;PEY為地震動參數(shù)在t年內(nèi)的超越概率(小數(shù)表示)。

(2)兩國標(biāo)準(zhǔn)均采用分級的方式進(jìn)行抗震性能評估?？拐痂b定標(biāo)準(zhǔn)將既有建筑的抗震鑒定分為兩級鑒定,第一級鑒定以宏觀控制和構(gòu)造鑒定為主,主要是對結(jié)構(gòu)體系、規(guī)則性、整體性、連接構(gòu)造、配筋構(gòu)造、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件等方面進(jìn)行鑒定。第二級鑒定以抗震驗(yàn)算為主結(jié)合構(gòu)造影響進(jìn)行綜合評價。對于A類建筑,當(dāng)?shù)谝患夎b定符合要求時,可不再進(jìn)行第二級鑒定。A類建筑的第二級鑒定允許采用綜合抗震能力指數(shù)法進(jìn)行簡化計(jì)算。對于B類、C類建筑,均需進(jìn)行兩級鑒定并綜合評價。

美國標(biāo)準(zhǔn)將既有建筑的抗震性能評估分為三級。第一級評估主要也是對結(jié)構(gòu)體系布置、規(guī)則性、構(gòu)造措施的評估,這一點(diǎn)與我國標(biāo)準(zhǔn)的第一級鑒定是類似的,但美國標(biāo)準(zhǔn)的第一級評估中會涉及到簡化的宏觀結(jié)構(gòu)驗(yàn)算,包括層間位移角、柱剪應(yīng)力、傾覆力矩引起的軸壓力等。第一級評估通過可不再進(jìn)行后面的第二級評估。美國標(biāo)準(zhǔn)中很有特色的一點(diǎn)是,引入了基準(zhǔn)建筑的概念,只要能夠證明被評估建筑原設(shè)計(jì)采用的規(guī)范不低于基準(zhǔn)建筑的相應(yīng)要求(如IBC 2000[16]),建造資料完整且不懷疑其可靠性,現(xiàn)場調(diào)查表明建筑未經(jīng)過結(jié)構(gòu)改動或使用功能變化,結(jié)構(gòu)狀況良好,就可以直接判定抗震性能符合要求。這一判斷來源于大量震害調(diào)查,即按某一版本規(guī)范設(shè)計(jì)建造的建筑在實(shí)際地震中已經(jīng)經(jīng)受了考驗(yàn),能夠證明這一版本的規(guī)范是可靠的,如1994年洛杉磯北嶺地震[17]、2018年阿拉斯加安克雷奇地震[18]等。采用這一理念可以大幅簡化抗震性能評估工作,這對于我國的抗震鑒定工作也具有一定的借鑒作用,大量城鎮(zhèn)建筑的抗震性能篩查可以借鑒這一理念,而不必均通過抗震鑒定來評價其抗震性能。美國標(biāo)準(zhǔn)中的第二級評估不是全面的評估,僅針對第一級評估發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行更進(jìn)一步的評估以確認(rèn)此缺陷是否構(gòu)成對結(jié)構(gòu)抗震性能的實(shí)質(zhì)影響。第二級評估是基于承載力的評估,從這一點(diǎn)上來說,與我國抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)的第二級鑒定是類似的,但在具體做法上存在較大差異。第三級系統(tǒng)性評估最復(fù)雜、要求最高,得到的結(jié)果也最可信,往往需要進(jìn)行非線性分析并采用基于位移的評估方法。但第三級評估不是必須的,只有超出第一級評估和第二級評估的適用范圍時或第二級評估不通過需更進(jìn)一步評估時,才進(jìn)行第三級評估。

(3)我國既有建筑抗震鑒定的承載力驗(yàn)算和變形驗(yàn)算均采用多遇地震作用,要求結(jié)構(gòu)在小震作用下處于彈性狀態(tài),并通過體系影響系數(shù)和局部影響系數(shù)考慮結(jié)構(gòu)體系和抗震構(gòu)造措施對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,一定程度上體現(xiàn)了基于性能的抗震評估思想,但體系影響系數(shù)和局部影響系數(shù)的取值較為簡單[19-20]。

美國標(biāo)準(zhǔn)直接進(jìn)行中震或大震下的結(jié)構(gòu)分析,不做小震驗(yàn)算。在第一級和第二級評估中,由于采用的結(jié)構(gòu)分析方法為線性分析,但又允許中大震作用下延性結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服后階段,因此采用等效的“偽”地震剪力來進(jìn)行承載力驗(yàn)算,將延性結(jié)構(gòu)的彈塑性分析轉(zhuǎn)化為彈性分析,并通過修正系數(shù)來考慮延性結(jié)構(gòu)的地震作用折減。由于構(gòu)件的變形能力已體現(xiàn)在修正系數(shù)中,因此不再單獨(dú)進(jìn)行變形驗(yàn)算。而在第三級評估中,對于具有一定延性的結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行基于位移的抗震性能評估,不再進(jìn)行構(gòu)件承載力驗(yàn)算,對于非延性結(jié)構(gòu)仍然采用基于承載力的評估方法。美國標(biāo)準(zhǔn)中充分考慮了不同結(jié)構(gòu)體系的抗震分析評估方法的需求差異,綜合考慮了承載能力和變形能力,而不是分別對其進(jìn)行評估,因而評估結(jié)果更能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)抗震能力。

6 結(jié)語

美國的抗震性能評估標(biāo)準(zhǔn)從20世紀(jì)80年代以來經(jīng)過不斷的迭代更新逐漸發(fā)展成為一部理念較為先進(jìn)的、以性能化思想作為基礎(chǔ)的抗震性能評估標(biāo)準(zhǔn),主要技術(shù)特點(diǎn)包括建筑抗震性能目標(biāo)的靈活設(shè)置、對于基準(zhǔn)建筑可以采用非常簡化的評估程序、直接進(jìn)行中大震作用下的抗震性能評估、對于延性結(jié)構(gòu)和非延性結(jié)構(gòu)采用不同的評估方法、對于延性結(jié)構(gòu)通過等效方式進(jìn)行彈塑性階段的抗震性能評估、綜合考慮承載能力和變形能力而不是分開評估等等。盡管我國的抗震設(shè)計(jì)理念與美國有較大差別,但其中也有很多方面值得我國的抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)借鑒。隨著我國城市更新進(jìn)程的不斷加快,既有建筑抗震性能評估和加固的需求強(qiáng)烈且日趨多樣化和復(fù)雜化,部分情況下只需要進(jìn)行簡化的篩查評估,而涉及到復(fù)雜的結(jié)構(gòu)改造或使用功能改變等等則需要更加精細(xì)的系統(tǒng)性評估方法,以采取更加精準(zhǔn)、綠色、高效的抗震加固措施,因此有必要發(fā)展出符合我國實(shí)際國情的、更加精細(xì)化和性能化的抗震性能評估方法和分析程序。