基于性能的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計基本框架探討

■郭林

四川華成輝宇建筑設(shè)計有限公司德陽分公司

基于性能的隔震設(shè)計理念最初由美國學(xué)者提出，并受到地震工程界的重視，大多國家都加大了對這一領(lǐng)域的研究，其中日本已在隔震設(shè)計新標(biāo)準(zhǔn)中運用了基于性能的隔震設(shè)計理念。以性能為基礎(chǔ)的隔震設(shè)計是為保障設(shè)計結(jié)構(gòu)在地震災(zāi)害下仍能維持需要的性能水平，打破了傳統(tǒng)的以承載力為核心的隔震設(shè)計思想，是隔震設(shè)計方法的未來發(fā)展趨勢。

1 基于性能的隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計框架

以性能為主的抗震設(shè)計框架主要包含：隔震結(jié)構(gòu)性能水平以及性能目標(biāo)的確定、概念設(shè)計、按性能目標(biāo)合理設(shè)計結(jié)構(gòu)、對設(shè)計成果進行性能評估。基于性能的隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計與抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，區(qū)別在于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計環(huán)節(jié)在于隔震層設(shè)計，對隔震結(jié)構(gòu)性能有直接影響。隔震結(jié)構(gòu)在外力作用下發(fā)生的位移主要聚集在隔震層[1]。因此，在對基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，除上述內(nèi)容外，還需注重隔震層設(shè)計和社會經(jīng)濟評估等方面。采取以性能為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法設(shè)計隔震結(jié)構(gòu)時，隔震層設(shè)計、隔震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的確定、隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能水平評估是需要注重的技術(shù)問題。

2 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)

隔震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)指的是當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生時，業(yè)主要求建筑物達到的隔震性能水平。基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的的設(shè)計要求一定程度上依賴建筑重要性和技術(shù)水平等，制動合理的隔震結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，是設(shè)計隔震基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的前提。如今，各界對建筑結(jié)構(gòu)可靠性提出了越來越高的要求。隔震技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展及應(yīng)用為建筑物可靠性的提高提供了基礎(chǔ)條件。隔震裝置可起到一定減震作用，通過該裝置的利用，能增強建筑物整體抗震性能和安全性。因此需借助基礎(chǔ)隔震技術(shù)，實現(xiàn)建筑抗震性能提高的目標(biāo)。另外，從建筑物性能及經(jīng)濟角度出發(fā)，業(yè)主可制定高于標(biāo)準(zhǔn)要求的隔震性能目標(biāo)，這時需建筑師按業(yè)主要求和建筑行業(yè)規(guī)范來合理設(shè)計隔震結(jié)構(gòu)。

3 上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一般將隔震結(jié)構(gòu)劃分為上部結(jié)構(gòu)、隔震層、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及隔震層下部結(jié)構(gòu)等部分。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需結(jié)合地震災(zāi)害與實踐經(jīng)驗總結(jié)的設(shè)計原則，進行結(jié)構(gòu)整體布置并設(shè)計抗震措施。以性能為主的隔震設(shè)計研究理論中，加強了對上部設(shè)計概念設(shè)計的重視，主要是由于隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計更加重視在隔震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的前提下，針對不同的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)，選擇恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)材料等，選擇結(jié)果將直接影響最終設(shè)計效果。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求對隔震結(jié)構(gòu)整體方案、設(shè)計手段等進行明確選擇，從而加強隔震結(jié)構(gòu)的抗震能力。

4 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計方式

以性能為核心的結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計手段包括基于位移程度的設(shè)計方法、能力譜方法和基于位移的系數(shù)設(shè)計法等。其中按照位移情況的設(shè)計方法更加注重結(jié)構(gòu)設(shè)計，而對隔震結(jié)構(gòu)的抗震能力沒有明確的評估方法；基于位移的系數(shù)設(shè)計法是利用相關(guān)參數(shù)求得隔震結(jié)構(gòu)目標(biāo)位移，再根據(jù)核算結(jié)果進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，這一設(shè)計方法的應(yīng)用性還有待探討；能力譜方法相對來講更加注重結(jié)構(gòu)抗震性能的評估，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方法上應(yīng)用效果不突出。本文在進行隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計時，采取直接以位移為依據(jù)的設(shè)計方法。這一設(shè)計方法基本思路為：對于自由度較多的結(jié)構(gòu)體系，首先假設(shè)一個適當(dāng)?shù)奈灰颇Ｊ剑瑢⒃薪Y(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)變?yōu)閱蝹€自由度體系，并確定等效阻尼比，結(jié)合等效阻尼比和目標(biāo)位移，可計算出等效周期，進一步得到結(jié)構(gòu)的等效剛度，之后可進行體系剛度設(shè)計以及承載力設(shè)計。剛度設(shè)計與結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計有關(guān)，在對結(jié)構(gòu)尺寸合理設(shè)計的基礎(chǔ)上，確保結(jié)構(gòu)達到較高剛度。承載力設(shè)計指的是根據(jù)目標(biāo)位移以及等效剛度來獲得極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)受到的力，進而進行結(jié)構(gòu)配筋處理。為保證隔震結(jié)構(gòu)達到理想的位移能力，需將目標(biāo)位移與結(jié)構(gòu)各構(gòu)件變形需求結(jié)合起來，在關(guān)鍵部位進行配筋設(shè)計，促使構(gòu)件具備一定的變形能力。

依位移進行基礎(chǔ)隔震設(shè)計步驟如下：上部結(jié)構(gòu)設(shè)計。在進行上部結(jié)構(gòu)概念設(shè)計時，需確定結(jié)構(gòu)配筋布置、層高等，還應(yīng)對上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量有所掌握，從而判定隔震層應(yīng)選擇的隔震設(shè)置；確定基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的層間位移以及隔震層位移。隔震層目標(biāo)位移需按照相關(guān)計算公式求得，主要與樓層位移、隔震層位移、結(jié)構(gòu)所受剪切力有關(guān)；在求得目標(biāo)位移后，可進一步判定結(jié)構(gòu)等效質(zhì)量；確定結(jié)構(gòu)阻尼，通常將隔震層阻尼比作為抗震結(jié)構(gòu)阻尼比；在上述步驟完成后，還需判斷隔震結(jié)構(gòu)等效周期，結(jié)合結(jié)構(gòu)抗震性能要求和求解的阻尼比、目標(biāo)位移等，得到隔震結(jié)構(gòu)的振動周期；判斷隔震結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的剛度，對上部結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。根據(jù)隔震層剛度和阻尼比進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定隔震裝置數(shù)量和類型。

5 隔震層設(shè)計

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計核心便是隔震層設(shè)計，隔震層設(shè)計主要包括4步驟：根據(jù)隔震結(jié)構(gòu)抗震能力目標(biāo)判斷隔震層需要的附加阻尼比；結(jié)合位移情況來確定隔震層需要實現(xiàn)的剛度；按結(jié)構(gòu)類型、阻尼器類型和隔震支座類型等選擇恰當(dāng)?shù)母粽鹧b置。本文主要分析了利用隔震層剛度及阻尼比來設(shè)計隔震支座的設(shè)計方法。使鉛芯橡膠支座的水平剛度看作是雙線性，將天然橡膠支座水平剛度看作線性，以便簡化后的分析過程。隔震層水平恢復(fù)力的特性主要與天然橡膠支座和的鉛芯橡膠支座有關(guān)，為了簡化設(shè)計過程，可將隔離層水平力模擬成雙線性模型。

6 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)分析

隔震結(jié)構(gòu)分布分析和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析運用原理相同，主要區(qū)別在于隔震結(jié)構(gòu)模型分析需考慮阻尼器和隔震支座對結(jié)構(gòu)性能的影響。其中阻尼器和隔震支座都體現(xiàn)出非線性特征，極大程度加大了隔震分析難度。針對此，相關(guān)學(xué)者提出了等效線性化的分析方法，即是將非線性問題轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性問題。利用不同分析方法分析基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)時，阻尼器與隔震支座計算模型也有所不同。以性能為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)分析方法包括動力非線性法、靜力非線性法以及能量分析法。靜力分析法指的是沿著結(jié)構(gòu)縱向施加模擬地震發(fā)生時的等效作用力，并逐漸增加施加力的強度，促使隔震結(jié)構(gòu)逐漸由彈性工作模式轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄怨ぷ髂Ｊ剑S著力的不斷增加，最終將超過塑性位移。通過分析這個過程，可對隔震結(jié)構(gòu)性能有所了解。

結(jié)語

綜上所述，基礎(chǔ)隔震技術(shù)體現(xiàn)出原理簡單、隔震效果顯著、成本低廉等優(yōu)勢，具有廣泛應(yīng)用前景。采取性能為主的隔震設(shè)計方法，能滿足業(yè)主提出的隔震性能要求，逐漸成為隔震設(shè)計的發(fā)展趨勢。

[1]言杰. 隔震層位置對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響分析[D].河北工程大學(xué),2017.