標準化規(guī)范背景下建筑設(shè)計剪力墻結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計對比研究

李 斌

（甘肅省建筑科學研究院（集團）有限公司，甘肅 蘭州 730070）

剪力墻隔震設(shè)計工作的開展中，需要針對性地設(shè)置隔震層結(jié)構(gòu)，并且結(jié)合具體的隔震長度要求采取針對性的措施進行隔震結(jié)構(gòu)的模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)計算，以便結(jié)合不同的抗震要求對隔震設(shè)計的效果以及隔震結(jié)構(gòu)進行分析，研究最終對比分析隔震設(shè)計背景下，地震響應參照因素的變化情況。

1 專業(yè)設(shè)計規(guī)范的設(shè)計方法介紹

1.1 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的設(shè)計方法簡介

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）中對建筑隔震和消能減震設(shè)計做出了非常明確的要求。這標志著隔震技術(shù)開始逐步推廣應用，在相關(guān)的基礎(chǔ)規(guī)范中，將隔震技術(shù)的適用抗震度進行了明確規(guī)定，指出隔震技術(shù)適應于8度到9度的地震。并且要求結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則，自振周期小于1s。計算時，將X與Y向采用底部剪力法進行數(shù)據(jù)計算。此規(guī)范的設(shè)計方法主要以分部設(shè)計法為典型代表。分部設(shè)計方法主要是指在隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，需要設(shè)置典型的非比例阻尼系統(tǒng)。因此，與常規(guī)的抗震設(shè)計相比存在一定的差異，在具體的設(shè)計工作開展中，需要對減震技術(shù)指標震后結(jié)構(gòu)水平狀態(tài)進行針對性的把握。關(guān)于隔震設(shè)計的核心數(shù)據(jù)指標，主要是指隔震前水平地震最大響應系數(shù)αmax。隨后，再應用反應譜分析的方法，對配筋設(shè)計的方式進行針對性分析，評估建筑是否能夠達到相應的抗震等級層次要求。隔震后水平地震影響系數(shù)的最大值計算方法如下。

在此公式中，αmax1代表隔震后水平地震影響系數(shù)的最大值。

β代表水平方向的減震系數(shù)。

αmax代表非隔震下的水平結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)最大值。

Ψ代表調(diào)整系數(shù)指標。

1.2 《建筑隔震技術(shù)標準》設(shè)計方法簡介

《建筑隔震設(shè)計標準》將應用隔震和減震的領(lǐng)域進行了規(guī)范。其中，新建公共建筑、存量公共建筑、裝配式建筑、農(nóng)村住房以及老舊房屋改造的過程中，都適用這一標準。基本設(shè)防目標為：當遭受相當于本地區(qū)的基本烈度的設(shè)防地震時，建筑主體結(jié)構(gòu)基本不受損壞或不需要修理可繼續(xù)使用。當遇到罕遇地震時，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生損壞，但要求修復后可繼續(xù)使用。在文章探討的設(shè)計實踐中，主要以直接設(shè)計法為典型代表，在隔震層的設(shè)計過程中等效剛度數(shù)值是隔震設(shè)計中需要關(guān)注的重點指標，結(jié)合實際的工程案例進行地震作用下隔震層的針對性設(shè)計時，通常剪切變形位移不能達到100%的狀態(tài)。因此，計算出等效高度與等效阻尼比的數(shù)據(jù)值的過程中準確性就會受到影響。因此，需要在設(shè)計的過程中先進行隔震層位移數(shù)值的假設(shè)，隨后再通過反復迭代的方式將位移指標作為抗震設(shè)計的參照指標，待位移不發(fā)生變動時，對等效高度等效阻尼的比值進行確認。在設(shè)計工作的開展中，還需要對隔震支座剪切變形的剛度指標進行針對性確認。并且要適當忽略隔震支座細微區(qū)別背景下產(chǎn)生的偏差性位移。在隔震結(jié)構(gòu)迭代計算的方式方法方面，可通過以下兩個公式計算得出等效剛度指標以及等效阻尼比指標。

此公式中，Keq代表隔震支座等效剛度指標。

K0代表鉛芯橡膠隔震支座的屈服前剛度指標。

Ky代表鉛芯橡膠隔震支座的屈服后剛度指標。

D代表隔離層的位移指標。

Dy代表鉛芯橡膠隔震支座的屈服位移指標。

2 剪力墻隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計對比分析

2.1 隔震層設(shè)計分析

隔震層在剪力墻結(jié)構(gòu)中與平面尺寸指標有非常緊密的關(guān)系。在確定平面尺寸后，可有效減低設(shè)計荷載的變化。同時，也能減低抗規(guī)和隔離設(shè)計結(jié)構(gòu)對設(shè)計效果的影響。因此，在隔震設(shè)計方案的選擇和支座號的選擇上也保持一致性，在隔震層的裝置選擇方面，常規(guī)情況下會選用普通的橡膠支座和鉛芯橡膠支座兩種類型。其中鉛芯橡膠支座是在常規(guī)橡膠支座內(nèi)部放入鉛芯，結(jié)構(gòu)就是橡膠支座，形成阻尼效應，達到提供風荷載的目標。能夠確保在地震發(fā)生時，裝置的水平抗力和彈性恢復力保持穩(wěn)定。在布置隔震支座時，需要把握以下幾個原則。一是橡膠制作的承受力，在豎向角度上應當盡可能保持在均勻狀態(tài)。二是要保證長期面壓指標處在規(guī)范要求的標準范圍內(nèi)。三是針對隔震層的偏心率進行有效的計算，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，隔震層的偏心率指標不得大于3%，超過此規(guī)范要求會導致上層結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變化，對抗震效果產(chǎn)生不利影響。具體來說，偏心率計算公式需要依據(jù)重心和剛性兩方面?zhèn)戎攸c進行數(shù)據(jù)計算，具體計算公式如下。

②剛心計算公式：

在此公式中，為隔震位移達到既定數(shù)值時對應的等效剛度指標。

2.2 地震波選取設(shè)計分析

地震波的選取需要通過彈性時成指標的分析作為參照，選取地震波時應當將人工波和天然波相結(jié)合進行混合，選取地震波形與地震加速反應譜，結(jié)合規(guī)范設(shè)計譜進行對比，通過對比觀察可知地震波與規(guī)范譜在統(tǒng)計意義上具有較高的符合性，可滿足隔震前后周期點位上單條地震波的反應譜與規(guī)范譜的誤差要求。同時，平均地震波反應譜與規(guī)范譜的誤差也符合預期的要求。

在地震波選取完成后，可進入防烈度地震下彈性驗算環(huán)節(jié)。此驗算環(huán)節(jié)包括水平方向的減震系數(shù)驗算以及層間位移角驗算。

3 設(shè)計控制因素與地震響應對比分析

3.1 減震系數(shù)的對比分析

在抗規(guī)的相關(guān)規(guī)定中，將水平方向的減震系數(shù)作為抗規(guī)中衡量減震效果的主要指標。規(guī)范中明確提出了基底剪力比的概念。但在隔震設(shè)計中，兩項指標具有同等重要的地位，是隔震設(shè)計效果的典型反應指標。通過對比分析可知，隔規(guī)設(shè)計的結(jié)構(gòu)在X方向和Y方向上的基底剪力對比結(jié)果較之抗規(guī)設(shè)計的減震系數(shù)相對更大。增長比例分別達到了29%和23%，抗規(guī)減震系數(shù)確定為0.40。因此，在設(shè)計工作中要求在滿足抗規(guī)要求的基礎(chǔ)上，將減震系數(shù)控制在不大于0.4的狀態(tài)下，基于此實施降一度設(shè)計的模式。

3.2 層間位移角對比分析

層間位移角，主要反映隔震結(jié)構(gòu)的變形性能是觀察隔震結(jié)構(gòu)，變形性能的關(guān)鍵指標。通過對比觀察，可直觀地看出不同設(shè)計方法背景下抗震性能的典型差異。在對比觀察中，不同的地震強度也會基于不同的設(shè)計方法顯示出差異顯著的位移角狀態(tài)。

4 基于規(guī)范性要求的隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟性分析

4.1 隔震結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性宏觀分析

隔震結(jié)構(gòu)有非常顯著的實際特點，主要是指在建筑受到地震作用的破壞時，可大幅度降低其結(jié)構(gòu)破壞的程度。性能較好的隔震結(jié)構(gòu)還可保障建筑實體處在彈性狀態(tài)墻體與內(nèi)部裝飾物品，盡可能保持在輕微損壞或不發(fā)生損壞的狀態(tài)下，此種結(jié)構(gòu)設(shè)計在安全系數(shù)上，較之非隔震結(jié)構(gòu)有非常明顯的優(yōu)勢。另外，抗震力不足的建筑物在地震后有可能出現(xiàn)倒塌的風險，這會造成非常嚴重的經(jīng)濟損失和生命安全損失。在相關(guān)的研究數(shù)據(jù)中顯示，隔震技術(shù)對于減低建筑物的直接損失率具有非常顯著的促進作用。較之未設(shè)計隔振結(jié)構(gòu)的建筑，在損失率上高出30%。關(guān)于經(jīng)濟性分析的指標主要包括以下三個方面。①直接建設(shè)費用。②使用期間維護費用。③失效損失費用。在相關(guān)研究中顯示，隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計在實踐中顯示出隔震建筑較之非隔震建筑直接建設(shè)費會增加最大10%的幅度。同時，建筑高度也會影響到建設(shè)費用。通常情況下，當建筑高度小于25米時，直接建設(shè)費用中的隔震結(jié)構(gòu)比抗震結(jié)構(gòu)的費用會上漲5%左右。若建筑高度更進一步的提高到30米左右，兩種結(jié)構(gòu)的建設(shè)費用可保持持平狀態(tài)。而若建筑高度大于30米，隔震費用則會有所降低，降低幅度也維持在5%左右。關(guān)于維護費用和失效損失費用，主要是指當結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷需要維護時，通過維護費用的使用促使損傷結(jié)構(gòu)恢復到原始的使用功能和安全狀態(tài)下，這時會產(chǎn)生一部分補償費用。而失效損失費用則主要是指發(fā)生直接損失和間接損失后，費用也會隨時發(fā)生變化。損壞程度建筑結(jié)構(gòu)的原始類型以及維修方式都會影響到這部分費用的支出額度。而對于失效費用和損失費用的具體細分，又可結(jié)合結(jié)構(gòu)損失進行針對性的細分。例如，將其按照層間位移造成的損失費用進行細分，或者依據(jù)各樓層之間的慣性力對層間加速度的影響進行損失費用額度的分析。

4.2 材料用量的對比分析

原材料的用量對于經(jīng)濟支出額度會產(chǎn)生非常直接的影響，因此需結(jié)合不同原材料的用量進行設(shè)計維度的對比分析，以便確認材料用量，對經(jīng)濟成本的影響具體來說，材料用量對比可從以下幾方面進行觀察分析。

4.2.1 混凝土用量對比

其中混凝土用量的對比過程中，抗震結(jié)構(gòu)與基于標準化規(guī)范設(shè)計的隔震結(jié)構(gòu)，在混凝土用量上具有較為顯著的差異觀察，可知和正結(jié)構(gòu)的剪力墻混凝土用量較之抗震結(jié)構(gòu)的用量降低額度達到10%以上，而樓板與連梁銅的用量中隔震結(jié)構(gòu)的用量相對更低，最低可降低10%以上。且通過分析觀察可知格歸設(shè)計過程中，上部結(jié)構(gòu)的斷面相對會更小。因此，意味著混凝土用量會更進一步減少低于抗規(guī)設(shè)計方案的規(guī)范性要求。

4.2.2 鋼筋用量對比

鋼筋用量的對比中需對基礎(chǔ)的地震等級進行針對性的設(shè)置。在上面的分析中可知標準化規(guī)范背景下的減震系數(shù)指標需達到0.4的狀態(tài)。因此，可結(jié)合建筑上部結(jié)構(gòu)的實際情況，按照降一度的地震水平進行相應的鋼筋用量分析。為了針對性地把握配筋時的上部結(jié)構(gòu)基底剪力墻，以為進一步的鋼筋用量對比結(jié)果提供參照，需要針對配筋設(shè)計的基底剪力以及其增量指標進行分析。另外，鋼筋用量還與地震規(guī)模和強度的大小有直接關(guān)系。文章探討的隔震設(shè)計規(guī)則適用于降度后的中地震設(shè)計要求。

4.3 基于全壽命費用的隔震設(shè)計造價計算

全壽命費用造價計算需結(jié)合初始造價、維護費用和失效損失費用三方面指標進行針對性計算。具體計算公式如下：

在此公式中，C1代表初始造價。

CM代表維護費用。

CL代表失效費用。

5 結(jié)束語

通過分析可知，在抗震設(shè)計的過程中，隔震設(shè)計更加具有清晰性，且設(shè)計工作中有非常充足的數(shù)據(jù)參照的抗震設(shè)計模式。在相關(guān)的標準化規(guī)范設(shè)計要求背景下，抗震規(guī)范和構(gòu)建規(guī)范的提出是最終取得良好的抗震設(shè)計效果的重要條件。對于具體的抗震設(shè)計工作來講，也需要技術(shù)人員基于原材料的價格、抗震設(shè)計的效果等多方面因素進行綜合分析，基于剪力墻結(jié)構(gòu)篩選適當?shù)母粽鹪O(shè)計方案，促使隔震設(shè)計發(fā)揮出良好的地震防御作用。