某框架結構的隔震與非隔震結構方案研究★

張宗義，鈕祥軍，2

(1.新疆大學建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047； 2.新疆建筑設計研究院，新疆 烏魯木齊 830047)

隨著隔震技術誕生以來，隔震設計經歷了飛速發展。特別是吸取了幾次大型地震的慘痛教訓后，各國都在大力推進隔震設計，我國更是在汶川地震后，積極推廣鼓勵隔震技術在建筑工程領域的運用。隨著國務院常務會議通過《建設工程抗震管理條例》，標志著國內隔震行業在國家政策層面正式由鼓勵向強制性轉變。隔震設計將是未來的主流抗震設計方法之一。

對比傳統抗震設計，隔震設計具有隔震有效性強，技術經濟效果強的優點。GB 50011―2010建筑抗震設計規范[1]中的隔震設計方法是目前隔震建筑設計的主要依據。近年來，隨著大量隔震工程的經驗積累以及大量學者的相關理論研究，隔震技術已經逐漸成熟，隔震設計方法也跟著逐步的發展與完善，然后形成了《建筑隔震設計標準》[2]。

不少學者與專家做了對于傳統抗震設計方法和兩種規范隔震設計方法的對比[3]，但是用實際工程作比較分析的研究還比較少。本文以一個實際工程案例為背景，對比分析了基于兩種規范設計與傳統抗震設計的結構的地震響應的異同。以材料用量作為評價標準，量化分析了基于兩種規范設計與傳統抗震設計的結構的經濟性。

1 結構體系

1.1 案例概況

本工程位于新疆自治區烏魯木齊市。地上5層，建筑結構主體高度21.3 m，寬21.2 m，高寬比1.0。隔震支座設置在基礎頂，上部結構采用現澆框架結構，基礎采用獨立基礎形式。結構設計年限為50 a。主要設計依據：

1)抗震設防烈度8度，設計基本加速度峰值為0.2g。2)設計地震分組為第二組，Ⅱ類場地無液化，場地特征周期0.4 s。3)基本風壓按50 a一遇采用，取0.6 kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

1.2 對比分析原則

與抗規的設計方法相比，隔標的設計方法做了較大的改動。例如反應譜的改變，對于降一度設計標準的改變，更嚴格的層間位移角限制，整體設計方法代替了分步設計方法以及在計算方法中引進了復振型分解法等。

為了盡可能的做到保證三種設計方法的對比，本文基于以下幾點的原則進行設計分析[4]：

1)為了保證計算過程的準確性，三種方案的中震和大震設計都采用時程分析法進行驗算。2)為了符合各設計方法的原則和對比原則，傳統抗震設計增加了中震下的時程分析，《建筑隔震設計標準》不做小震分析。3)基于《建筑抗震設計規范》和《建筑隔震設計標準》的方案都要滿足降低一度的標準。控制基于抗規方案的減震系數小于0.4，基于隔標方案的底部剪力比小于0.5。4)隔震支座在大震下的驗算采用隔標推薦的組合值進行分析。

1.3 模型分析

采用YJK軟件分別對傳統抗震設計和基于抗規和隔標設計建立了兩個模型(見圖1)，隔震支座布置圖見圖2。

2 合理性檢驗

本文采用了建模軟件YJK進行小震分析及配筋設計，采用有限元軟件SAUSAGE進行時程分析。兩款軟件的質量與周期對比見表1，表2。

表1 非隔震結構質量對比

表2 非隔震結構周期對比

不同軟件周期對比時會不考慮鋼筋質量以及邊梁放大問題，結構隔震前后周期對比采用的是軟件SAUSAGE的邏輯，所以會有些許不同(見表3，表4)。

表3 隔震支座參數

表4 結構隔震前后周期對比

為了直觀的表示出這三種設計方法上部結構的不同，現將這三種設計方法的構件尺寸整理起來，見表5。

表5 構件尺寸

2.1 地震波選取

本文按照抗規的要求選取了7條波(5條天然波，2條人工波)(見圖3)。取時程分析結果的平均值進行對比。

2.2 水平減震系數

水平向減震系數是抗規中隔震設計判斷上部結構是否能降度設計的重要指數。抗規規定，水平向減震系數低于0.4時(設置阻尼器時為0.38)，上部結構可降1度進行設計。

在設防地震作用下，隔震結構與非隔震結構彈性計算所得層間剪力之比見表6。故此，結構的水平向減震系數可取0.38，表明隔震效果良好。根據抗震規范，本工程抗震構造措施可按降低1度考慮。即按7度(0.1g)設防考慮，框架抗震等級為1級。

表6 水平減震系數

2.3 底部剪力比

底部剪力比是隔標中引入的判定上部結構是否能采用降度設計的一個重要指數。隔標中規定，當底部剪力比小于0.5時，上部結構可降1度進行結構設計。

在設防地震作用下，隔震結構與非隔震結構彈性計算所得底部剪力之比見表6。故此，結構的底部剪力比值最大為0.41，表明隔震效果良好。根據隔標規定，本工程抗震構造措施可按降低1度考慮。即按7度(0.1g)設防考慮，框架抗震等級為1級。

3 時程分析

3.1 中震下結構動力特征

無論是抗規中的隔震設計方法還是隔標中的隔震設計方法，設防地震作用下的結構響應分析都是十分重要的。基于傳統抗震設計方法是不考慮設防地震下的分析，本文為了作對分析，也對傳統抗震案例做了中震下的時程分析。選取了層間位移角，層間剪力和傾覆力矩作為關鍵指標做對比分析，分析結果如表7所示。

表7 中震下結構動力響應的關鍵指標

由表7可以看出，在設防地震作用下，無論是基于抗規還是基于隔標的上部結構的層間位移角，層間剪力和傾覆力矩都遠小于傳統抗震結構的層間位移角，層間剪力和傾覆力矩。在上部結構第一層基于隔標的案例比抗規的案例基底剪力和傾覆力矩要大，但是隨著樓層數的增加，隔標的數據超過了抗規的數據。說明雖然采用隔標設計的上部結構比采用抗規設計的上部結構降低了地震作用，這是由于隔標中反應譜采用三段式，取消了抗規中的直線下降段，使得地震作用下降明顯。但是層間位移角方面，隔標顯然要比抗規的大，這說明上部結構的剛度下降程度要大于地震力的下降程度。

3.2 大震下結構動力特征

當結構受到罕遇地震作用時，結構一般會進入彈塑性狀態。因此，本文將這三種設計方法的結構案例進行了罕遇地震作用下的彈塑性時程分析。為了比較分析這三種設計方法的不同，采用和中震作用下一樣的層間位移角，層間剪力和傾覆力矩這三個關鍵指標進行對比分析且地震波選取也相同(見表8)。

表8 大震下結構動力響應的關鍵指標

由表8可以看出隔震結構在罕遇地震作用下的層間位移角相比于傳統的抗震結構減小不是很明顯，這說明上部結構已經出現了損傷，部分構件已經進入了塑性狀態。因此結構的剛度退化明顯，層間位移角因此增大。但是層間剪力和傾覆力矩的減小還是很明顯的，進一步說明了隔震結構對于上部結構的地震作用具有很好的削弱作用。

4 經濟性分析

由于基于抗規和隔標設計的模型構件尺寸是相同截面的。因此混凝土用量也是基本一致的，區別在于鋼筋的用量。所以本文只從鋼筋用量考慮經濟性，混凝土用量只供大家參考。從前文的分析來看，基于隔標設計的上部結構受到的地震作用會小一些，因此設計時可考慮更小截面，相應的混凝土用量也會減小。由于篇幅有限，本文不再做進一步分析。

4.1 上部結構混凝土用量

隔震設計方案和傳統設計方案的主體結構混凝土用量見表9。可以看出隔震結構的混凝土用量明顯小于傳統抗震設計結構的混凝土用量。

表9 混凝土用量 m3

4.2 上部結構鋼筋用量

三種設計方案的上部結構鋼筋用量見表10。

表10 鋼筋用量

可以看出，非隔震結構的鋼筋用量明顯高于隔震結構的鋼筋用量。基于隔標設計的上部結構的鋼筋用量低于基于抗規設計的上部結構的鋼筋用量。這是由于反應譜的不同造成計算時所承受的地震力不同，隔標的反應譜下降更快，因此地震力偏小。

5 結論與展望

本文以一個實際工程案例為背景，對比分析了基于兩種規范設計與傳統抗震設計的結構的地震作用和經濟性的差異。研究結論如下：1)由于隔標反應譜的改變，下降段不采用抗規的兩段式，直接變成了一段直接下降，這就導致了基于隔標設計的上部結構地震力變小。2)隔標采用直接分析法，因此把抗規的水平向減震系數改成了底部剪力比。本質上沒什么區別，但是隔標有所放寬。3)隔震結構的混凝土用量和鋼筋用量都比傳統抗震結構有所減少。基于隔標設計的上部結構鋼筋用量小于基于抗規設計的上部結構的鋼筋用量，但是隨著樓層增高，鋼筋用量逐漸持平。4)由于隔標反應譜的改變，基于隔標設計的上部結構受到的地震力減小，因此基于隔標的能否采用更小的截面設計還有待進一步研究。5)隔標中還引入了極罕遇地震的概念，還需進一步研究。