標準化規范背景下建筑設計剪力墻結構隔震設計對比研究

李 斌

（甘肅省建筑科學研究院（集團）有限公司，甘肅 蘭州 730070）

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

1 專業設計規范的設計方法介紹

1.1 《建筑抗震設計規范》的設計方法簡介

《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）中對建筑隔震和消能減震設計做出了非常明確的要求。這標志著隔震技術開始逐步推廣應用，在相關的基礎規范中，將隔震技術的適用抗震度進行了明確規定，指出隔震技術適應于8度到9度的地震。并且要求結構形狀規則，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據計算。此規范的設計方法主要以分部設計法為典型代表。分部設計方法主要是指在隔震結構的設計中，需要設置典型的非比例阻尼系統。因此，與常規的抗震設計相比存在一定的差異，在具體的設計工作開展中，需要對減震技術指標震后結構水平狀態進行針對性的把握。關于隔震設計的核心數據指標，主要是指隔震前水平地震最大響應系數αmax。隨后，再應用反應譜分析的方法，對配筋設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的最大值。

β代表水平方向的減震系數。

αmax代表非隔震下的水平結構地震影響系數最大值。

Ψ代表調整系數指標。

1.2 《建筑隔震技術標準》設計方法簡介

《建筑隔震設計標準》將應用隔震和減震的領域進行了規范。其中，新建公共建筑、存量公共建筑、裝配式建筑、農村住房以及老舊房屋改造的過程中，都適用這一標準。基本設防目標為：當遭受相當于本地區的基本烈度的設防地震時，建筑主體結構基本不受損壞或不需要修理可繼續使用。當遇到罕遇地震時，結構可能發生損壞，但要求修復后可繼續使用。在文章探討的設計實踐中，主要以直接設計法為典型代表，在隔震層的設計過程中等效剛度數值是隔震設計中需要關注的重點指標，結合實際的工程案例進行地震作用下隔震層的針對性設計時，通常剪切變形位移不能達到100%的狀態。因此，計算出等效高度與等效阻尼比的數據值的過程中準確性就會受到影響。因此，需要在設計的過程中先進行隔震層位移數值的假設，隨后再通過反復迭代的方式將位移指標作為抗震設計的參照指標，待位移不發生變動時，對等效高度等效阻尼的比值進行確認。在設計工作的開展中，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別背景下產生的偏差性位移。在隔震結構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 剪力墻隔震結構設計對比分析

2.1 隔震層設計分析

隔震層在剪力墻結構中與平面尺寸指標有非常緊密的關系。在確定平面尺寸后，可有效減低設計荷載的變化。同時，也能減低抗規和隔離設計結構對設計效果的影響。因此，在隔震設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橡膠支座內部放入鉛芯，結構就是橡膠支座，形成阻尼效應，達到提供風荷載的目標。能夠確保在地震發生時，裝置的水平抗力和彈性恢復力保持穩定。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。二是要保證長期面壓指標處在規范要求的標準范圍內。三是針對隔震層的偏心率進行有效的計算，根據相關規范要求，隔震層的偏心率指標不得大于3%，超過此規范要求會導致上層結構發生扭轉變化，對抗震效果產生不利影響。具體來說，偏心率計算公式需要依據重心和剛性兩方面側重點進行數據計算，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值時對應的等效剛度指標。

2.2 地震波選取設計分析

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合進行混合，選取地震波形與地震加速反應譜，結合規范設計譜進行對比，通過對比觀察可知地震波與規范譜在統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范譜的誤差要求。同時，平均地震波反應譜與規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節。此驗算環節包括水平方向的減震系數驗算以及層間位移角驗算。

3 設計控制因素與地震響應對比分析

3.1 減震系數的對比分析

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

3.2 層間位移角對比分析

層間位移角，主要反映隔震結構的變形性能是觀察隔震結構，變形性能的關鍵指標。通過對比觀察，可直觀地看出不同設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計方法顯示出差異顯著的位移角狀態。

4 基于規范性要求的隔震結構設計經濟性分析

4.1 隔震結構經濟性宏觀分析

隔震結構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，可大幅度降低其結構破壞的程度。性能較好的隔震結構還可保障建筑實體處在彈性狀態墻體與內部裝飾物品，盡可能保持在輕微損壞或不發生損壞的狀態下，此種結構設計在安全系數上，較之非隔震結構有非常明顯的優勢。另外，抗震力不足的建筑物在地震后有可能出現倒塌的風險，這會造成非常嚴重的經濟損失和生命安全損失。在相關的研究數據中顯示，隔震技術對于減低建筑物的直接損失率具有非常顯著的促進作用。較之未設計隔振結構的建筑，在損失率上高出30%。關于經濟性分析的指標主要包括以下三個方面。①直接建設費用。②使用期間維護費用。③失效損失費用。在相關研究中顯示，隔震結構設計在實踐中顯示出隔震建筑較之非隔震建筑直接建設費會增加最大10%的幅度。同時，建筑高度也會影響到建設費用。通常情況下，當建筑高度小于25米時，直接建設費用中的隔震結構比抗震結構的費用會上漲5%左右。若建筑高度更進一步的提高到30米左右，兩種結構的建設費用可保持持平狀態。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。關于維護費用和失效損失費用，主要是指當結構發生損傷需要維護時，通過維護費用的使用促使損傷結構恢復到原始的使用功能和安全狀態下，這時會產生一部分補償費用。而失效損失費用則主要是指發生直接損失和間接損失后，費用也會隨時發生變化。損壞程度建筑結構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，又可結合結構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濟支出額度會產生非常直接的影響，因此需結合不同原材料的用量進行設計維度的對比分析，以便確認材料用量，對經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，抗震結構與基于標準化規范設計的隔震結構，在混凝土用量上具有較為顯著的差異觀察，可知和正結構的剪力墻混凝土用量較之抗震結構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構的用量相對更低，最低可降低10%以上。且通過分析觀察可知格歸設計過程中，上部結構的斷面相對會更小。因此，意味著混凝土用量會更進一步減少低于抗規設計方案的規范性要求。

4.2.2 鋼筋用量對比

鋼筋用量的對比中需對基礎的地震等級進行針對性的設置。在上面的分析中可知標準化規范背景下的減震系數指標需達到0.4的狀態。因此，可結合建筑上部結構的實際情況，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構基底剪力墻，以為進一步的鋼筋用量對比結果提供參照，需要針對配筋設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模和強度的大小有直接關系。文章探討的隔震設計規則適用于降度后的中地震設計要求。

4.3 基于全壽命費用的隔震設計造價計算

全壽命費用造價計算需結合初始造價、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 結束語

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