基于性能的基礎隔震結構設計基本框架探討

■郭林

四川華成輝宇建筑設計有限公司德陽分公司

基于性能的隔震設計理念最初由美國學者提出，并受到地震工程界的重視，大多國家都加大了對這一領域的研究，其中日本已在隔震設計新標準中運用了基于性能的隔震設計理念。以性能為基礎的隔震設計是為保障設計結構在地震災害下仍能維持需要的性能水平，打破了傳統的以承載力為核心的隔震設計思想，是隔震設計方法的未來發展趨勢。

1 基于性能的隔震結構設計框架

以性能為主的抗震設計框架主要包含：隔震結構性能水平以及性能目標的確定、概念設計、按性能目標合理設計結構、對設計成果進行性能評估。基于性能的隔震結構設計與抗震結構設計相比，區別在于基礎隔震結構的關鍵設計環節在于隔震層設計，對隔震結構性能有直接影響。隔震結構在外力作用下發生的位移主要聚集在隔震層[1]。因此，在對基礎隔震結構進行設計時，除上述內容外，還需注重隔震層設計和社會經濟評估等方面。采取以性能為基礎的結構設計方法設計隔震結構時，隔震層設計、隔震結構性能目標的確定、隔震結構設計和性能水平評估是需要注重的技術問題。

2 基礎隔震結構性能目標

隔震結構性能目標指的是當地震災害發生時，業主要求建筑物達到的隔震性能水平。基礎隔震結構的的設計要求一定程度上依賴建筑重要性和技術水平等，制動合理的隔震結構性能指標，是設計隔震基礎結構的前提。如今，各界對建筑結構可靠性提出了越來越高的要求。隔震技術的創新發展及應用為建筑物可靠性的提高提供了基礎條件。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。因此需借助基礎隔震技術，實現建筑抗震性能提高的目標。另外，從建筑物性能及經濟角度出發，業主可制定高于標準要求的隔震性能目標，這時需建筑師按業主要求和建筑行業規范來合理設計隔震結構。

3 上部結構的設計

在實際結構設計時，一般將隔震結構劃分為上部結構、隔震層、基礎結構以及隔震層下部結構等部分。上部結構設計時，需結合地震災害與實踐經驗總結的設計原則，進行結構整體布置并設計抗震措施。以性能為主的隔震設計研究理論中，加強了對上部設計概念設計的重視，主要是由于隔震結構設計更加重視在隔震結構性能目標的前提下，針對不同的結構性能目標，選擇恰當的結構體系、結構材料等，選擇結果將直接影響最終設計效果。上部結構設計要求對隔震結構整體方案、設計手段等進行明確選擇，從而加強隔震結構的抗震能力。

4 基礎隔震結構的設計方式

以性能為核心的結構隔震設計手段包括基于位移程度的設計方法、能力譜方法和基于位移的系數設計法等。其中按照位移情況的設計方法更加注重結構設計，而對隔震結構的抗震能力沒有明確的評估方法；基于位移的系數設計法是利用相關參數求得隔震結構目標位移，再根據核算結果進行結構設計，這一設計方法的應用性還有待探討；能力譜方法相對來講更加注重結構抗震性能的評估，在結構設計方法上應用效果不突出。本文在進行隔震結構設計時，采取直接以位移為依據的設計方法。這一設計方法基本思路為：對于自由度較多的結構體系，首先假設一個適當的位移模式，將原有結構體系轉變為單個自由度體系，并確定等效阻尼比，結合等效阻尼比和目標位移，可計算出等效周期，進一步得到結構的等效剛度，之后可進行體系剛度設計以及承載力設計。剛度設計與結構構件設計有關，在對結構尺寸合理設計的基礎上，確保結構達到較高剛度。承載力設計指的是根據目標位移以及等效剛度來獲得極限狀態下結構受到的力，進而進行結構配筋處理。為保證隔震結構達到理想的位移能力，需將目標位移與結構各構件變形需求結合起來，在關鍵部位進行配筋設計，促使構件具備一定的變形能力。

依位移進行基礎隔震設計步驟如下：上部結構設計。在進行上部結構概念設計時，需確定結構配筋布置、層高等，還應對上部結構質量有所掌握，從而判定隔震層應選擇的隔震設置；確定基礎隔震結構的層間位移以及隔震層位移。隔震層目標位移需按照相關計算公式求得，主要與樓層位移、隔震層位移、結構所受剪切力有關；在求得目標位移后，可進一步判定結構等效質量；確定結構阻尼，通常將隔震層阻尼比作為抗震結構阻尼比；在上述步驟完成后，還需判斷隔震結構等效周期，結合結構抗震性能要求和求解的阻尼比、目標位移等，得到隔震結構的振動周期；判斷隔震結構相對應的剛度，對上部結構進行設計。根據隔震層剛度和阻尼比進行結構設計，確定隔震裝置數量和類型。

5 隔震層設計

基礎隔震結構設計核心便是隔震層設計，隔震層設計主要包括4步驟：根據隔震結構抗震能力目標判斷隔震層需要的附加阻尼比；結合位移情況來確定隔震層需要實現的剛度；按結構類型、阻尼器類型和隔震支座類型等選擇恰當的隔震裝置。本文主要分析了利用隔震層剛度及阻尼比來設計隔震支座的設計方法。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。隔震層水平恢復力的特性主要與天然橡膠支座和的鉛芯橡膠支座有關，為了簡化設計過程，可將隔離層水平力模擬成雙線性模型。

6 基礎隔震結構分析

隔震結構分布分析和傳統結構分析運用原理相同，主要區別在于隔震結構模型分析需考慮阻尼器和隔震支座對結構性能的影響。其中阻尼器和隔震支座都體現出非線性特征，極大程度加大了隔震分析難度。針對此，相關學者提出了等效線性化的分析方法，即是將非線性問題轉變為線性問題。利用不同分析方法分析基礎隔震結構時，阻尼器與隔震支座計算模型也有所不同。以性能為基礎的結構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構縱向施加模擬地震發生時的等效作用力，并逐漸增加施加力的強度，促使隔震結構逐漸由彈性工作模式轉變為塑性工作模式，隨著力的不斷增加，最終將超過塑性位移。通過分析這個過程，可對隔震結構性能有所了解。

結語

綜上所述，基礎隔震技術體現出原理簡單、隔震效果顯著、成本低廉等優勢，具有廣泛應用前景。采取性能為主的隔震設計方法，能滿足業主提出的隔震性能要求，逐漸成為隔震設計的發展趨勢。

[1]言杰. 隔震層位置對結構抗震性能的影響分析[D].河北工程大學,2017.