资料翻译：可恢复功能抗震设计的处方式设计方法和非处方式设计方法白 皮 书

这份简短的白 皮 书是写给对新建建筑的可恢复功能设计有兴趣的读者的。在本文中，“可恢复功能设计”指的是以建筑在地震中只受到有限的损坏，因此修复需要的时间和费用都很少为目标的设计方法。该种方法与传统的、以建筑规范为基础的设计方法不同，后者主要关注建筑的安全性（而不是控制修复所需费用和时间），因此导致大震后，建筑基本上会无法修复而废弃。

这篇文章同样面向对定量的而非经验性/判断性的可恢复功能设计方法感兴趣的读者。本文主要依据了结构工程师的语言习惯写成，但是其内容对其他读者，例如建筑规范组织，管辖可恢复功能设计的市政官员等，也是有所帮助的。

本文概述了如何实现建筑在地震后可恢复功能，如何使用非处方式设计方法进行可恢复功能设计，以及如何调整处方式设计方法以进行可恢复功能设计。

可恢复功能设计有多个等级，具体的设计要求取决于所希望达到的可恢复性等级。但是，实现建筑在震后可恢复功能的基本需求如下：

(1) 首先保证不出现结构破坏（例如，建筑不被标记为危险，其功能也不受影响）；

(2) 残余位移足够小，因而不被视为危险（红色标记）也不需要修复；

(3) 最大位移足够小，因而不会引起可能使建筑出现功能性破坏的位移敏感型非结构组分破坏；

(4) 最大楼层加速度足够小，因而不会引起使建筑出现功能性破坏的加速度敏感型非结构构件破坏，或者保证在该楼层加速度下，经过专门设计的锚具与设备仍能正常工作；

现行的基于可恢复性的设计方法（例如，REDi 2013和USRC 2015）还设定了修复费用和修复时间方面的具体指标，因此可以根据所希望达到的可恢复性等级来进行建筑设计。在USRC（2015）给出的案例中，对建筑可恢复性的详细要求如下：

表1  可恢复功能建筑性能目标样例

在建筑规范中，有多种使建筑“更好”的方法，例如使建筑更加坚固，刚度更大，以及/或者遵循更高风险类别下的要求进行设计。然而，这些建筑规范主要关注如何保证建筑安全，并且这些要求是基于判断和经验得出的，目前并未证实这些规范可以使建筑具有理想的可恢复性（这一点可以由1994年北岭地震中，Oliveview医院建筑的表现证实；http://articles.latimes.com/1994-01-19/local/me-13343_1_parking-lot）

我们希望有定量的可恢复功能设计方法，但据作者所知，目前尚无定量的处方式的设计要求，来定量的实现可恢复功能建筑设计。

在缺乏可恢复性的处方式设计要求的情况下，可以进行可恢复性分析，来检验建筑满足地震后破坏程度和恢复时间方面的目标。最常用可恢复性分析方法，是FEMA P-58分析方法（FEMA 2012），该方法可以定量的估计建筑所需的修复费用和修复时间，并且分析结果可以被应用于建筑的设计，让建筑满足给定的修复费用和修复时间要求。FEMA P-58方法是完整的、囊括了可恢复性的全部重要部分——地面运动破坏，结构响应（考虑不确定性），评估建筑各构件的破坏（考虑不确定性），判别哪个构件的破坏会影响建筑功能，评估建筑各部分修复费用与修复时间并得到整体建筑修复耗时（考虑不确定性），以及考虑残余位移的影响。该可恢复性评估也可以作为随机的同行审查的一部分，以保证对建筑质量的控制（例如USRC提供的样例）。

FEMA P-58评估方法可以被直接用于可恢复功能设计，但是也可以如下一节中所述，用于研究如何调整处方式设计方法，以实现可恢复功能设计。在表2和图1给出的结果中，概述了一套可供采纳的、基于FEMA P-58分析的可恢复功能设计的过程。该样例中的结构，是和下一节中基本结构相同的12层钢筋混凝土框架结构（Ie=1.0，位移限值为2%）。该样例逐步的展现了可恢复功能设计的过程，包括下面所述的步骤。这只是一个用作说明的例子，很多方法可以达到同样的可恢复性目标（例如，降低位移限值也是很好的方法）。这个样例展示了如何使建筑具有大致白金等级的可恢复性。

(1) 采用可自复位的预制混合框架结构系统，以解决残余位移引起的问题；

(2) 进行合理的围护结构细部设计，以保证其不被破坏；

(3) 设计梁—柱节点，以保证不发生破坏（更低的剪力，等等）；

(4) 针对横向框架进行了进一步的细部设计，以保证不发生需要修复的破坏；

(5) 设计合理的电梯系统，以保证不发生破坏；

表2  使用FEMA P-58方法的可恢复功能设计过程样例

图1  采用FEMA P-58方法的可恢复功能设计过程样例的结果

为了满足使用处方式设计方法进行可恢复功能设计的需要，基于定量的对可恢复性的估计，FEMA P-58方法可以用于制定处方式的设计要求。为了解释这一概念，本节包含了一项旨在制定可能的处方式设计要求的初步研究；需要持续的拓展该项研究的广度，才能得到采用处方式设计方法进行可恢复功能设计时最终版的建议。在研究完成之前，我们建议在进行可恢复功能设计时，直接应用FEMA P-58方法。

在下述案例研究中，采用一个基于现行建筑规范要求设计的，基本结构为12层钢筋混凝土框架的，位于洛杉矶的办公用建筑。我们随后改变了该建筑的设计，以研究变更设计要求产生的影响。

本研究的第一步，表3-提高设计强度的影响（Ie>1.0）和图2展示了提高建筑的设计强度（Ie>1.0）对中震和大震下建筑的可恢复性的影响。在研究中，分别依据不同设计目标，对该建筑进行了完全重新设计，建立了建筑的非线性分析模型并采用了时程分析法来计算结构响应。下表展示了上述调整对平均破坏程度和恢复时间（恢复时间依据REDi 2013进行计算，并且不考虑妨碍因素）。结果表明，对本样例中的中等规模的钢筋混凝土框架建筑，提高其强度对其在中震中的表现几乎无影响，而对其在大震中的表现有一定的有利影响。

表3  提高设计强度（Ie>1.0）的影响

图2  提高设计强度（Ie>1.0）的影响

下一项研究关注设计位移限值要求的影响，其结果在表4和图3中给出。注意到，基本建筑在本节中有轻微的不同，因为采用了简化的结构响应计算方法（FEMA 2012），以及调整了建筑的刚度以满足不同的设计位移目标。研究表明，设计位移限值的变化对修复费用有十分明显而有益的影响，并对修复时间有轻微的影响。我们还注意到，降低结构位移对本例中的这个建筑（办公楼）尤为重要，因为该建筑中主要的构件为位移敏感型，仅有少数构件是加速度敏感型。如果针对一个其中有很多加速度敏感型构件的医院建筑，结果可能会不同，因为提高刚度同样提高了楼层加速度。

表4  降低位移限值的影响

图3  降低位移限值的影响

下一项研究关注使建筑组分满足风险类别IV的要求的影响，以及它们如何影响整体结构的可恢复性；该研究的结果在表5和图4中给出。结果表明，使支撑满足更高风险类别的要求有一定的影响，但是主要的有益影响由降低位移限值引起。

表5  满足风险类别IV的要求的影响

图4  满足风险类别IV的要求的影响

FEMA P-58研究，如本节中给出的研究案例所示，可以被用于调整处方式设计要求，实现可恢复功能设计。在该研究全部完成之后，最终的处方式设计要求可能如表6给出的简单的样例表格那样（重要提示：表6中给出的不是建议的设计要求；该研究仍然有待于完成）。这些要求的组成部分是：

(1) 降低位移限值来保护位移敏感型组分；

(2) 设定R的限值，来为结构提供额外的强度并限制结构的破坏；

(3) 设定Rp的限值，来提高加速度敏感型非结构构件的锚固强度。该项要求可被强化对楼层加速度的限值取代。

(4) 依据高风险类别的要求进行非结构组分的细部设计，来一定程度上保护设备正常工作。注意到，该要求和其他的要求是部分一致的，并且该要求可以被提高对楼层加速度的要求取代。

表6  可恢复功能设计的处方式设计要求样例

[1] Cheevers 1994, Earthquake: The Long Road Back: Hospitals Strained to the Limit by Injured: Medical care: Doctors treat quake victims in parking lots. Details of some disaster-related deaths are released. Los Angeles Times, http://articles.latimes.com/1994-01-19/local/me-13343_1_parking-lot.

[2] FEMA 2012, FEMA P-58-1: Seismic Performance Assessment of Buildings, Applied Technology Council, Redwood City, CA.

[3] REDi 2013. Resilience-based Earthquake Design Initiative for the Next Generation of Buildings, Ibrahim Almufti and Michael Willford, Arup.

[4] Seismic Performance Prediction Program (SP3) (2017). © Haselton Baker Risk Group, www.hbrisk.com.

[5] USRC 2015. USRC Building Rating System for Earthquake Hazards, United States Resiliency Council.