建筑工程減隔震設(shè)計(jì)對(duì)比分析
——基于《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》

陳曉彬CHEN Xiao-bin；文興紅WEN Xing-hong；潘杰PAN Jie；徐意翔XU Yi-xiang

（云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，昆明 650228）

0 引言

隔減震技術(shù)作為目前世界上最有效的建筑防震手段，在日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用，我國(guó)自08年汶川地震之后，也開始大面積推廣。但是如何保障最好的技術(shù)能夠得到充分的發(fā)揮和應(yīng)用，不僅需要技術(shù)研究，還需要政策上的支持。《條例》的這一規(guī)定，直接保證了建設(shè)工程中的重要建筑的功能，通過提升重要建筑的性能，大幅降低地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，保證震后抗震救災(zāi)的順利實(shí)施，也是“以人為本、全面設(shè)防”的突出體現(xiàn)。云南省人民政府令（第202號(hào)）——《云南省隔震減震建筑工程促進(jìn)規(guī)定》在2016年12月1日就頒布實(shí)施，到目前為止在減隔震技術(shù)和工程應(yīng)用方面出于領(lǐng)先地位。新的條例和技術(shù)規(guī)程實(shí)施，可以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)抗震性能和安全儲(chǔ)備，但在同樣提高結(jié)構(gòu)抗震性能采用減震技術(shù)還是采用隔震技術(shù)是建設(shè)方以及設(shè)計(jì)方面臨的一個(gè)問題，按照隔震標(biāo)準(zhǔn)對(duì)造價(jià)提高和對(duì)設(shè)計(jì)的影響有多大，多數(shù)情況下建設(shè)方會(huì)關(guān)心投資成本的增加和建筑功能的實(shí)現(xiàn)，而當(dāng)前沒有一個(gè)系統(tǒng)的資料進(jìn)行對(duì)比分析。本文主要內(nèi)容如下：

①分析統(tǒng)計(jì)不同烈度按照云南省建筑消能減震設(shè)計(jì)與審查技術(shù)導(dǎo)則（試行）和按照云南省建筑消能減震應(yīng)用技術(shù)規(guī)程（送審稿）進(jìn)行減震設(shè)計(jì)。對(duì)比前后上部結(jié)構(gòu)含鋼量、截面尺寸等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；

②分析統(tǒng)計(jì)不同烈度按照抗震規(guī)范和《隔震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)。對(duì)比前后上部結(jié)構(gòu)含鋼量、截面尺寸等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；

③通過對(duì)項(xiàng)目技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)計(jì)分析對(duì)比，初步形成可應(yīng)用于前期方案匯報(bào)、結(jié)構(gòu)減隔震方案和經(jīng)濟(jì)性參數(shù)，為項(xiàng)目前期的成本控制和造價(jià)提供一定的數(shù)據(jù)支持，為在項(xiàng)目投標(biāo)時(shí)提供了數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

1 隔震分析法

1.1 分部設(shè)計(jì)法

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)采用分部設(shè)計(jì)法，首先根據(jù)建筑布置選擇合適的隔震層位置，然后根據(jù)設(shè)防烈度和結(jié)構(gòu)形式確定隔震目標(biāo)。隔震關(guān)鍵步驟是對(duì)隔震層的設(shè)計(jì)，隔震支座布置需要滿足長(zhǎng)期面壓限值，而且還需滿足隔震層在兩個(gè)主軸方向的偏心率應(yīng)小于3%；為保證抗風(fēng)裝置的有效性和隔震裝置在多次地震作用后仍能保持較好的復(fù)位性能，隔震層要有足夠的水平承載力和彈性恢復(fù)力。支座布置完成后即可進(jìn)行地震波選取和減震系數(shù)，若減震系數(shù)滿足之前預(yù)定的減震性能目標(biāo)，可進(jìn)行罕遇地震作用下支座拉壓應(yīng)力計(jì)算和支座位移計(jì)算，看其是否滿足規(guī)范要求。最后根據(jù)罕遇地震下的支座位移和剪力軸力進(jìn)行支墩和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。隔震分析流程圖如圖1所示。

圖1 分部設(shè)計(jì)法隔震分析

1.2 整體設(shè)計(jì)法

在PKPM軟件中定義隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法為“整體分析設(shè)計(jì)法”，底部剪力比由設(shè)防地震下的復(fù)振型分解反應(yīng)譜法結(jié)合迭代分析確定。相對(duì)于傳統(tǒng)的分部設(shè)計(jì)法，能綜合考慮隔震結(jié)構(gòu)的非比例阻尼特性和支座非線性。采用隔標(biāo)進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的主要步驟如下：

①根據(jù)隔震目標(biāo)，初步確定上部結(jié)構(gòu)方案。上肢墩按照鉸接處理。進(jìn)行相關(guān)軟件參數(shù)指定。

②根據(jù)豎向荷載和長(zhǎng)期面壓要求進(jìn)行隔震支座的初步確定。進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)模型建立，包括下肢墩和隔震支座柱。

③選擇隔震結(jié)構(gòu)相應(yīng)的計(jì)算分析參數(shù)，進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析。規(guī)范譜選擇需為《隔標(biāo)》。

④對(duì)隔震構(gòu)件的性能指定及隔震構(gòu)件類型等特殊屬性指定。

⑤隔震結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析完畢，查看隔震支座的驗(yàn)算結(jié)果能否滿足規(guī)范要求。包括偏心率小于3%，拉壓應(yīng)力，支座位移，抗風(fēng)等。

⑥隔震結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)查看。框架結(jié)構(gòu)隔標(biāo)震層以上結(jié)構(gòu)的層間位移角滿足1/400限值，隔震層以下結(jié)構(gòu)的層間位移角滿足1/500限值。

⑦隔震結(jié)構(gòu)減震效果評(píng)價(jià)及隔震結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)的確定。水平向減震系數(shù)取隔震層層剪比。

2 新的隔震標(biāo)準(zhǔn)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

2.1 性能化設(shè)計(jì)要求

原有抗規(guī)的三水準(zhǔn)設(shè)防要求“小震不壞、中震可修、大震不倒”，新的隔標(biāo)提升為“中震不壞、大震可修、巨震不倒”，并引入性能化設(shè)計(jì)的要求。

關(guān)鍵構(gòu)件是指構(gòu)件的失效可能引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)破壞或危及生命安全的嚴(yán)重破壞，可由結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)實(shí)際情況分析確定，例如，隔震支墩、支柱及相連構(gòu)件，底部加強(qiáng)部位的重要豎向構(gòu)件，水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件及與其相連豎向支撐構(gòu)件等。強(qiáng)度滿足“中震彈性”。

普通豎向構(gòu)件是指關(guān)鍵構(gòu)件之外的豎向構(gòu)件。強(qiáng)度“中震抗彎不屈服，抗剪彈性”。

重要水平構(gòu)件是指關(guān)鍵構(gòu)件之外不宜提早屈服的水平構(gòu)件，包括對(duì)結(jié)構(gòu)整體性有較大影響的水平構(gòu)件、承受較大集中荷載的樓面梁（框架梁、連梁），承受豎向地震的懸臂梁等。強(qiáng)度“中震抗彎不屈服，抗剪彈性”。

普通水平構(gòu)件是指一般框架梁、連梁等。強(qiáng)度“中震不屈服”。

2.2 規(guī)范反應(yīng)譜

隔標(biāo)充分考慮隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征，隔震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的長(zhǎng)周期段采用指數(shù)下降曲線代替原直線下降段。反應(yīng)譜是大量條地震波統(tǒng)計(jì)擬合的曲線，對(duì)于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，對(duì)位移比較敏感，隔震結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)和高層破壞形態(tài)不一樣，隔震上部結(jié)構(gòu)剪切變形為主。隔震結(jié)構(gòu)整體計(jì)算復(fù)核支座的指標(biāo)。

2.3 計(jì)算求解方法

在原有“底部剪力法”“振型分解反應(yīng)譜”“時(shí)程分析法”基礎(chǔ)上，為更加充分的體現(xiàn)隔震結(jié)構(gòu)原有動(dòng)力特性，將“振型分解反應(yīng)譜法”擴(kuò)展為“復(fù)振型分解反應(yīng)譜法”。

基于隔震剪切懸臂梁力學(xué)模型研究發(fā)現(xiàn)：強(qiáng)迫解耦CQC方法求解隔震結(jié)構(gòu)誤差較大的原因是其忽略了各振型的速度響應(yīng)貢獻(xiàn)。當(dāng)隔震層阻尼比大于10%時(shí)，CQC方法得到的樓層剪力偏小，誤差超過10%。CCQC法無論隔震層阻尼比從10%增大到30%，還是由4層增加到24層，與時(shí)程分析的結(jié)果相對(duì)誤差都保持在10%以內(nèi)，計(jì)算精度具有較好的穩(wěn)定性，為工程所接受。

3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》（以下簡(jiǎn)稱條例）于9月1日開始實(shí)施。條例第十六條規(guī)定建筑工程根據(jù)使用功能以及在抗震救災(zāi)中的作用等因素，分為特殊設(shè)防類、重點(diǎn)設(shè)防類、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類和適度設(shè)防類。學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)、兒童福利機(jī)構(gòu)、應(yīng)急指揮中心、應(yīng)急避難場(chǎng)所、廣播電視等建筑，應(yīng)當(dāng)按照不低于重點(diǎn)設(shè)防類的要求采取抗震設(shè)防措施。本文通過對(duì)條例實(shí)施前的項(xiàng)目按照中震性能化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并對(duì)比其截面和造價(jià)等參數(shù)，為今后方案和投標(biāo)提供一定的參考。

3.1 框架減震結(jié)構(gòu)

昆明市初級(jí)中學(xué)宿舍樓，抗震設(shè)防烈度8度0.2g，設(shè)計(jì)使用年限50年，抗震設(shè)防烈度8度（0.2g），設(shè)計(jì)地震分組第三組，場(chǎng)地類別Ⅲ類。采用粘滯阻尼器進(jìn)行減震設(shè)計(jì)，嵌固端取為地下室頂板。在設(shè)防地震作用下，框架結(jié)構(gòu)層間位移角限值1/400。框架結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，條例實(shí)施前后對(duì)比如表1所示。

圖2 框架結(jié)構(gòu)模型

表1 8度0.2g框架結(jié)構(gòu)條例實(shí)施前后對(duì)比

按照施工方反饋的混凝土C35單價(jià)為270元/m3，鋼筋單價(jià)5.6元/kg，預(yù)估鋼筋混凝土造價(jià)實(shí)施前為404元/m2，綜合單價(jià)為2080元/m2。條例實(shí)施后鋼筋混凝土造價(jià)為525元/m2，綜合單價(jià)為2360元/m2。預(yù)估鋼筋混凝土造價(jià)增加為121元/m2。土建綜合造價(jià)比值2360/2080=1.14。表中鋼筋用量將軟件統(tǒng)計(jì)出來的數(shù)值放大1.26倍。

3.2 框架剪力墻結(jié)構(gòu)

建水縣某養(yǎng)老建設(shè)項(xiàng)目，抗震設(shè)防烈度8度0.3g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，場(chǎng)地類別Ⅱ類，主體結(jié)構(gòu)采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，由于主體結(jié)構(gòu)采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度能夠滿足要求，若采用位移型阻尼器，阻尼器耗能效果比較低，因此選擇速度型粘滯阻尼器。在多遇地震作用下為結(jié)構(gòu)附加阻尼為0.2。按照中震設(shè)計(jì)要求，框架剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角限值1/500。框架剪力墻結(jié)構(gòu)如圖3所示，條例實(shí)施前后對(duì)比如表2所示。

圖3 框架剪力墻結(jié)構(gòu)模型

表2 8度0.3g框架剪力墻結(jié)構(gòu)條例實(shí)施前后對(duì)比

按前面混凝土和鋼筋單價(jià)，預(yù)估鋼筋混凝土造價(jià)實(shí)施前為392元/m2，綜合單價(jià)為2200元/m2。條例實(shí)施后鋼筋混凝土造價(jià)為648元/m2，綜合單價(jià)為2800元/m2。預(yù)估鋼筋混凝土造價(jià)增加為256元/m2。土建綜合造價(jià)比值2800/2200=1.27。

3.3 框架隔震結(jié)構(gòu)

昆明市某初中教學(xué)樓項(xiàng)目，抗震設(shè)防烈度8度0.2g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，場(chǎng)地類別Ⅲ類。主體結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)，平面為U型，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較為明顯，采用隔震設(shè)計(jì)減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。嵌固端取在地下室頂板，隔震層層高2.0m。按照中震設(shè)計(jì)要求，框架結(jié)構(gòu)層間位移角限值在1/400，并按要求進(jìn)行性能設(shè)計(jì)。框架隔震結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，實(shí)施前后對(duì)比如表3所示。

圖4 框架隔震結(jié)構(gòu)模型

表3 8度0.2g框架隔震結(jié)構(gòu)條例實(shí)施前后對(duì)比

按前面混凝土和鋼筋單價(jià)，預(yù)估鋼筋混凝土造價(jià)實(shí)施前為284元/m2。條例實(shí)施后鋼筋混凝土造價(jià)為317元/m2。預(yù)估上部結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土造價(jià)增加為33元/m2。土建綜合造價(jià)比值2087/1904=1.10。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)隔標(biāo)實(shí)施前和實(shí)施后隔震方法進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)條例實(shí)施前和實(shí)施后不同結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行減震設(shè)計(jì)分析得出如下結(jié)論：

①條例實(shí)施后減震結(jié)構(gòu)造價(jià)提高約15%，框框架剪力墻造價(jià)提高約30%，隔震結(jié)構(gòu)造價(jià)提高約10%。

②條例實(shí)施后，減震結(jié)構(gòu)截面增大較為明顯，隔震結(jié)構(gòu)影響相對(duì)較小。

③8度以上采用隔震能夠取得提高結(jié)構(gòu)抗震性能和提高結(jié)構(gòu)安全性。