減隔震技術在高烈度抗震設防區的應用研究

李濤楊，李 偉

（1.云南交投集團云嶺建設有限公司，云南 昆明 650000；2.云南省交通規劃設計研究院有限公司，云南 昆明 650000）

我國處于環太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，因此地震斷裂帶充分發育，我國的多次強震中，導致了大量的人員傷亡和經濟損失。我們的高烈度抗震設防區分布廣泛，主要集中在西南、西北和中部地區。在此種程度上，需要最大限度地提升高烈度抗震設防區建筑的安全性及抗震性能，現階段當中，我國減隔震技術得到了廣泛的應用和推廣，尤其是隔震技術。我國的隔震技術集中在單獨應用的方面，對于隔震層外設置出對應的減震裝置和隔振支座來實現混合應用。在技術不斷發展的今天，需要對減隔震技術不斷創新和提升。

1 減隔震組合體系選型

針對減震組合體系來說，需結合項目的實際情況對隔震方案進行確定，隔震層的上部一般采用鋼筋混凝土的框架結構建設，介于基礎和上部結構之間，在進行動力時程分析過程當中可以借助于7 組地震波分析，按照《建筑抗震設計規范》（以下簡稱《抗規》）要求的規定，在對彈性時程分析的過程當中，需要根據時程曲線計算的結果進行分析，每條時程曲線的結果和振型分解反應譜法計算結果相比較，需要不超過其65%，并且如果對多條時程曲線進行計算，則需要保證平均值大于或者等于振型分解反應譜法計算結果的80%，其地震波信息見表1。如果借助于選擇好的7 組地震波來對隔震結構進行分析，其中需要對多遇、設防地震作用下的時程進行分析。在分析的過程當中，主要利用ETABS 有限元分析軟件來繼續分析，其中梁柱部分主要采用frame 單元模擬的方式，橡膠隔震制作利用isolator1 單元模擬的方式，粘滯阻尼器主要利用基于Maxwell 模型的damper 單元模擬的方式，借助于Ritz 法來進行迭代分析。也就是說，在預防地震的作用下，隔震層上部的結構最大減震系數為0.22。上部結構在遇到地震彈性設計時產生的最大層間位移角。也就是說，采用隔震方案設計的過程當中，其上部結構層的最大層間位移角是不滿足《抗規》要求的，因此針對此種情況，需要對上部結構的剛度進行增加，也就是說上部結構進行布置剛性支撐，以此來進行隔震和剛性支撐組合方式的形成。對于上部結構來說，需要增加其阻尼，以此可以在上部結構當中布置消能減震的裝置，也就是利用粘滯阻尼支撐的方式來進行減隔震組合方案的形成。

表1 地震波信息

對于上部結構方面的2 個方案來說，可以實現結構剛度的最大化需求，相對于剛性支撐來說，其剛度較大，如果受到了罕遇地震作用，則其剛性支撐對應位置的隔震支座的拉力需要保持比較大，因此其隔震支座在要求方面就無法滿足。對于此種情況，可以借助于減隔震的組合體系來實現基礎和上部結構之間進行隔震層的設置，對上部結構的鋼筋混凝土框架中進行粘滯阻尼支持的布置。

在減隔震裝置的布置和參數設置方面，需要根據建筑結構的實際情況來進行設計，利用基礎隔震和上部結構的粘滯阻尼支撐支持組合的減隔震技術來進行設置。此種技術的應用方面需要涉及到隔震層布置與上部結構粘滯阻尼支撐布置2 個部分。首先，在隔震層的布置和參數設置方面，需要考慮到多個方面的因素，其中包含剛度、拉應力以及變形力，對于剛度來說，如果設置剛度相對較大的鉛芯橡膠支座，則需要沿著結構周邊布置，相對于天然橡膠來說，其剛度較小，可以沿著內部布置，實現扭轉剛度的良好適應。在這個過程當中，重力荷載的要求需要保證其隔震支座的豎向平均應力不超過《抗規》的限值。在罕遇地震的作用下，其拉應力不應該出現在隔震支座當中，如果出現，則需要其拉應力小于1.0 MPa。隔震支座本身的基線水平需要在其有效直徑的55%之內，而且需要保證小于其各橡膠層總厚度的3 倍或者兩者的最小值。在曲線和隔震支座當中，初始剛度可以實現一定期限內荷載或者較小荷載穩定性的保障，對于隔震層屈服之后的剛度水平，如果較小的話，其隔震效果說明相對良好。與此同時，重力荷載代表值的作用對于隔震支座的最大長期面壓數值來說，需要滿足其《抗規》的相關要求。

2 工程實例

在本文當中，主要以云南省某地區作為主要的研究對象，該地區的抗震設防烈度為8 度，場地類別為III類，其中的基本風壓為0.3 kN/m2，建筑高度為17.7 m，分為地上3 層和地下1 層，該地區的建筑平面尺寸為109 m×49.6 m。

在該項目當中，屬于大型的展覽館建筑，需要做到重點設防，因此在對其該項目的地質特點進行勘測之后得出該項目3 km 范圍內存在有地震斷裂帶，《抗規》當中對其作出了規定，其地震作用下，對于其放大系數可以使用1.5 倍來進行計算，也就是如果多遇地震αmax=0.36 的話，其地震作用需要在9 度設防以上，在此種作用下，在結構的設計方面需要做到抗震措施的保障，保障其抗震性能可以得到最大的發揮，有效保護其建筑物的安全性和穩定性。對于本文當中提到的項目，其隔震層的2 個偏心率分別為0.60%（X 向）和0.59%（Y 向），兩者的數值都在3%以下，將其進行布置在隔震層當中是比較合理的，其上部結構的重心和隔震層的剛心可以達到重合狀態，因此有利于隔震支座的安全性和穩定性。進行隔震層的增加，其結構自振的周期可以延長到3 倍，也就是說對于結構的自振周期可以延長，因此對于上部結構地震起到有利作用。針對于設置上部結構的粘滯阻尼支撐的參數方面，其粘滯阻尼支撐本身具有無靜剛度且耗能強的性能，可以在此特點的基礎上對于結構的阻尼比進行實現附加作用，以此來對上部結構的地震響應進行減少。在該項目當中，根據綜合實際情況進行了隔震支座、黏滯阻尼器個數的確定，其中隔震支座100 個，黏滯阻尼器10個，上部結構布置的黏滯阻尼支撐34 榀，X 向16 榀，Y向18 榀。

3 減隔震組合結構分析方法

在對減隔震組合結構方法分析過程當中，可以利用分離式的設計方式，將其隔震結構分為隔震層的下部結構、隔震層以及隔震層的上部結構進行分層設計。對于上部結構，主要借助于減震系數的概念，來實現對隔震結構的減震效率做出評價，根據此基礎，來實現地震反應譜的調整。在減隔震組合結構的減震系數計算方法當中，需要結合其整體分析法來進行計算，在計算方式方面，可以應用疊加分析法的方式來進行計算減震系數，對于上部結構的設計來說，可以采用整體分析法來實現對結構整體減震效率進行復核、驗算，保證結構的安全性。

疊加分析法，基于疊加原理的基礎，來實現對減隔震組合體系的劃分，可以將其劃分為純框架結構與單獨隔震結構，按照其《抗規》的規定來進行計算減震系數。在此基礎上，對于上部結構本身的地震波峰值輸入方面可以進行加速，利用此種方式來有效實現對上部減震結構粘滯阻尼支撐減震效率的分析。

針對隔震分析，可以借助于上文提到的7 組地震波來對2 種結構進行設防地震作用的分析，在其分析的過程當中，可以借助于ETABS 有限元分析軟件。針對高烈度地震作用力下的層剪力分布情況，可以通過隔震層的增設來減小上部結構的各層剪力，實現對隔震體系的隔震效率的良好體現。

在減震分析方面，利用相同的地震波，來實現對純框架結構和上部減震結構相同的情況下進行防地震分析，可以得出，其上部結構進行增設粘滯阻尼支撐后，其耗能作用相對良好，其純框架結構與單獨隔震結構自振周期對比見表2。可以看出上部結構進行粘滯阻尼支撐增設之后，其X、Y 向各層層間的變形分別減少了14%、17%，在結構方面具有良好的抗震性能。

表2 純框架結構與單獨隔震結構自振周期對比

在整體分析法的過程當中，需要對上部減震體系和隔震體系之間產生的相互作用進行分析，以此來和疊加分析法進行對比。對于罕遇地震作用下的結構響應分析方面，在借助于纖維模型理論的彈塑性分析軟件PERFORM-3D V5 的基礎上進行分析，對于框架梁的塑性鉸可以采用M 鉸進行模擬，其框架柱塑性鉸可以采用P-M 鉸進行模擬，對于橡膠隔震支座來說，可以利用isolator 單元進行模擬，對于阻尼器可以借助于Maxwell 的模型來進行分析，對于分析的過程可以利用積分法進行迭代分析。

最后對于減隔震組合的結構設計流程來說，根據以上得出的結論，利用疊加分析法來對其進行設計分析，在設計的過程當中，需要注意的是根據實際情況制定出合理的隔震目標和減震目標。在分析的過程當中，需要對隔震與減震作用考慮，同時還需要按照反應譜初步設計，對于減隔震的組合體系設計來說，需要進行隔震層的設計，還需要對上部結構減震體系進行科學設計。利用疊加分析法的過程當中，還需要對時程進行分析，保證減震系數計算之后驗算其隔震效率的達標狀態。對上部的減震結構進行時程分析的過程當中，可以進行輸入減震系數來計算出其地震波的加速度峰值，從而保證上部減震效率達到預期目標的狀態。在驗算減隔震組合結構過程當中，需要實現對罕遇地震下的性能進行最大限度的分析，其中需要考慮到隔震層極限變形、隔震支座短期面壓等多個方面的因素影響。如果對上部結構進行重新驗算，則需要實現隔震層連接構件、下部結構以及地基基礎這幾部分的設計。利用疊加分析法來進行分析的過程中，需要根據其建筑結構的整體來實現對其整體減震效率進行復核、驗算，保證結構的安全性和穩定性的全面分析。

4 結束語

綜上所述，對于高烈度的抗震設防區建筑來說，需要借助于隔振和上部結構粘滯阻尼支撐的減隔震組合技術來實現有效抗震。此種類型的減隔震組合對于上部結構的抗振作用可以起到有效的減少，與此同時上部結構可以保持基本的彈性，使得結構抗震性能得到有效提升。在對于此類的減隔震組合結構當中，需要使用疊加分析的方式，疊加分析方式可以適用于減隔震組合結構的設計部分。對于設計來說，需要根據其整體的分析來實現對減震效率的復核檢驗。在這個過程當中，也可以借助于疊加分析方式來對新型的減隔震組合提供設計依據，以此來增加減隔震組合的功能。