對框剪結構的隔震設計的探討

王佳

（陜西省現代建筑設計研究院，陜西 西安710000）

國內歷次出現的地震災害，大多是由于沒有提前對地下活斷層的運動采取強有力的防護措施，唐山大地震就是一個很典型的例子。如果只是單純的針對烈度進行建筑防護，難以避免出現重大的損失。隨著科學技術的進步，世界上已經出現了能夠有效減震的方式方法，而隔震技術顯然是當前最值得深入挖掘和研究探討的重點，其在國外相關實驗中表現出了良好的減震效果。隔震設計最主要依靠的原理就在于延長結構周期，盡量在預先掌握地質條件的情況下讓建筑物遠離地震動卓越周期，并在建筑結構上增強阻尼，即建筑物高層的穩固性也能得到增強。擁有良好的隔震設計，能夠為建筑提供足夠的震動承載力，也能夠在震動過程中發揮復位效果。

1 工程概況

本建筑工程上部結構高42 米，層高3 米，高寬比例為3.15。結構形式采用的是鋼筋混凝土框架剪力墻，該建筑類別為乙類，建筑物抗震設防烈度為7 度，所設計基本地震加速度為0.20g，設計地震分組為第一組，場地特征周期為0.40s，場地類別為Ⅲ類。經過統計，該建筑工程采用了建筑隔震橡膠支座，目前最大偏心率均小于5%，隔震支座的分布運用十分合理。結合建筑工程實際情況，采用Etabs 進行建模并對其隔震設計進行分析。

2 框剪結構的隔震設計分析

2.1 地下隔震支座分布與分析。建筑采用鉛芯橡膠支座和天然橡膠支座共同組成，且布置在地下一層，將鉛芯隔震橡膠支座分布在外圍的支撐點，將橡膠支座（LNR1500）布置在建筑的最中心點上，其他支撐點均也采用橡膠支座（LNR1400）進行支撐。通過分布模式明顯能夠凸顯隔震設計的主要作用點，這樣的分布更有益于建筑阻隔外部震動。與此同時，以現行的《建筑抗震設計規范》為依據，隔震層的支座、相連構件等組成要素必須滿足罕遇地震下，隔震支座底部各個方向的承受能力要求。在發生罕遇地震的情況下，建筑隔震層的水平方向位移最大不可大于隔震支座有效直徑的0.55 倍，亦或是隔震支座橡膠層厚度的3 倍，而這二者的最小值是隔震層在罕遇地震中的合格界限。本建筑工程運用到了Etabs 軟件來進行建模，其中分別將隔震與非隔震的建筑模型進行相應的對比分析，并通過軟件功能計算得到非隔震模型所能夠達到的層間剪力和實際質量。在隔震模型與非隔震模型的質量相差1.79%的情況下，基本可以將Etabs 軟件所生成的有限元模型判別為準確模型，在建模的良好條件之上，框架剪力結構中的隔震設計分析是有一定準確效果的。

2.2 隔震結構減震計算與分析。針對本建筑工程的隔震結構進行隔震支座抗壓力指數計算與抗風承載力數值計算，來進一步確認框架剪力墻結構隔震設計的有效性。在隔震制作壓應力方面，相關文件中有明確指示，該建筑工程類別在采用相較隔震支座且重力荷載值在標準范圍內，所能夠承受的來自縱向的壓應力，應當控制在15MPa 的范圍之內。本建筑使用的鉛芯隔震支座所承受的縱向壓應力平均值約為3.9MPa，而非鉛芯隔震支座所承載壓應力平均值約為7.5MPa，通過計算可以得出，本建筑工程在重力荷載代表值的作用下，各類型支座都能夠保證在技術要求的規范之內。由于現如今諸多建筑工程都屬于高層建筑，所以抗風承載力需要得到更進一步的重視，尤其是在隔震結構的設計上，也同樣需要對風力進行謹慎考量。為了能夠讓隔震層在風荷載的作用下依然保持其穩定性，相關文件當中同樣做出了十分明確的標準規范，即無論是否為防地震作用下的風荷載標準值產生的總水平方向力應當控制在總重力的10%之內。將本建筑工程結合這一要求進行驗算：根據公式：rwVwk≤VRW計算比較可得，本建筑的重力為102000，當風力方向為X，其水平剪力的標準值應為1048；而當風力方向為Y 時，水平剪力標準值因為1318。通過計算可以得出，在方向為X 與Y 情況下，水平剪力標準值與重力的比率分別為0.89%和1.31%。

2.3 恢復力計算分析。隔震裝置一個建筑中是最直接面對地下巖層的頻繁活動的部分，且一旦遇到地震其受到的外部壓力是最大的，也是決定著整個建筑是否能夠在地震中安然的關鍵所在。因此，隔震裝置本身需要很強的韌性，應力爭在地震的反復作用力下，仍能夠保持良好的恢復能力，《建筑抗震設計規范》也同樣對其進行了明確的規定：在設防地震的作用下，鉛芯橡膠支座和天然橡膠支座由于位置和數量的不同，應當非分別產生不同程度的隔震作用，且二者的彈性恢復能力在具體數值的層面上應當大于等于1.40VRW。經過計算，本建筑工程的隔震支座彈性水平恢復力為2552kN，是滿足其承載力設計規范的要求的。

3 隔震設計的難點

3.1 剪力墻布置問題。剪力墻的布置問題主要是源自于框架建立結構的設計原則與地震情況下相連框架柱偏移的矛盾。框剪結構的布局需要將剪力墻均勻分布到建筑物的四周圍，這種結構具有框架結構平面的布置靈活和布置空間空間較大的優點，又具有側向剛度較大的優點，同時框剪墻結構在實際當中的運用還能夠有效承受一定程度的水平荷載，與框架相結合，能夠增強建筑的穩定性。但是，這樣的布局方法如果一旦遇到罕遇地震，就會出現相連框架柱的偏移問題，尤其是一些建筑因其自身的特殊情況而對剪力墻的設置有限制因素的時候，這種問題更易出現。因此，這就需要注意在進行隔震設計的過程中盡量將結構高寬比縮小。如果在本就容易產生偏拉問題的條件下，高寬比例過大，那么拉力也會隨之加大，成為不可避免的困難。本建筑工程的寬高比為3.15，可能會存在這一問題。

3.2 轉換梁的設計問題。所謂的轉換梁設計問題，無非是因為建筑的上下結構需要設置貫通的水平隔離縫，這對于建筑工程來說是必要存在的，在剪力墻和底層框架結構連接處要設轉換構件，發揮其轉換功能。在本建筑工程當中，針對轉換梁的設計還添加了材料鞏固加強，使得隔震設計也能夠得到進一步完善。在同類型的建筑設計與隔震設計當中，則需要注重轉換梁的靈活應用。

3.3 隔震設計方案的完善問題。在進行隔震設計的過程中，需要結合實際情況采用不同的設計方案，這一點在實際操作中還需要靈活運用。通常情況下，隔震設計層以上的模型工程設計會采取多種不同的做法。比如，地下隔震區域的設計，可以采取兩種形式，第一種是明確隔震層的所在，將隔震支座底部設置為梁析，將隔震層更加清晰地劃分出來；第二種就是在隔震支座的下方設置下柱墩，并在柱墩的上方予以框架梁設置，如此能夠加強柱墩的穩定性，對水平方向的偏移力產生明顯的抵抗效果。這兩種做法就可以針對不同的工程狀態結合實際情況運用。因為第一個方案具有較強的整體性，如果隔震支座的底部樓析已經施工完畢，那么就可以運用這一方案對整體設計進行更進一步的優化。

3.4 電梯井設計問題。電梯井的設計與隔震支座的布置設計同樣存在著一定的矛盾，因為二者在結構的位移要求上是不同的，電梯井因為需要一個穩定的空間保證正常運行，所以需要隔震支座的上下部位移是同步的，可是其本身并非完全同步。這就要求在電梯井的設置上需要首先考慮到節點構造，讓電梯井與隔震結構的上部分同步，以此來保證電梯井的正常運行。另外還需要考慮到電梯井周圍的預留隔離縫，一是能夠為出現不同步問題帶來應對措施，另一方面還可以在隔離縫設置滑動裝置，讓電梯井運作獲得更多輔助效果。電梯井沒有到達地下時和進入到地下區域時，都能夠分別于隔震上下結構產生良好的配合，另將電梯上部與對應梁相連接，已達成電梯井與隔震系統結合為一個整體。

結束語

綜上所述，隔震設計的運用確實能夠為建筑工程帶來質量和穩定性的保障，使其在面對地震災害時更有足夠的抵抗力來保護人民的生命安全。通過專業軟件分析與相應計算可以得知，本建筑工程無論是在地下隔震支座分布、隔震結構設計以及彈性恢復力上都能夠達到相應的要求。然而，由于是一項新興技術，還有諸多需要人們關注和努力解決的問題。遇到問題是在所難免的，只要發揮刻苦鉆研、實踐創新的精神，想必我國的建筑工程抗震技術會越來越純熟，我國的建筑工程質量也會不斷提高，由此真正為人民群眾的生命財產安全帶來保障，也為我國的社會經濟發展發揮積極推動作用。