谢沐玄 潘晴炜 李 轩 卢文胜，*

（1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092；2.同济大学建筑设计研究院，上海200092）

0 引 言

历史建筑在长期使用过程中，受自然、人为等因素的影响，会产生材料和结构上的不同程度的损伤，即建筑的时随劣化［1］。这种损伤的积累会造成材料、构件乃至结构整体的性能降低，降低结构的承载力、耐久性，从而严重影响建筑结构的正常使用功能。此外，由于新规范的抗震设防标准及要求提升，许多历史建筑难以满足现行规范抗震要求，故需对其抗震性能进行适度提升。

在历次的地震中，历史建筑损伤及震害均较为严重，尤其是具有人文艺术价值的文物部件的损伤［2-3］，往往造成无法弥补的损失。

2008 年汶川地震中，都江堰标志性古建筑“二王庙”损毁严重，多处墙壁倒塌（图1）；2015年尼泊尔地震中，加德满都杜巴广场玛珠庙等多处世界文化遗产建筑倒塌（图2），造成历史建筑文化艺术价值的丧失。

图1 都江堰二王庙在汶川地震中震毁Fig.1 The Erwang Temple in Dujiangyan was destroyed under the Wenchuan Earthquake

图2 尼泊尔地震中历史建筑倒塌Fig.2 Historic buildings collapsed under the Nepal Earthquake

一般而言，传统加固手段对历史建筑及文物很难起到较好的保护效果，而采取隔震保护措施则是提升其建筑功能和安全性的重要解决方案［4］。通过明确历史建筑保护目标，采取合理的技术措施，既可确保在改造加固时建筑的内部及外部不产生不可控破坏，又可提升加固后建筑的安全性。

长期以来，一些建筑结构虽然在地震中可以有效防止倒塌，但由于建筑正常使用功能和文化价值的丧失所造成的损失依然巨大。因此，国内外较早开展了建筑结构的性能化抗震设计与研究工作，取得了较大进展［5］，即通过更灵活多样的性能设计目标及更先进的结构设计分析方法，将建筑结构由于地震作用产生的损伤及损失控制在预期目标的范围内，在保证结构与生命安全的前提下，尽可能地减小经济损失。

基于多年研究工作，国内在相关规范规程中，对建筑结构性能水准具有较为明确的划分［6-7］，国外也在实际工程运用中，体现了关于建筑结构抗震的性能化设计的步骤及标准［8-10］。

1 历史建筑性能化隔震两阶段设计方法

考虑到历史建筑及其隔震结构性能的设计分析尚无工程经验或相关标准规范，特提出针对历史建筑结构的性能化隔震两阶段设计方法，如图3所示，即：

第一阶段，对历史建筑结构的性能状态进行鉴定评估，明确其保护需求。

第二阶段，根据历史建筑的抗震性能评估设定隔震加固目标，进行性能化隔震设计。

本文主要讨论第二阶段的性能化隔震设计方法。

2 历史建筑隔震性能化水准及指标分析

根据历史建筑保护需求，探讨历史建筑性能水准，确定合理的隔震性能量化指标，并明确历史建筑隔震性能目标。

2.1 历史建筑隔震性能水准

借鉴国内相关性能水准划分，并结合国外相关工程经验，将历史建筑隔震结构性能划分为三类：第一类，主要根据结构宏观损坏程度、不同类别结构构件损坏程度和结构震后继续使用的可能性等进行水准划分，参见表1；第二类，主要考虑历史建筑中具有保护价值的历史文物，明确与主体结构连接较为紧密的关键非结构构件需求，并要求非结构构件的性能水平与主体结构性能水平协调统一，参见表2；第三类，考虑隔震层构件同样需要保持功能需求，如穿越隔震层的管线和设备的变形适应能力等，其性能水准划分参见表3。

图3 历史建筑结构性能化隔震设计方法Fig.3 The method of structural performance-based design for based-isolated historic buildings

表1 历史建筑主体结构隔震性能水准（第一类）Table 1 The performance level of historic buildings with isolation based on main structure（Category Ⅰ）

表2 历史建筑关键非结构构件性能水准（第二类）Table 2 The performance level of historic buildings based on key non-structural components（Category Ⅱ）

2.2 历史建筑隔震性能量化指标

已有研究、震害经验和工程实例分析等结果表明，采用层间位移角来衡量结构变形能力，从而判别是否满足建筑功能要求是合理的，层间位移角也是国内外结构性能化设计中最为常用的量化指标。

对于历史建筑第一类性能水准，针对较为常见的木构古建和框架结构历史建筑，参考技术规程［11-12］，并结合相关工程经验［13］，拟定不同性能水准下的层间位移角限值，如表4所示。

表3 历史建筑隔震层构件性能水准（第三类）Table 3 The performance level of historic buildings based on components in isolation layer（Category Ⅲ）

对于历史建筑第二类性能水准，考虑一般具有保护价值的文物，像佛像、壁画等，大都附着于填充墙上，故以填充墙作为关键非结构构件，其性能量化指标如表5所示。

表4 历史建筑第一类性能量化指标Table 4 The quantitative index of performance for Category Ⅰof historic buildings

表5 历史建筑第二类性能量化指标Table 5 The quantitative index of performance for Category Ⅱof historic buildings

对于历史建筑第三类性能水准，隔震支座（以橡胶隔震支座为例）以支座剪切变形作为评价指标［14-15］；而隔震层中的设备、管线等构件，在隔震层发生较大水平位移时将出现损坏情况，则以层间位移角作为评价指标，具体指标如表6 所示。在最后确定隔震层的性能量化指标时，取两者的较小值。

表6 历史建筑第三类性能量化指标Table 6 The quantitative index of performance for Category Ⅲof historic buildings

2.3 历史建筑隔震性能目标

历史建筑隔震性能目标由抗震设防水准与结构性能水准组合，应综合考虑结构的特殊性、历史文化价值、修复难易程度等多重因素。结合提出的三类性能水准，将历史建筑隔震设计的性能目标划分为四个等级，A 表示最为严格的性能目标，D表示最基本的性能目标。

在具体工程案例分析时，为保证性能化隔震设计的合理性，需要结合历史建筑结构以及使用功能现状，明确其保护需求，从而确定如何组合三类性能水准，即从第一类和第二类水准中选择其一或将二者组合，再与第三类水准结合进行设计。

表7 历史建筑隔震结构性能目标（1）Table 7 The performance targets of base-isolated historic buildings（1）

表8 历史建筑隔震结构性能目标（2）Table 8 The performance targets of based-isolated historic buildings（2）

根据性能水准的组合情况，提出相应的性能目标。表7 和表8 分别为某历史建筑典型性能水准组合情况下的性能目标，具体案例分析见后文。

3 案例分析

通过两个历史建筑隔震工程案例，进行性能化隔震设计，验证性能化隔震设计的合理性、有效性。

3.1 某框架结构历史建筑组合隔震设计

3.1.1 第一阶段：历史建筑性能评估

某市级优秀历史建筑，建成于1935 年。其外立面呈现现代主义风格，清水红砖墙，各立面横纵线条构图韵味浓厚，原檐口有多重线脚，室内大厅中庭设计，带有装饰派艺术技巧，是该历史建筑的主要保护范围。

图4 某市级优秀历史建筑外立面Fig.4 The facade of a municipal excellent historical building

该房屋结构为钢筋混凝土结构，上部结构共六层（屋面有出屋面楼梯间、电梯机房），柱距为6.00～6.25 m。柱截面尺寸由下至上逐渐减小，梁截面尺寸从2～6 层保持不变，但屋面梁截面尺寸较小。结构平面如图5所示。

图5 标准层平面图（单位：mm）Fig.5 Typical floor plan（Unit：mm）

经第一阶段结构性能评估，原框架结构按静力设计，两个方向框架梁截面相差较大，抗侧性能存在差别，房屋结构混凝土碳化严重，强度普遍较低，仅为C13；局部构件钢筋锈蚀、锈胀严重，导致混凝土表面开裂；部分非结构构件有裂缝。为保护房屋外立面历史风貌，保证房屋的后期安全使用，需要对其采取隔震加固措施［16］。

3.1.2 第二阶段：性能化隔震设计

（1）性能目标设定。根据历史建筑保护要求，房屋外立面建筑风格不得改变，内部非结构构件无保护需求，同时按照建筑功能要求，并考虑到房屋结构混凝土强度较低，不适宜采用增加梁柱构件截面或设置柱间支撑的形式进行加固。

综合房屋安全和经济性［17］，并考虑上部结构和隔震层性能，结合历史建筑第一类及第三类性能水准进行隔震设计。

根据历史建筑隔震性能目标等级划分（表7），虽然该历史建筑结构构件强度偏低，但结构完整性较好，故拟定该隔震结构的性能目标为B级，具体位移限值如表9所示。

表9 隔震结构性能目标Table 9 Performance targets of the isolation structure

（2）场地及地震波选取。建筑位于Ⅳ类场地、按七度设防要求以及结构自身的特点，选取多条天然地震波和一条人工模拟地震波，进行非线性动力时程分析（直接积分法）。分别进行多遇、基本、罕遇地震下的时程验算。

（3）隔震设计。建立SAP2000 结构模型，如图6 所示。采用铅芯橡胶支座与弹性滑板支座组合隔震的方式，布置如图7 所示，相对应的支座参数可参见表10。

图6 SAP2000有限元模型Fig.6 Finite element model in SAP2000

（4）隔震结构性能分析。

①结构周期。从表11可以看出，随着地震作用水准的提升，隔震层对结构周期有逐渐显著的延长效果。

②上部结构层间位移角。从表12可以看出，罕遇地震下，上部结构层间位移角满足以1/250为限值的性能目标要求。

图7 隔震支座布置平面图（单位：mm）Fig.7 The layout of isolation bearings（Unit：mm）

表10 隔震层支座性能参数表Table 10 Table of performance parameters of isolation bearings

表11 隔震前后结构周期对比Table 11 Structural periods with/without isolation s

③隔震层位移罕遇地震工况下，隔震层最大水平位移为237.4 mm，满足表9 设定的性能目标（隔震层位移限值250 mm），保证了隔震层支座的性能需求。

3.2 某木构古建的摩擦滑移隔震设计

3.2.1 第一阶段：历史建筑性能评估

该大雄宝殿古建筑始建于约1918 年，为木结构重檐歇山式单层建筑，属江南明清殿阁建筑风格，其主体结构、隔墙及其内部佛像等均为该历史建筑的主要保护范围。

表12 罕遇地震下楼层层间位移角及减震系数Table 12 The story-drift and seismic decrease coefficient under rare earthquake

建筑平面呈矩形，东西向为长边，共五开间。外立面如图8所示。

图8 某木构大雄宝殿Fig.8 Timber Great Buddha’s Hall

主体结构采用中国传统的抬梁式木结构体系，主要竖向承重构件为木柱，柱底置于鼓磴之上；梁为水平承重构件，截面形式有矩形和圆形两种；梁柱间采用榫卯连接，榫头凸出处用铁销插入固定。其结构剖面图如图9所示。

图9 某木构大雄宝殿结构剖面图（单位：mm）Fig.9 The structural profile of Timber Great Buddha’s Hall（Unit：mm）

检测发现，无论是主体结构还是非结构构件等均出现了不同程度的损坏。大雄宝殿外立面存在墙面粉刷龟裂、屋脊局部开裂、走兽泥塑开裂、瓦片松动移位或缺损等破损现状；大殿室内则存在部分雕塑老化损坏，屋面板底木檩、木椽、木梁、斗拱开裂，部分榫卯连接出现脱榫等情况。

3.2.2 第二阶段：性能化隔震设计

（1）性能目标设定。考虑该木构古建中各类具有保护价值的非结构构件，如佛像、壁塑、壁画、室内外装修等，且中国传统木结构具有较好的抗震性能，所以确定保护主体结构及关键非结构构件为该历史建筑的抗震性能目标，即结合历史建筑第一类、第二类及第三类性能水准进行隔震设计。

根据已提出的性能目标等级划分（表8），考虑到该历史建筑为木结构，且构件存在较多的损坏情况，故拟定该隔震结构的性能目标为C级，具体位移限值如表13所示。

表13 隔震结构性能目标Table 13 Performance targets of the isolation structure

（2）场地及地震波选取。建筑位于Ⅳ类场地，抗震设防烈度为7 度，选取多条天然地震波和人工模拟地震波，分别进行多遇、基本和罕遇地震下的时程验算。

（3）隔震设计。建立SAP2000 软件结构模型，如图10 所示。该木结构古建筑建造年代久远，存在较多破损情况，因此在建模过程中根据木材使用年限对其材料强度进行折减。同时对于结构中较为关键的榫卯节点，在软件中采用线性弹簧单元模拟，该单元可将转动刚度作为输入参数，从而模拟任意刚度的节点，依据榫卯节点检测结果设定模型节点的转动刚度［18］。

采用以弹性滑板支座为主，辅以少量厚层橡胶隔震支座及黏滞阻尼器的摩擦滑移组合隔震方案。支座摩擦滑移使得隔震层等效刚度变化幅度较大，其等效频域范围较宽，适合于软土场地长周期结构隔震；增设少量厚层橡胶支座与黏滞阻尼器，可在保持减震效果的前提下，适度限制隔震层的不利位移及减小隔震系统的震后残余变形，从而满足罕遇地震下隔震层位移要求。摩擦滑移隔震体系不具备大震下的自复位功能，在大震后将存在残余变形，因此在隔震层的四周布置四个复位节点，在震后可通过安装千斤顶等方式对大雄宝殿进行复位。复位节点侧面设置预埋件，方便千斤顶等装置的安装或更换。隔震层支座布置可参见图11，复位节点构造如图12所示。

图10 SAP2000有限元模型Fig.10 Finite element model in SAP2000

图11 隔震支座布置平面图（单位：mm）Fig.11 The layout of isolation bearings（Unit：mm）

图12 复位节点（单位：mm）Fig.12 Resetting joint（Unit：mm）

（4）隔震结构性能分析。

①结构周期。隔震前后结构周期对比如表14 所示。可见在不同水准地震下，以摩擦滑移支座为主的组合隔震层对周期延长效果较佳，能够有效避开场地特征周期。

表14 隔震前后结构周期对比Table 14 Structural periods with/without isolation s

②上部结构层间位移角。隔震加固前，结构层间位移角在多遇地震下为1/410，基本地震下1/143，罕遇地震下1/60；隔震加固后，大雄宝殿在多遇地震、基本地震、罕遇地震下的层间位移角分别是1/586、1/295 和1/186，较隔震前显著降低，有效提升了大雄宝殿古建筑的结构及非结构构件的性能水准，满足所提出的预期性能目标。

图13 罕遇地震下隔震前后层间位移角时程对比Fig.13 Comparison of story-drift under time history before and after isolation in rare earthquakes

③隔震层位移。罕遇地震工况下，隔震层最大水平位移为238.4 mm，满足表13设定的性能目标（隔震层位移限值480 mm）。

由于本文对关键非结构构件所采用的评价指标尚不能涵盖种类繁多的非结构构件，此方面有待进一步研究完善。

4 结 论

以历史建筑为对象，针对城市更新修缮过程中所遇到的历史建筑老化损伤以及文化价值保护等需求，结合在历史建筑改造加固中可采取的隔震技术措施，提出了综合考虑上部结构、非结构构件以及隔震层的性能化隔震两阶段设计方法，并通过实际案例分析，得出以下结论：

（1）在历史建筑改造加固中，需对其性能现状进行有效评估，明确建筑抗震性能保护需求。

（2）针对不同历史建筑的特点，区分重点保护对象，将隔震性能水准分为三类，分别设定保护主体结构、关键非结构构件以及隔震层构件的性能量化指标。

（3）确定性能化隔震设计性能目标，保证上部结构安全性能，以及确保关键非结构构件、隔震层构件及设备管线等抗震性能。

（4）通过框架结构和木构古建两项工程案例的设计分析，验证了所提出的历史建筑性能化隔震设计方法的合理性及有效性。