美國既有建筑抗震性能評估標準簡介及與我國標準的對比*

鄭士舉, 蔣利學

(1 上海市建筑科學研究院有限公司，上海 200032；2 上海市工程結構安全重點實驗室，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世紀七八十年代。1971年美國加州圣費爾南多發生6.6級地震,造成大量老舊鋼筋混凝土結構破壞。這次地震后,美國開始有計劃地對既有結構進行抗震性能評估與加固。1984年,FEMA(美國聯邦應急管理署)啟動了一項旨在全國范圍內降低既有建筑地震安全風險的計劃,開展了大量聯合研究,陸續發布多本手冊。1992年,FEMA發布了“既有建筑抗震性能評估手冊”(FEMA 178[1]),這一手冊在1998年修訂后成為預備標準(FEMA 310[2]),并在2003年上升為ASCE(美國土木工程師協會)標準——“既有建筑抗震性能評估標準”(ASCE 31-03[3]),正式成為全國性標準。這一系列的手冊和標準確立了美國抗震性能評估標準分為三級的基本框架,但主要內容為前兩級評估。另一方面,從20世紀80年代開始,ATC(應用技術理事會)在CSSC(加州抗震安全委員會)的資助下聯合大量學者開展了既有鋼筋混凝土結構抗震性能評估方面的研究,于1996年發布了著名的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的基礎上,發布了“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補充完善后,FEMA發布了“建筑物抗震加固改造試行標準及說明”(FEMA 356[6]),并成為ASCE的預備標準。2006年,在FEMA 356的基礎上,ASCE發布了正式標準“既有建筑抗震加固改造標準”(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行融合,發布了“既有建筑抗震性能評估和加固標準”(ASCE/SEI 41-13[8])。2017年,ASCE發布了這一標準的最新修訂版ASCE/SEI 41-17[9]。本文主要根據ASCE/SEI 41-17對美國抗震性能評估標準進行介紹,并與我國抗震鑒定標準進行對比。

1 美國抗震性能評估標準的基本思路

美國標準ASCE/SEI 41-17抗震性能評估的第一步是確定性能目標;第二步是確定地震活動強度等級;第三步是調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。

建筑抗震性能目標由委托方和專業人員共同確定且應符合政府部門的相關要求。建筑基本抗震性能目標根據建筑物風險類別、地震危險性等級查表確定,性能目標可根據建筑的具體情況在基本性能目標的基礎上進行調整,即增強性能目標或有限性能目標。建筑物風險類別根據IBC或ASCE 7規范來確定,分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個類別,主要根據建筑的使用功能和結構破壞造成的損失來進行分類。地震風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險等級,其對應的地震動超越概率及重現周期見表1。BSE-1E和BSE-2E分別相當于中震和大震,主要用于常規的既有建筑。BSE-2N相當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地震風險等級

在ASCE/SEI 41-17中建筑性能目標的劃分非常靈活,自由度很大。建筑性能目標由結構性能水準和非結構性能水準組合而成。結構性能水準分為立即使用(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)。非結構性能水準分為運行(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)。單個結構性能水準和非結構性能水準組合在一起,構成一個建筑性能目標,如3-B、5-D等。

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

表2 現有建筑物的基本性能目標

表3 地震活動強度等級劃分

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,第三級評估為系統性評估。這三級評估之間復雜程度呈遞進的關系。第一級篩查是從總體上定性評價結構抗震性能,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現的抗震缺陷進行更進一步的詳細評估。而第三級評估程序更全面、具體和復雜。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構性能水準、結構形式、地震活動強度等級、層數(高度)等因素。在適用范圍內時,結構抗震性能評估首先從第一級評估開始,如能通過,結構抗震性能評估程序結束;如不能通過,則對第一級發現的抗震缺陷進行第二級評估。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建筑(Benchmark Building)。所謂的基準建筑指的是按照某一劃定版本的抗震設計規范進行設計和建造的建筑,或按照某一劃定版本的抗震性能評估和加固規范進行過抗震性能評估和加固的建筑。這些劃定版本的規范往往是經過實際地震檢驗過的,因此按該劃定版本及之后版本設計、評估或加固的建筑,在對建造資料、現場實際狀況、地質情況等進行調查核實時(這一步是必須的)如未發現異常情況,即可被認為符合基準建筑的要求,從而可直接評定結構抗震性能符合生命安全或立即使用性能水準的要求(在BSE-1E作用下),不再執行后續的結構抗震性能評估程序,而只需對非結構抗震性能進行評估,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建筑,則采用核查表單的方式進行第一級評估。首先對建筑進行現場調查和狀態評估,以驗證現場實際情況與圖紙資料是否符合、是否進行過改造、有無明顯的施工質量缺陷和結構性能退化等。在第一級評估中,現場材料性能檢測不是必須的,可以采用圖紙資料中的數值或根據建造年代取默認值。

核查表單的內容根據地震活動強度等級、選定的性能水準和結構形式進行選擇。除地震活動強度等級為很低且結構性能水準為防止倒塌時采用最為簡單的單個表單進行核查外,其余情況均需采用3個表單進行核查,包括基本結構配置核查表單、結構性能核查表單、非結構性能核查表單?；窘Y構配置核查表單中的內容主要為傳力路徑、相鄰建筑樓間距、薄弱層、軟弱層、豎向規則性、平面尺寸規則性、質量分布規則性、質心和剛心之間的偏心等。地震活動強度等級為中、高時,還包括地基液化、斷層等地質風險評估、抗傾覆評估和基礎整體性評估。在結構性能核查表單中,根據不同的結構形式有更為具體的核查內容,如對于鋼筋混凝土框架結構,核查內容根據不同地震活動強度等級主要包括結構體系冗余度、柱軸壓比、柱鋼筋錨固、柱剪應力、填充墻、短柱、強柱弱梁、箍筋間距、節點核心區箍筋、樓蓋連續性等等。非結構性能核查表單的主要內容為設施設備、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連接破壞的非結構構件的連接可靠性。

以鋼筋混凝土框架結構為例,中等地震活動強度等級、防止倒塌結構性能水準下,基本結構配置和結構性能核查表單內容如表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,但也需要進行一些簡要的結構分析,這種分析稱為快速驗算(Quick Checks)。對于較為規則的常規結構,通過一系列簡化的計算公式,計算層間位移角、鋼筋混凝土框架柱的平均剪應力、剪力墻的平均剪應力、地震傾覆力矩引起的柱壓應力等等。需要說明的是,在這些計算應力的公式中,均需用到偽地震剪力V,之所以稱“偽”,是因為它是基于等位移原則按等效彈性體系計算得到的地震剪力,即假定結構在中大震下保持彈性。對于非彈性體系,中大震下結構可能已經進入屈服,因此V并不是結構實際承受的地震剪力,實際承受的地震剪力可能比V小。因此,在這些計算應力的公式中,以式(1)為例,均通過除以一個不小于1的系統修正系數Ms來反映結構性能水準和結構體系延性的影響。結構性能水準越高(如立即使用結構性能水準S-1,要求結構處于彈性狀態)、結構體系延性越差(如無筋砌體結構,不允許進入彈塑性階段),系統修正系數Ms越小。

(1)

表4 鋼筋混凝土框架結構第一級評估內容

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現的缺陷或不能確認之處進行更進一步的分析評估。第二級評估的建筑性能目標和地震風險等級應與第一級評估一致。如果在第二級評估中能夠證明在第一級評估中發現的抗震缺陷是可以接受的,那么該建筑即可被評為滿足設定的性能目標要求。在第二級評估中仍允許根據設計圖紙資料和建造年代采用默認材料強度,而不需進行現場檢測。

在第二級評估中需進行結構分析,結構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就是底部剪力法,計算公式與我國規范略有差異。線性動力分析方法分為兩種,即振型分解反應譜法和彈性時程分析。對于振型分解反應譜法,要求振型參與系數不小于90%,與我國規范一致。

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)計算:

V=C1C2CmSaW

(2)

式中:C1為反映結構最大期望彈塑性位移與按線彈性體系計算所得位移關系的修正系數;C2為考慮往復循環過程中滯回環捏攏、結構剛度退化、承載力退化的修正系數;Cm為考慮高階振型質量參與的有效質量系數;Sa為相應于基本周期和所采用地震風險等級的反應譜加速度;W為有效重力荷載,類似于我國規范中的重力荷載代表值。

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

對于變形控制構件,抗震性能符合性判別按式(3)進行:

mκQCE>QUD

(3)

式中:m為反映構件延性的承載力修正系數,其值大于等于1,取值取決于結構類型、構件類型、受力模式、結構性能水準等,構件延性越好,取值越大,結構性能水準越高,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為變形控制構件的期望承載力,計算時采用材料強度的期望平均值并考慮塑性應變強化效應;QUD為重力荷載效應和地震作用效應的組合效應。

對于承載力控制構件,采用式(4)進行抗震性能符合性判別:

κQCL>QUF

(4)

式中:QCL為承載力控制構件的下限承載力,計算時采用材料強度的下限值(均值減1倍的標準差);QUF為承載力控制構件的重力荷載效應和地震作用效應的組合效應。

從上述介紹可以看出,第二級評估實際上是基于承載力的評估,對于延性構件,通過延性系數m將中大震作用下非彈性體系的變形驗算近似轉化為承載力的驗算,對于承載力控制構件則不考慮系數m。在ASCE/SEI 41-17第8～12章中,詳細給出了不同種類結構構件m的取值。在同一類型的構件中,在同等結構性能水準下,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的水平剪力之比)等。

4 第三級評估

第三級評估為系統性評估,用于不適合采用第一級評估和第二級評估的結構,以及第二級評估后不能滿足性能目標要求需要更進一步詳細評估的結構。在第三級評估中,對現場調查檢測的要求是最高的,均應進行現場結構調查和材性檢測。同時,結構性能水準越高,現場調查檢測的深度要求越高。第三級評估與第二級評估的區別是第二級評估僅針對第一級評估中發現的缺陷部位,而第三級評估是針對全部結構構件和非結構構件的全面、系統的抗震評估。

第三級評估結構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、明顯薄弱層、明顯扭轉不規則、斜交抗側力構件的結構。靜力非線性分析方法不適用于高階振型影響顯著的結構。當前三種方法均不適用時,應采用動力非線性分析方法。當進行線性分析時,相關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;當進行非線性分析時,采用基于位移的評估方法。

當采用靜力非線性分析方法時,在選定的地震風險等級作用下結構的目標位移δt(即位移需求)可采用修正系數法按式(5)計算,也可根據FEMA 440[10]采用能力譜法進行計算。

(5)

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

式(5)的本質是通過一系列的等效,將多自由度體系的彈塑性位移計算簡化為等效單自由度彈性體系的譜位移計算,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譜來等效計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算,精度不高,僅適用于較為規則且層數不多、高階振型影響小的結構。對于不規則結構、復雜結構或高階振型影響大的結構,則應采用非線性動力分析方法即彈塑性時程分析法來計算結構的位移需求。

采用式(5)計算出結構的目標位移后(一般為頂點位移),在該目標位移下各構件的轉角變形需求即可確定。ASCE/SEI 41-17第8～12章中詳細給出了不同類型結構構件在不同結構性能水準下和不同抗震措施下的轉角變形能力,其評價參數采用的是弦線轉角,以試驗數據統計結果為基礎,考慮了軸壓比、剪壓比、縱筋配筋率及配箍率等參數的影響[11]。如果某構件的轉角變形需求小于其轉角變形能力,則該構件可以通過第三級評估;否則,則不能通過第三級評估。

5 與我國抗震鑒定標準的對比

美國的抗震性能評估標準是一部完全的性能化抗震評估標準,直接進行中大震下的抗震性能評估。而我國的《建筑抗震鑒定標準》(GB 50023—2009)[12](簡稱抗震鑒定標準)采用的是與我國抗震設計一樣的理念,即小震下進行結構承載力驗算,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行評估。對比中美抗震性能評估標準可以發現,兩國的標準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)兩國標準在確定既有建筑所承受地震作用的理念上是基本一致的,即既有建筑在后續服役期遭遇同等強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。在抗震鑒定標準中,將既有建筑按后續使用年限分為A(后續使用年限30年)、B(后續使用年限40年)、C(后續使用年限50年)三類?；谠诤罄m使用年限內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類建筑承擔的地震作用進行折減,從平均意義上,該折減系數對于A類約為0.8,B類約為0.9[14]。

美國標準對地震作用直接采用超越概率的方式進行表示,而未采用地震作用折減系數,該超越概率對應的加速度值通過地震風險區劃圖確定。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]進行換算可知,50年20%中震超越概率的地震作用大致相當于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于30年2%大震超越概率的地震作用,即大致相當于后續使用年限30年。但這一地震作用取值對于涉及較大結構改造、建筑風險類別提升、大幅延長使用年限等情況是不適用的,此時應提高評估要求,我國相關規范標準中也有類似的要求。

(6)

式中:PR為預計超越概率對應的重現周期平均值;t為后續使用年限;PEY為地震動參數在t年內的超越概率(小數表示)。

(2)兩國標準均采用分級的方式進行抗震性能評估?？拐痂b定標準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造鑒定為主,主要是對結構體系、規則性、整體性、連接構造、配筋構造、非結構構件等方面進行鑒定。第二級鑒定以抗震驗算為主結合構造影響進行綜合評價。對于A類建筑,當第一級鑒定符合要求時,可不再進行第二級鑒定。A類建筑的第二級鑒定允許采用綜合抗震能力指數法進行簡化計算。對于B類、C類建筑,均需進行兩級鑒定并綜合評價。

美國標準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構體系布置、規則性、構造措施的評估,這一點與我國標準的第一級鑒定是類似的,但美國標準的第一級評估中會涉及到簡化的宏觀結構驗算,包括層間位移角、柱剪應力、傾覆力矩引起的軸壓力等。第一級評估通過可不再進行后面的第二級評估。美國標準中很有特色的一點是,引入了基準建筑的概念,只要能夠證明被評估建筑原設計采用的規范不低于基準建筑的相應要求(如IBC 2000[16]),建造資料完整且不懷疑其可靠性,現場調查表明建筑未經過結構改動或使用功能變化,結構狀況良好,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查,即按某一版本規范設計建造的建筑在實際地震中已經經受了考驗,能夠證明這一版本的規范是可靠的,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。美國標準中的第二級評估不是全面的評估,僅針對第一級評估發現的缺陷進行更進一步的評估以確認此缺陷是否構成對結構抗震性能的實質影響。第二級評估是基于承載力的評估,從這一點上來說,與我國抗震鑒定標準的第二級鑒定是類似的,但在具體做法上存在較大差異。第三級系統性評估最復雜、要求最高,得到的結果也最可信,往往需要進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一步評估時,才進行第三級評估。

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

美國標準直接進行中震或大震下的結構分析,不做小震驗算。在第一級和第二級評估中,由于采用的結構分析方法為線性分析,但又允許中大震作用下延性結構進入屈服后階段,因此采用等效的“偽”地震剪力來進行承載力驗算,將延性結構的彈塑性分析轉化為彈性分析,并通過修正系數來考慮延性結構的地震作用折減。由于構件的變形能力已體現在修正系數中,因此不再單獨進行變形驗算。而在第三級評估中,對于具有一定延性的結構直接進行基于位移的抗震性能評估,不再進行構件承載力驗算,對于非延性結構仍然采用基于承載力的評估方法。美國標準中充分考慮了不同結構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,而不是分別對其進行評估,因而評估結果更能反映結構的真實抗震能力。

6 結語

美國的抗震性能評估標準從20世紀80年代以來經過不斷的迭代更新逐漸發展成為一部理念較為先進的、以性能化思想作為基礎的抗震性能評估標準,主要技術特點包括建筑抗震性能目標的靈活設置、對于基準建筑可以采用非常簡化的評估程序、直接進行中大震作用下的抗震性能評估、對于延性結構和非延性結構采用不同的評估方法、對于延性結構通過等效方式進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。盡管我國的抗震設計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準借鑒。隨著我國城市更新進程的不斷加快,既有建筑抗震性能評估和加固的需求強烈且日趨多樣化和復雜化,部分情況下只需要進行簡化的篩查評估,而涉及到復雜的結構改造或使用功能改變等等則需要更加精細的系統性評估方法,以采取更加精準、綠色、高效的抗震加固措施,因此有必要發展出符合我國實際國情的、更加精細化和性能化的抗震性能評估方法和分析程序。