1 引言
地震后，結構的破壞\\(尤其是倒塌\\)及由破壞引起的人員傷亡往往備受關注，在預防結構強震失效方面更是投入了極大的人力物力，各國的抗震設計規范也將避免結構破壞及人員傷亡作為首要原則，并且已取得了顯著效果。與此同時，非結構系統地震安全的重要性卻被大家忽視。非結構系統為滿足人員的使用要求而設置，其地震破壞所產生的嚴重后果可分為 3 類：1. 人員傷亡，2. 財產損失，3. 運營中斷。
吊頂系統是非結構系統中十分典型也是震害極為嚴重的部分。通常情況下，附帶照明系統的吊頂板重量達幾公斤，地震中墜落在慌亂逃離的人員頭部，后果可想而知，而且不斷墜落的吊頂還會阻礙人員向室外逃離。
此外，現代建筑中非結構系統的投資比例往往超過結構本身，在典型的公共建筑中甚至超過 50%，遠高于結構造價，見圖 1。
而具有特殊使用功能的建筑，如機場航站樓，醫院等，非結構震害導致震后運營中斷所帶來的后果更為嚴重，將影響到震后應急指揮，延緩災后重建，帶來負面的社會影響。這些事實在國內外的歷次強震中均有顯現。
2 吊頂系統震害及其影響
非結構構件指建筑中除承重骨架體系以外的固定構件和部件，主要包括非承重墻體，附著于樓面和屋面的構件、裝飾構件和部件、固定于屋面的大型儲物架等。
非結構系統是指結構上連接緊密，且具有獨立使用功能的一系列非結構構件的集合。如集照明、通風、噴淋功能于一體的集成吊頂，也稱之為吊頂系統。這些非結構系統在地震中的震害已經造成了嚴重的影響。
2.1 蘆山 7.0 級地震吊頂系統震害
4.20 蘆山 7.0 級地震震害為例。在地震中，蘆山縣體育館結構出現破壞，這在空間結構中較為罕見，其吊頂系統同樣破壞嚴重，圖 2。圖 2\\(a\\)~\\(c\\)顯示結構吊頂大量脫落或下垂，由\\(d\\)中細節可以看出吊頂龍骨連接失效導致吊頂板下垂。而蘆山縣體育館剛好被用作災后臨時指揮中心與重建安置點，非結構系統的破壞對二者均有一定程度的影響。除大跨空間結構外，其他結構形式的吊頂系統震害也比較嚴重，其中不乏一些重點設防的建筑，如醫院、學校等，甚至是幼兒園，見圖 3。由上述震害資料分析，吊頂系統的抗震能力堪憂，許多全部失效，如人民醫院老門診樓，圖 3\\(a\\)；局部失效多從邊部開始，如華夏雙語學校、大興中學吊頂，圖 3\\(b\\)，\\(c\\)；懸掛的吊燈及與其相連的吊頂板破壞比較嚴重，如邛崍市高何九年制學校，圖 3\\(d\\)。圖 3\\(e\\)則顯示出吊頂破壞的細節，吊件失效，龍骨彎折，吊頂板墜落，這也是吊頂系統典型的破壞形式。
2.2 國外吊頂系統震害
與國內相比，國外在非結構抗震領域早已投入大量人力物力，震害資料的總結也相對全面具體。其中在以機場航站樓及體育館類建筑為代表的大跨空間結構建筑中，吊頂系統的震害頗為嚴重，常因此導致運營中斷；由于其特殊的使用功能，中斷運營所帶來的后果也不容忽視。2010 年智利 8.8 級地震中，非結構系統破壞給機場帶來巨大損失，數千萬美元用于清理和修復機場吊頂系統等非結構構件。其中圣地亞哥機場主航站樓金屬吊頂失效，大量金屬板及與其相連的照明系統、揚聲器等一同墜落。震后救災人員花費大量時間清理及修復，機場才得以恢復其使用功能，勉強維持正常運營，可見吊頂系統的嚴重破壞無疑給刻不容緩的救災工作雪上加霜，見圖 4。
2001 年華盛頓地震中西雅圖塔科馬國際機場失效的吊頂系統也導致機場主航站樓被迫關閉一天。1989 年，洛馬-普雷塔地震襲擊舊金山和蒙特利爾海灣時，震后大量的吊頂失效同樣致使舊金山機場運營中斷，被迫關閉。
此外，在智利地震中，瓦爾帕萊索市劇院吊頂系統也遭到破壞，吊頂板及部分木龍骨失效。圖 5。
其后 2011 年 3 月 11 日，日本發生 9.0 級地震，一些空間結構建筑的吊頂系統出現嚴重破壞，圖 6，而在另一次日本較為嚴重的地震中，一座體育館內的吊頂系統也幾乎全部墜落，圖 7。
在醫院、學校等重要建筑中吊頂系統的震害同樣很顯著。圖 8。
圖 8\\(a\\)中靠近墻邊的位置，下垂的吊燈及與其相連的吊頂板一同下落，吊頂板與龍骨連接失效。圖 8\\(b\\)中可以看出龍骨連接失效，很多龍骨一側節點斷裂后下垂，吊頂板與照明系統多數墜落。圖 8\\(c\\)中的情況與圖 8\\(b\\)相似，均是龍骨連接失效，吊頂板大量墜落。圖 8\\(d\\)中除吊頂板失效外，管道也出現斷裂?？梢娫谝恍┲攸c設防的建筑中，如醫院、學校、工廠等，即使結構只是輕度破壞，吊頂卻大量墜落，屬于完全破壞，除人員傷亡外，財產損失及運營中斷在所難免。
2.3 吊頂系統嚴重震害的負面影響及主要原因
以上主要列舉了強震后機場航站樓、體育館、醫院、學校等處吊頂系統的震害，這些震害產生了極為惡劣的負面影響。
震后災區通常陸路交通中斷，機場的正常運營對災后應急救援及重建工作都顯得尤為重要，地震中吊頂系統的嚴重破壞不僅帶來了巨額經濟損失，還必然會延緩應急救援與重建工作。此外，體育館等大型場館在設計建設之初就考慮做為震后的應急指揮中心或救災安置點，在抗震救災中發揮重要角色，體育館吊頂系統的嚴重破壞導致人員大量傷亡的情況并不多見，但由此造成的財產損失尤其是運營中斷卻會給刻不容緩的災后救援帶來極大障礙；對已墜落吊頂板的清理，及對未墜落吊頂板的擔憂，導致其在震后無法及時發揮應有的作用，如上述蘆山縣體育館。其他結構形式建筑吊頂系統的震害也很顯著?？梢钥闯鲈趯W校、醫院等重點設防的建筑中，吊頂系統的震害足以導致運營中斷。而在震后救援與重建的黃金時間里，這些建筑不僅無法發揮自身的重要作用；為了抗震救災，還將迫切需要政府立即投入大量的人力財力以恢復自身使用功能，迅速恢復震后正常運營。此外，學校尤其是幼兒園地震時吊頂系統的墜落無疑嚴重影響人員疏散，間接造成人員傷亡。
吊頂系統的設計施工涉及到建筑、結構、裝修等多個方面，目前通用的做法是由裝修方按照現有圖集施工完成，并滿足相應吊頂施工驗收規范的要求，在這一過程中考慮了聲學、光學等多方面因素，但惟獨沒有進行抗震設計，而吊頂的抗震設計也存在建筑、結構、裝修權責不明確的情況，這也是導致吊頂系統震害嚴重的主要原因。
3 吊頂系統地震響應有限元分析
首先設計 8°0.2g 區的鋼筋混凝土框架結構，設計地震分組為第二組，框架結構高 6 層，首層高度 4.2m，其他層層高 3.6m，柱子截面 1-3 層為 600mm×600mm，4-6 層為 500mm×500mm，邊梁截面為 300mm×500mm，中間梁截面為 300mm×300mm。其中屋面恒荷載為 7.0kN/m2，活荷載為 0.4kN/m2，樓面恒荷載為 5.0kN/m2，活荷載為 2.0kN/m2，走廊活荷載為 3.5kN/m2，外墻取 13kN/m，內隔墻取 11kN/m。梁、柱混凝土強度等級為 C30，鋼筋采用 HRB335。板混凝土強度等級為 C25，鋼筋采用 HPB300 與 HRB335 組合。
框架的結構布置見圖 9。圖 10 為輕鋼龍骨紙面石膏板吊頂的布置情況，紙面石膏板的厚度為 12mm，面密度為 15kg/m2。表 1 為龍骨參數?！颈?】
為求解較為不利的樓板處的響應加速度，在大型有限元軟件 ANSYS/LS-DYNA 中建立框架結構的有限元模型。然后將響應加速度輸入到吊頂結構的模型中，在北嶺地震波峰值加速度 400gal 條件下，樓板響應加速度時程曲線見圖 11，將其施加于吊頂系統。
在 ANSYS/LS-DYNA 中建立了輕鋼龍骨紙面石膏板吊頂的有限元模型，見圖 12，假定附屬連接件為剛性。圖 13 顯示了吊頂系統在強震下的失效過程，龍骨出現塑性變形，但尚未折斷，而連接于龍骨的紙面石膏板在地震中大量失效墜落。墜落的石膏板則很有可能阻塞地震逃生通道并砸傷慌亂的逃生人群。此外，如果提高峰值加速度，則龍骨也有墜落的可能，這將是更加危險的。4 結論通過對蘆山地震震害的調查，總結分析了以吊頂系統為代表的非結構系統的震害情況，認為對于醫院、學校、幼兒園、機場航站樓等重點設防的建筑，非結構系統的震害比較嚴重，造成了人員傷亡及財產損失，并影響建筑的震后正常運營，這對于震后應急指揮及抗震救災均十分不利。在此基礎上，對國外吊頂系統的震害情況進行了初步調查，發現存在同樣問題。之后數值分析了國內通用的輕鋼龍骨紙面石膏板吊頂系統的抗震性能，發現在強震下其抗震能力較差，而目前對于吊頂系統抗震方面的研究幾乎處于空白階段，亟需進一步深入研究?！緢D略】
參考文獻：
[1] 葉耀先, 鈕澤蓁. 非結構抗震設計[M]. 北京：地震出版社, 1991.6-10Ye Yaoxian, Nv Zhezhen. Seismic design of Nonstructure [M]. Beijing: Seismological Press, 1991. 6-10
[2] Chris V. Tokas. Nonstructural Components and Systems-Designing Hospitals for Post-Earthquake Functionality, 2011; ASCE
[3] GB50011-2010. 建筑抗震設計規范[S]. 2010.
