談建筑結構隔震設計中應重視的內容

陰 毅

(山西省第二建筑設計院，山西 長治 046000)

談建筑結構隔震設計中應重視的內容

陰 毅

(山西省第二建筑設計院，山西 長治 046000)

從性能化設計思想、地震波的選取、隔震層參數設計、下部結構設計、地基基礎等幾個方面出發，對建筑結構隔震設計中應重視的內容進行了探討，提出了在滿足國家規范和規程的基礎上，加強結構隔震設計的方法，使隔震技術設計水平得到進一步的提升。

隔震設計，地震波，參數，彈塑性分析

1 概述

隨著社會經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，在工程設計中貫徹執行國家抗震法律及規范，增加民用建筑的抗震能力和抗震性能，使其在地震時和地震后能基本保持預定的使用功能從而最大程度降低地震對生命財產的危害影響是每個工程設計人員所肩負的職責。結構隔震技術以其優良的減震效果、安全性、耐久性、經濟性、實用性，在建筑工程中應用日趨增多。為響應貫徹國家“建質[2014]25號”和“晉建質字[2014]115號”文件并使該設計方法更加有效發揮其優良的抗震性能，筆者認為有以下幾點內容在工程設計時應加強重視。

2 應重視的設計內容

2.1 性能化設計思想

隔震設計從某種方面上講就是性能化設計思想的體現，而確定性能化設計的目的在于明確整體結構的抗震設防目標和各分部構件的性能水準，使抗震設防目標更加細化并充分考慮結構用途、業主和使用者的特定性要求，在設計時做到有的放矢，使隔震建筑能在完成預定功能過程中達到安全性和經濟性的最佳平衡點。

結構整體性能目標可參考表1。

表1 結構整體性能目標參考表

大震下應控制位移角，其目的在于：1)使大震下有較高的抗震安全性建筑及重要和避險等地震中不能中斷使用功能的建筑達到預期設計要求；2)出于經濟性考慮，如果大震下不控制合理的結構變形，則可能導致結構破壞而需大修，則總體造價會增加，這與設置隔震層的初衷相背離；3)上部結構抗震措施降低使延性降低，可能導致大震下完成預定功能概率降低。

大震下樓層彈塑性位移角的確定：可按《建筑抗震設計規范》附錄M.1.3根據不同破壞狀態確定，或參照《建筑工程抗震性態設計通則》第11.1.5和6.6.8條按不同類別使用功能建筑綜合考慮確定。

2.2 適用范圍

規范規定的建筑隔震設計僅限于橡膠隔震支座(包括天然橡膠支座和鉛芯橡膠支座)。當采用其他類型隔震器如高阻尼橡膠隔震支座、滑板隔震支座，應進行專門研究。

不隔震時基本周期小于1.0 s的建筑結構采用隔震技術效果最佳；但超過1 s的結構有可能同樣有效，故規范對周期要求放寬。

根據橡膠隔震支座水平抗拉屈服強度低的特點，需限制非地震作用的水平荷載。風荷載及其他非地震作用水平荷載標準值產生的總水平力不宜大于結構總重力的10%。

對高寬比大的結構，需進行整體傾覆驗算，防止支座壓屈或出現拉應力超過規范規定。

在Ⅳ類場地建造隔震房屋時，應進行專門研究和專項審查。

一般情況下隔震層的位置位于第一層以下。當位于第一層及以上時，隔震體系的特點與普通隔震結構可有較大差異，隔震層以下的結構設計計算也更復雜，應進行專門詳細的研究。

隔震支座只具有隔離水平地震的功能，對豎向地震沒有隔震效果，隔震后結構的豎向地震力可能大于水平地震力，應予以重視并做相應的驗算，采取適當的措施。

2.3 地震波的選取

反應譜是一定地震反應的概率統計結果包絡曲線，本質是輸出譜；地震波經傅立葉變換得到的頻譜曲線雖然與規范反應譜曲線有一定的相似性，但二者本質不同，本質是輸入譜。地震波的離散性很大，每條波都是離散的單一樣本，相近地震動參數(卓越周期、場地類別、加速度峰值和持續時間)的地震波時程反應結果往往相差很大，因此設計時應盡可能多地搜集地震波樣本，在其中應仔細甄別。

波形選取原則應遵照規范的要求綜合考慮(選取原則參見規范GB 50011—2010第5．1．2條、CECS 160∶2004第11.2.3條和CECS 126∶2001第4.2.10條)。在此原則上為取得最不利效果，建議采取以下方法：1)初步設計完成后對隔震結構進行模態分析，找出對應于隔震層的周期和上部結構的周期，其中以隔震層為主要變形的記為第一模態，以上部結構為主要變形的記為第二模態，以隔震層扭轉為主要變形的記為第三模態；2)考察并選取用于分析的地震波卓越周期宜分別與以上三種模態盡量接近。如果波形資料充足，應盡可能多的選取多波形分析并不少于七組取其分析的平均值進行設計。

2.4 隔震層參數的設計及分析方法

大震下隔震層的良好柔度和耗能能力阻隔了大部分地震能量向上部結構的傳遞，如果隔震層失效則整體結構失去抵抗地震作用的屏障，本質上是單一抗震防線結構體系，因此隔震層的設計是整個結構抗震設計的關鍵，應遵循“大震不壞”的設計原則。

隔震層包括隔震支座、阻尼裝置、抗風裝置和限位裝置，阻尼裝置和抗風裝置可與隔震支座合為一體也可單獨設置。

隔震層布置宜遵循規范CECS 126∶2001第4.3.1條規定。

隔震層設計內容應滿足：豎向承載力、必要的水平剛度、設防烈度下的水平恢復力和阻尼以及罕遇地震下水平位移和穩定性要求(保證在地震中保持穩定，不宜出現不可恢復的變形)，應控制橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時作用下，拉應力不應大于規范限值。

隔震層應滿足必要構造措施。

分析方法，一般情況下，宜采用時程分析法進行計算，當為砌體房屋或周期與砌體房屋相當且滿足規范CECS 126∶2001第4.1.1條時可采用等效側力法。時程分析法所采用的恢復力模型可按表2確定，采用普通疊層橡膠支座時還應考慮抗風裝置等提供的剛度及阻尼器阻尼，其中模型參數應通過試驗確定。

表2 兩種支座滯回曲線和恢復力模型匯總表

2.5 下部結構罕遇烈度抗震驗算

當房屋采用層間隔震時(設置在地下室、一層柱頂或多塔樓的底盤上)，應重視下部結構設計。由于設置了隔震層使傳統結構水平地震力傳遞機制發生改變而導致下部結構直接承受很大的地震基底剪力和傾覆力矩。

當采用層間隔震時，隔震層下部結構應滿足規范GB 50011—2010第12.2.9條嵌固端剛度比和罕遇烈度下承載力驗算和彈塑性變形驗算的要求。其層間彈塑性位移應考慮P—δ效應。

隔震層下部結構承載力驗算應根據結構性能目標按關鍵構件進行設計。《抗震規范》未具體明確驗算方法，本文認為可參考JGJ 3—2010第3.11節關于結構抗震性能設計的規定進行設計，具體見表3。

表3 結構抗震性能設計參數表

2.6 地基基礎設計

根據規范GB 50011—2010第12.1.3條，隔震結構應選用穩定性較好的基礎類型。高寬比大于4的結構小震下基礎不應出現拉應力。

濕陷性場地建筑宜采用完全消除場地濕陷的地基處理方法，對于部分消除濕陷性的設計應執行GB 50025—2004濕陷性黃土地區建筑規范附錄G的規定要求。

對于軟弱場地基礎設計宜按變形設計，考慮調平設計方案，調節沉降差，優先采用樁基礎。

對于液化場地，甲、乙類建筑的抗液化措施應按提高一個液化等級確定，直至全部消除液化沉陷。

基礎設計時可按本地區抗震設防烈度進行內力計算和承載力驗算。進行基礎布置時，宜考慮豎向剛度調平設計，使基底反力盡量趨于一致，避免較大的差異沉降。因隔震支座抗拉強度很小，故在進行基礎設計時不能考慮上部結構剛度的貢獻，設置變形縫兩側地基基礎宜加強。

以上淺見是個人關于建筑結構隔震設計的一些理解和體會，供同行參考并在相關設計中能加強關注從而使建筑結構隔震設計更加安全、經濟。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[2] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[3] CECS 160∶2004，建筑工程抗震性態設計通則(試用)[S].

[4] CECS 126∶2001，疊層橡膠支座隔震技術規程[S].

[5] 李 剛，程耿東.基于性能的結構抗震設計、理論和方法[M].北京：科學出版社，2004.

[6] 黨 育，杜永峰，李 慧.基礎隔震結構設計及施工指南[M].北京：中國水利水電出版社，知識產權出版社，2007.

[7] 譚 平，周福霖.國家標準《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)疑問解答(八)[J].建筑結構，2011，41(7)：128-129.

Discussion on seismic isolation design matters of building structure

Yin Yi

(Shanxi2ndBuildingDesignInstitute,Changzhi046000,China)

Starting from aspects of performance optimizing design concept, seismic wave selection, seismic isolation parameter design, the lower structure design, and foundation base, the paper explores architectural structure seismic isolation design matters, and puts forward some suggestions of strengthening seismic isolation design on the basis of meeting national demands, so as to further improve seismic isolation design level.

seismic isolation design, seismic wave, parameters, elastic-plastic analysis

2014-12-12

陰 毅(1978- )，男，碩士，工程師，一級注冊結構工程師

1009-6825(2015)06-0038-02

TU352.1

A