某多層框架隔震設計方法及工程應用

陳德寶

摘要：結合目前隔震設計中的問題，總結了框架隔震設計的一般流程。根據該流程，對甘肅某多層框架學生宿舍進行隔震全過程設計。該設計流程的提出使框架隔震設計得以規范化，并可推廣至框剪等其他體系的隔震設計工作。

關鍵詞：框架結構；隔震設計；時程分析

引言

自汶川地震以來，由于隔震建筑在地震中表現性能良好，隔震技術逐步得到了社會的重視，在實際工程中也逐步得到了應用。此外國家和地方也紛紛出臺規定，鼓勵重點設防類地震高烈度區3層以上學校、幼兒園、醫院等人員密集公共建筑，優先采用減隔震技術進行設計。但由于現有隔震設計分析軟件較多，模擬隔震過程各異，導致現在很多的隔震設計實際工作中存在種種問題。因此，總結隔震設計工作的一般流程，從而有效指導實際隔震設計工作，是本文探討的重點內容。

1隔震原理

隔震設計通過在建筑底部增設隔震層（一般為橡膠隔震支座），從而延長結構自振周期，降低水平地震作用，改善建筑的抗震性能，尤其在高烈度地區，具有明顯的優勢。現有的隔震設計通過隔震層將建筑分為上部結構、隔震層、下部結構和基礎。下面根據現有規范，以多層框架為例，對隔震各部位逐一分析。

1.1上部結構

需根據隔震原理建立隔震和非隔震兩個上部模型，中震彈性時程分析計算兩個模型，根據模型分析結果，人工求出水平減震系數β，隨后非隔震模型用考慮β的反應譜法計算，得到最終配筋結果。需要注意的是：與豎向地震效應相關的軸壓比等需按原設防烈度；隔震層以上結構的總水平地震作用不得低于非隔震結構在6度設防時的總水平地震作用；最小剪重比限值仍按原設防來取值；且β<0.3時需要考慮豎向地震作用。

1.2隔震支座、隔震支墩

隔震支座需滿足四個驗算要求：（1）重力荷載代表值下豎向壓應力限值。（2）罕遇地震下最大壓應力限值。（3）罕遇地震下水平、豎向地震共同作用下拉應力限值。（4）指定壓應力下水平變位限值。隔震支座需進行大震時程計算并滿足要求。對于隔震支墩，也需進行隔震模型大震計算并配筋。

1.3下部結構

下部結構需滿足嵌固剛度比、隔震后中震抗震承載力、大震抗剪承載力及層間位移角的限值要求，因此需建立中、大地震模型，利用反應譜法得到構件大震斜截面和中震正截面的設計結果并包絡。下部結構層間位移角可用隔震模型大震彈塑性模塊計算分析并滿足規范要求。

1.4基礎

基礎可按不考慮隔震層的非隔震模型，施加多遇地震，進行基礎設計。下面以一工程實例，詳述以上流程在具體工作中的應用。

2工程實例

2.1工程概況

本工程為甘肅省武威市某學生宿舍，地下一層、地上九層，建筑高度27.75m，采用框架結構，平面如圖1。該地區設防烈度8度；地震加速度值0.20g；地震分組第三組；場地類別Ⅱ類。該建筑為乙類框架，根據國家和甘肅地方規定，需采用隔震結構，抗震等級一級。

本工程隔震支座有LRB600、LNR600、LNR700三種疊層橡膠支座，采用單柱單隔震支座，支座布置于地下室柱頂的方式。本工程采用PKPM及ETABS軟件進行分析計算，隔震支座在ETABS中采用Isolator1模擬。計算非隔震結構的自振特性和內力時，梁、柱采用空間梁柱單元，混凝土樓板采用膜體單元，并按照剛性樓板假定進行建模。隔震層由無鉛芯橡膠隔震支座和鉛芯橡膠隔震支座組成，本構關系分別對應為線性和雙線性模型。

2.2非隔震模型校核及地震波選取

將該工程用ETABS和PKPM軟件建立非隔震模型如圖2，并將總質量、前三階周期和底層層間剪力進行對比，如表1。

由表1可知，兩種軟件計算的質量、周期和底層層間剪力差異很小，均可真實反映非隔震結構基本特性。

采用時程分析法時，對該建筑選取兩組實際強震記錄（Zone波和Taft波）和一組人工模擬的加速度時程曲線。小震時程分析時，每條時程曲線計算得到結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法的65%，多條時程曲線結構底部剪力平均值不小于反應譜法的80%。表二是時程分析法和反應譜法結果的比較。由表二可知，選波滿足規范要求。

2.3隔震模型建立及與非隔震模型對比

本工程隔震支座由試驗確定參數，豎向地震作用標準值按隔震層以上結構總重力荷載代表值的20%取值。采用ETABS對隔震模型和不隔震模型進行地震作用下的時程分析并進行比較，前六階振型的結構自振周期如表3：

對于多層建筑，水平向減震系數為中震彈性計算所得的隔震與非隔震各層層間剪力的最大比值。安裝隔震支座后，經計算三種波x，Y向各層層間剪力和層間傾覆力矩均大大降低，最大層間減震系數為0.385（大于0.3小于0.40），因此隔震技術可將上部結構地震相應降低一度且不用考慮豎向地震作用。隨后非隔震模型采用降低一度的反應譜法計算配筋。同時進行多遇及罕遇地震層間位移角驗算，計算后取三條波計算的最大值。經驗算隔震后上部結構各層均滿足規范規定的多遇下彈性層間位移角1/550，罕遇地震下彈塑性層間位移角限值1/100的要求。

2.4隔震支座驗算

計算各隔震支座在重力荷載代表值下的軸力及豎向壓應力。現有規范規定豎向壓應力不應超過12MPa，且LRB600及LNR600型支座最大設計承載力為3391kN，LNR700型支座最大設計承載力為4616kN，經驗算，各支座軸力和壓應力均可滿足相關要求。

采用時程分析法計算大震下各支座的軸力、XY向剪力和XY向位移，并驗算大震下隔震支座的最大變形不超過支座有效直徑的0.55倍及支座內部橡膠總厚度3倍的較小值。

此外罕遇地震作用下隔震支座的豎向壓應力限值不應超過30MPa。以上驗算項均滿足相關要求。同時查看大震作用各個隔震支座的抗傾覆應力最大值和最小值，所有支座均處于受壓狀態，不會引起結構的傾覆。

采用隔震設計時，風荷載和其他非地震作用的水平荷載標準值產生的總水平力不宜超過結構總重力的10%。本工程單側風荷載最大水平剪力標準值1949KN，結構總重力荷載為108953kN，剪重比為0.017<0.1驗算滿足。

2.5隔震支墩和下部結構

本工程為單層地下室柱頂布設隔震支座，隔震支墩和下部結構實際是一體的。根據抗震規范，隔震層支墩、支柱及相連構件，應采用隔震結構罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和力矩進行承載力驗算。因本工程地下室層高不高，按大震計算后實際支墩配筋結果不大。

3結論

由以上工程實例可以看出，采用隔震技術后，結構的周期延長近2倍，地震作用大為減小，且隔震結構在設防地震作用下的最大層間減震系數0.385<0.40，結構的抗震性能得到改善，上部結構可按降低一度設計。因此，采用隔震技術，對于降低高烈度地區的地震作用效果明顯。此外本文依據現有規范總結了多層框架隔震設計的一般流程，并基于現階段常用的PKPM及ETABS設計軟件，將該流程用于具體工程實例之中，為同類隔震結構的設計工作提供了參考。