建筑结构丨“大震不倒”的定义、要求及验算方法——《抗倒塌规范》修编思考

来源：陆新征课题组，已获转载授权

针对《建筑结构抗倒塌规范CECS392》的修编问题（参阅《建筑结构抗倒塌设计规范CECS392》修订批文及修订意见征集），我们近年来有一些思考，当然规范中需要修订的地方远不止这些内容，也欢迎大家进一步补充修编意见。

首先从研究得最多的，也是受关注最多的抗地震倒塌谈起。今天先谈谈“大震不倒”的定义、要求及验算方法。

从道理上说，“大震不倒”是所有抗震设计的基本要求。但是，我国目前的抗震设计，从操作上仍然是通过小震的弹性设计，再加上基于经验的构造要求，来保证大震不倒的目标。并且对绝大部分建筑是不做抗倒塌验算的。而美国从本世纪初开始，就通过ATC-62、ATC-63、ATC-72等多个研究计划，首先提出建筑抗地震倒塌能力的验算方法（即ATC-63计划的最终成果FEMA P-695指南），然后用FEMA P-695的方法来检验美国现有抗震设计方法中各参数（如承载力折减系数，位移放大系数等）的取值合理性，进而修订现行的抗震设计方法。而我国目前抗震设计还非常缺少这一系统性的工作，这导致一方面很多已有抗震设计方法其抗倒塌效果缺乏检验，另一方面很多新的结构体系由于缺少震害经验和工程经验，其设计方法也缺乏依据。

所以，我们对《建筑结构抗倒塌规范》的追求之一，是希望能建立起对应于美国ASCE-7、FEMA P-695和ASCE-41的规定内容，具体包括：

一、“大震不倒”的定义和要求（参考ASCE-7）

虽然我国规范规定了“大震不倒”的要求。但是考虑到地震和结构的复杂性，结构地震倒塌的风险是客观存在的，只是一个概率大小的问题。美国在2010年版本的ASCE-7规范中，率先提出了“面向一致倒塌率”的设计理念，要求对于常规结构，50年设计期内发生倒塌的概率不得大于1%。在2013、2016版的ASCE-7规范中，对上述要求做了进一步的完善，对不同重要性等级的结构，规定了从0.5%、1%、2.5%的50年可接受倒塌率（大致对应我国的乙类、丙类、丁类设防等级）。而我国目前缺乏相应的规定。

那有读者可能会问，为什么要研究这个大震可接受倒塌率呢？我们现行的抗震设计方法有什么问题呢？这里给大家看两张图：

一张图是我们将一个按照规范7度设防设计的框架设定在全国不同地区，考察其50年设计期内的倒塌风险。结果发现其倒塌风险有着巨大的差别。造成这个结果的原因是：我国地震区划图目前还是按照50年超越概率10%的地震风险来设定的。而由于地震的复杂性，不同地区其50年超越概率10%的地震风险可能是一样的，但是50年超越概率2%的地震可能就会有巨大的差别。这样一来，某些地区建筑物的地震倒塌风险就可能会更高，这肯定是不合理的。

另一张是我们对两个按照现行规范设计的结构的抗地震倒塌能力对比，从这张图中可以清晰看出，虽然这两个结构都是满足我国现行抗震设计规范的，但是不同结构的抗地震倒塌能力有着显著的差别。我们肯定不能无限制的提高建筑的抗震要求，但是到底提高到多少算是足够了？我们在设计规范里面提了很多的设计要求，按照这些要求做出来的结构，其抗地震倒塌性能到底能不能满足要求？特别是新的结构体系，在缺乏震害经验的情况下，到底结构该做到什么水平是安全且合理的？没有一个明确的“大震不倒”的定义和要求，这些问题都很难以回答。

所以，明确“大震不倒”的定义和要求，以”控制结构设计生命期的倒塌风险“作为抗震设防和抗震设计的核心目标，这是现阶段抗地震倒塌首先要解决的问题。上一版《倒塌规范》给了一个建议的取值，是否合理？

二、“大震不倒”的验算方法（参考FEMA P-695和ASCE-41）

上一段我们说到，有必要对“大震不倒”给出明确的定义和要求。但是如何验算一个结构是否可以满足“大震不倒”的规定？这个又有一大堆的问题需要解决。

首先第一个问题是结构建模的问题。既然要研究结构的大震性能，计算模型肯定是要考虑非线性行为的，但是到底非线性模型应该怎么建？不同构件的滞回受力规则该怎么定义？算出来对于不同变形程度的构件，其损伤水平该如何界定？美国从FEMA 356到ASCE-41，已经有了一个成套的方法，而我国目前还缺乏相应的规定，这样会导致非线性计算的结果存在很大的随意性。

第二个问题是地震动的选取。目前世界各国结构非线性分析的地震动选取，主要有两个不同的思路。一个是“靠谱法”，就是选取或者生成一个地震动，使其和规定的反应谱相符。这个方法的好处是便于和反应谱法等方法得到的结果对比。但是在具体执行上却存在问题：由于在整个反应谱频段上都“靠谱”比价困难，我国规范规定要在结构的主要自振周期上“靠谱”。这样一来，比如要进行结构方案比选，一个候选方案是混凝土剪力墙的，周期3秒，另一个方案是钢框架的，周期4秒，那么“靠谱法”选出来的地震动就会明显不一样，算出来的结果可比性也存在问题。除了“靠谱法”以外，另一个选取地震动的原则就是规定一个标准地震动集合，所有结构都用这个地震动集合去做分析，比如美国FEMA P-695就规定了一个22组远场+28组近场地震动的集合。所有结构都用这组地震动去做计算。这样的好处是便于互相比较，而且也有其合理性（一个场地上将来可能遭遇到的地震与结构应该是没有关系的）。但是缺点是和现行规范不完全匹配。

第三个问题是倒塌的判别准则。现行抗震规范，用大震下的层间位移角作为判别准则（例如框架结构不能超过1/50），但是这个不是“倒塌的准则”，而是判断“不倒塌的准则”。也就是层间位移角小于1/50，可以保证不倒塌。但是即便层间位移角大于1/50，可能也还离倒塌远得很。如何给出可操作的、普遍认可的倒塌判别准则，这个也还有很多问题有待解决。还有，我国混凝土框架，从一级到四级，不同抗震等级极限变形能力是不一样，但是罕遇地震验算都是用1/50的极限变形去验算，这也肯定是不合理的。

第四个问题是各种不确定的考虑。在做地震倒塌分析时，存在着地震动的不确定性，设计信息的不确定性（设计时柱子是500mm直径，实际上可能不是这样），建模的不确定性（到底什么样的模型是合理的？一个剪力墙，是用墙单元？壳单元？），模型参数的不确定性（比如钢筋的极限拉伸率，从9%到20%都可能）。从工程设计的角度，有必要对这些不确定性都有必要的考虑，才能得到相对安全的结果。FEMA P-695给出了一个比较简化的根据定性的不确定性调整可接受CMR（倒塌安全储备）的方法。对于我国的情况，是否还用类似的方法，是否还用类似的参数，这些问题也都需要回答。

这里顺便回答一下我们上一篇微信文章发出后一些朋友的问题，他们说：抗倒塌是结构设计的基本要求，每本结构设计规范里面都有相应的规定，为什么还要编一本单独的“抗倒塌规范”。我想本文的内容可以部分回答这些读者的问题。上面谈到的这些问题，如果不单独搞一本规范，在其他规范里面都不太好规定。

相关资料

《建筑结构抗倒塌设计规范CECS392》修订批文及修订意见征集

7/26-28·呼伦贝尔:中国高耸结构第24届学术交流会

8/8-10·哈尔滨:2018大跨空间结构技术交流会

8/21-22·上海:第四届恢先地震工程青年学者国际论坛

8/22-25·上海:第十届全国地震工程学术会议

8/20-29·德国:装配式建筑工业化生产与建造技术研习考察

9/16-21·日本:第四批日本地下综合管廊建设与运营管理考察团

9/16-21·日本:第三期日本装配式建造技术与内装工业化研习考察团

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