低损伤建筑结构在新西兰的研究和应用

许守磊，张文松，鲁懿虬

（深圳市筑裕新科技发展有限公司，广东深圳 518000）

1 工程概况

新西兰地处环太平洋地震带，是个地震频发的国家。一直以来，结构抗震在该地区是个非常重要的课题，其宝贵的地震震害资料和先进的抗震设计理念对全世界抗震领域做出了重要的贡献。2010年和2011年的基督城大地震和2017年凯库拉地震对当地结构抗震设计产生深远的影响，设计理念迅速从传统的“大震不倒”转到了要求更高的“大震小修”，在该理念下设计的低损伤结构因其抗震性能的优越性，在新西兰渐渐被业主和专业人员熟悉和接受。混凝土结构在新西兰房屋中占有很大比例，在新的抗震理念下，低损伤混凝土结构也逐渐在实际工程中被推广和应用。本文总结了传统混凝土结构的抗震性能，探讨低损伤混凝土结构的种类和其优越性，并对其在新西兰的应用举例分析。

2 传统混凝土结构的抗震问题

目前全世界常用的抗震设计法称之为能力设计法，也就是工程师熟知的延性设计法。该方法是新西兰学者坎特伯雷大学地震工程专家帕克和鲍雷在20世纪70年代提出的，其核心思想是让结构在地震中的破坏发生在特定的部位从而使整个结构出现延性破坏并防止其倒塌，也就是保证“大震不倒”，从而保证生命安全。中国抗震设计中的“强柱弱梁”“强剪弱弯”和“强节点弱构件”就是能力设计法很好的体现。

自该方法被提出后，新西兰从1980年之后建造的混凝土房屋基本都按照此设计方法进行设计。2010/2011的基督城大地震震中离市中心只有5km，对多数房屋是一次2500年一遇的大地震，是对能力设计法“大震不倒”的检验。在地震中，按此方法设计的混凝土房屋95%以上均没有出现倒塌，可以说基本满足了“大震不倒”设防要求。然而，传统的延性设计通过让结构出现塑性铰耗散地震能量，表现为钢筋屈服、混凝土开裂或压溃，这种梁铰机制虽保证结构不倒塌，但塑性铰一般在梁端部、柱和墙的底部等结构主体部位且破坏严重，难以修复，很多时候修复带来的费用反而超过拆除和重建。基督城地震后60%以上的钢筋混凝土房屋被拆除，其余房屋也有不同程度的损伤需要修复，大面积的拆除、修复和重建给新西兰造成超过当年30%GDP的经济损失。另外，房屋修复，拆除、重建浪费大量时间，使正常的生产和商业活动无法在短时间内恢复正常，城市长时间陷入瘫痪，城市可恢复性很差。因此，按延性设计的传统钢筋混凝土结构虽能在地震中屹立不倒，但破坏严重，经济损失巨大。

3 低损伤混凝土结构

目前结构抗震的主要矛盾集中在业主对房屋日益提高的抗震性能需求和工程师难以实现可恢复功能结构之间的矛盾。低损伤结构是解决该矛盾的主要途径之一，是目前全世界前沿的研究课题，中国工程院将其列为建筑土木类行业排名前十的前沿课题。其主要思想是通过结构设计，使地震破坏集中在结构的特定的部位，而这些特定部位并不出现在结构主体部位，而是通过耗能性能良好的耗能构件来耗散地震能量，从而保护主体结构，而这些耗能部件可快速修复或并不需要修复，从而达到“大震小修”或“大震不修”的设计目标。低损伤结构一般有新的受力机制，使其出现工程师预想的结构性能。

3.1 自中心体系

框架和剪力墙是混凝土房屋中常见的抗侧体系，如上文提到，传统的框架或剪力墙结构在地震作用下破坏主要出现在梁两端、柱或墙底，且破坏严重难以修复。自中心摇摆框架和自中心摇摆剪力墙很好地解决了该问题，其思想与传统的强节点弱构件正好相反，放松了节点，将柱子和梁界面脱开，或将墙与基础的界面脱开，将预制柱与梁、墙与基础用后张预应力拉紧，在地震作用下梁柱界面或墙与基础界面张合，形成摇摆机制，地震位移集中于界面张合从而保护结构本身。另外，当结构摇摆时，预应力筋可提供回复力使结构具有良好的自复位性能，如图1所示。一般情况下，工程师会在梁柱截面和墙基础界面安装耗能原件提高结构的阻尼比，减小结构位移。

图1 自中心剪力墙

该体系已经成功应用于新西兰多个实际工程项目。例如，2008年建成的Allan MacDiarmid大楼位于新西兰抗震等级最高的惠灵顿，是新西兰第一栋利用自中心体系的大楼，该楼同时使用了自中心框架和剪力墙，并在梁柱节点、柱底和连梁处安装了金属耗能器，该楼在2016年的凯库拉7.8级地震时损伤极小，无须修复。位于基督城的南十字医院Southern Cross也是利用自中心体系非常好的例子，该楼建于2010年，刚好在2011年基督城大地震之前，在基督城2500年一遇的地震中只有柱子和墙面发生轻微的混凝土剥落，耗能器稍有变形，其余破坏轻微，医院内部完好无损，震后评估一周后便继续投入使用，实现了“大震小修”的目标。因为该体系的优越抗震性能，目前该体系在基督城震后重建中越来越流行，例如，2019年刚重建完成的基督城城市图书馆利用了自中心混凝土筒和钢框架结合的混合结构，分别做为抗侧体系和重力体系，其筒体由四片自中心剪力墙组成，每片剪力墙之间均设置U型阻尼器用来提高耗能性能。

3.2 开槽梁

新西兰混凝土结构大都为预制装配式，其楼板一般采用双T板，预应力空心楼板或压型钢板组合楼板。在2011年基督城地震和2017年凯库拉地震中，混凝土结构的楼板破坏严重，其主要原因是混凝土梁在形成塑性铰时，混凝土开裂钢筋屈服或拉断，造成梁不可逆转的伸长，导致混凝土楼板的搁置长度大大减小，从而形成很大的楼板裂缝甚至导致楼板掉落。该问题可通过开槽梁解决，开槽梁将柱边梁端下部挖一个三角形或矩形槽，只有梁上部1/4梁高的混凝土与柱边相连，形成梁铰，在梁铰处设置斜向抗剪钢筋抵抗梁端部剪力。节点如图2所示，该节点在地震作用下可以转动，从而消除梁端部形成塑性铰带来的破坏，计算时可简化成铰接，只传递剪力不传递弯矩。开槽梁因没有混凝土开裂钢筋屈服的问题，梁两端本身破坏大大减弱，也大大减小了地震中梁的伸长，保证了楼板搁置长度，保护了楼板，使结构仍为一整体。另外，开槽梁因不传递弯矩可减小柱端弯矩，从而缩短柱子的截面尺寸。当然，如果要使框架梁柱端传递弯矩，在开槽梁底部可设置阻尼器，即可传递弯矩，也可增大阻尼比，使结构整体位移变小。值得注意的是，当连续框架梁在梁柱节点处的梁端设为铰接，梁跨中弯矩相对于梁两端刚接时会增加，对于跨度较大的框架梁，梁截面需增大，配筋也会相应提高，使成本增加并可能导致使用功能受限。然而，建筑材料成本在整个建筑项目的成本中只占20%左右，增加的截面和钢筋对项目成本增加并不明显。另外，梁也可通过自中心预应力技术来增加梁抗弯刚度和强度减小截面。新西兰基督城多栋重建楼用到了开槽梁，在开槽梁底部装置阻尼器，但为了节省空间，阻尼器一般设置在梁底面上方。

图2 开槽梁

低损伤混凝土结构的推广应用应优先考虑特殊设防类和重点设防类建筑，比如地震时应急的医疗、消防设施和消防应急指挥中心等，这类建筑要求震后使用功能不能中断或者需要尽快恢复正常使用。虽然建造成本有所增加，但保证此类建筑物的“大震小修”可确保震后救灾工作的顺利展开。

4 结语

传统的抗震设计理念主要集中在“大震不倒”的设防目标，该理念虽能保护房屋的安全性，但却无法满足业主对房屋日益增大的性能要求。传统混凝土在地震中可满足“大震不倒”的设防目标，但破坏严重，大量被拆除，造成巨大经济损失。低损伤混凝土结构利用新的受力原理，可将建筑物从“大震不倒”设计成“大震小修”，大大减小了震后修复重建时间，减小经济损失。新西兰在低损伤结构领域走在世界前列，有大量的低损伤结构技术已应用到实际工程项目。