考虑设备影响的建筑结构设计方法探讨

时间：2024-05-17

陈大为

（长安大学工程设计研究院，陕西西安 710032）

1 概述

目前国内外的抗震设计理论大多都是基于力的抗震设计理论。近年来的历次较大震害也表明简单的基于力的设计方法将造成巨大的经济损失和人员伤亡。值得注意的是，地震造成的次生灾害。如非结构构件坠落、设备翻倒、天然气管道破裂等，引起的经济损失和社会影响已经不容忽视。

基于此，设计者可根据结构特点、设防烈度、场地条件及结构物的重要性采用不同的性能目标及抗震构造措施。

2 性能水准与性能目标的确定

2.1 性能水准

采用基于结构内容物的性能设计方法，首先要确定结构的性能水准和性能指标。性能水准表示建筑物在某一特定地震设计水准下预期破坏的最大程度；每一不同的性能水准对应不同的性能指标。一般来讲，建筑物的性能是结构构件的性能、非结构构件的性能和结构体系的性能以及建筑内容物的性能的组合。如图1所示。

结构构件的性能和结构体系的性能是相关的，但也出现的一种特殊情况是部分构件破坏却并没有对结构体系破坏有过大影响。这主要是因为该构件对结构体系性能的贡献太有限。另一种情况是哪怕很少的构件破坏就引起了结构的破坏，这些构件往往是结构的主要构件，是构成结构体系的关键环节。

非结构构件破坏一方面容易引起次生灾害，另一方面也造成修复的困难。

对常规建筑结构的内部设备而言，地震波经过结构自身的过滤而不会对设备造成太大的影响。影响较大的往往是位移敏感型设备，而结构自身也是对位移比较敏感的。所以，对位移的要求可以分为结构自身的要求和结构内容物的要求。当结构内容物的重要性大于结构时，应以结构内容物的要求为准。

现在设计通常考虑结构位移敏感型内容物的重要性，将建筑物从出现裂缝至结构倒塌划分成以下几个性能水准（图2）。

裂缝出现：是指结构中钢筋混凝土构件开始出现裂缝，结构中钢构件也会出现少量的损伤。但是这些损伤是微小的，是不需要修复或者少量的修复工作就可以维持正常运行。

结构可修复，设备正常工作：随着地震作用的增加，结构及设备的损伤加剧，但是正常生产可以得以维持。损伤是可以修复的，修复工作有所增加，但仍在可以接受的范围内。

结构可修复，设备不能正常工作：在这一阶段，与结构相连的设备开始出现较大程度的破坏。继续正常工作是设备所不能接受的，而且会带来较大的安全隐患。但由于结构的延性及安全储备，结构是可以修复的，其修复费用小于设备损坏费用。

结构不可修，设备不能工作：此时，设备已停止运行，与结构相连的管道大多破坏，但更为严重的是结构因变形过大而难以修复，或者说修复费用过高。即使修复后也不能保证结构和设备的安全运行，修复是不可接受的。

结构倒塌：地震作用进一步增加，结构接近倒塌。结构极有可能不能被再次使用。高空坠物等次生灾害也可能难以避免。

2.2 抗震设防水准

地震设防水准是指未来可能作用于建筑场地的地震作用大小。通常用某一基准期内可能发生的超越概率来表示。

图2 结构性能水准的划分

我国抗震规范的设防水准是根据我国华北、西北和西南地区地震发生概率的统计分析，50年内超越概率约为63%的地震烈度为众值烈度，比基本烈度约低一度半，规范取为第一水准烈度；50年超越概率约10%的烈度即1990年中国地震烈度区划图规定的地震基本烈度或新修订的中国地震动参数区划图规定的峰值加速度所对应的烈度，规范取为第二水准烈度；50年超越概率为2%～3%的烈度可作为罕遇地震的概率水准，规范取为第三水准烈度，当基本烈度6度是为7度强，7度时为8度强，8度时为9度弱，9度时为9度强。

确定合理的地震设防水准，应考虑投资和未来基准期内预期的经济损失、人员伤亡水平和社会影响等因素。对重要结构，结构破坏后造成的经济损失不仅仅是结构自身，连带损失也很巨大时，应考虑更为全面的、严格的地震设防水准。在此，除考虑“小震、中震、大震”外，再考虑一种“极大震”的情况。“极大震”在此定义为比本地区设防烈度高一度地区对应的大震设防水平。

图1 建筑物性能的构成

表2 性能目标

图3 设计方法及步骤

联系前述定义的性能水准，可建立性能水准与设防水准之间的相关关系（表2）。

表中C表示基本要求，B表示提高一级的要求，A表示比B更高一级的要求，D为不可接受的。C*表示设防烈度低于8度时的基本要求，也就是说当设防烈度低于8度时，对结构较高的要求可以实现，而当设防烈度较高时，对结构有较高的要求实现起来极其困难。

3、设计步骤及方法

根据基于性能的设计的基本原理，结构基于设备内容物性能的抗震设计可按如下方法及步骤实施（图3）。

结语

根据性能设计的基本原理，讨论了结构采用基于结构内容物性能设计的必要性及特点。建立了基于结构内容物的结构性能设计方法，得出如下一些主要结论：

（1）对重要结构而言，因为结构内部设备的重要性，采用性能设计是十分必要的，尤其是采用基于结构内容物的性能设计。

（2）常规的设计中，在地震作用下尽管结构可以保证安全，但设备的安全不能得以保证，那么结构的存在也将毫无意义。

（3）建立了结构性能水准划分方法，可供类似重要建筑参考使用。