高烈度地區重點設防類高層框架結構隔震設計

摘要：對位于高烈度地區且處于抗震不利地段（隱伏斷層）附近的重點設防類高層建筑，采取地下室頂板設置隔震層，延長隔震層以上結構的基本周期，減少輸入上部結構的水平地震作用，可以鋼筋混凝土框架結構體系實現該項目。選取合理的減震系數，在滿足規范要求的情況下降低隔震層以上結構的抗震措施，能夠突破規范對于高烈度地區框架結體系的適用限制，達到預期設防目標和防震要求。以下對某高烈度地區重點設防類高層框架結構設計中應用隔震技術進行分析探討，僅供參考，希望為高烈度地區高層框架結構的抗震設計提供指導和幫助。

關鍵詞：高烈度地區; 高層框架; 隔震技術

中國分類號：TU352.1A

［定稿日期］2023-02-18

［作者簡介］龐嘉（1983—），男，碩士，工程師，國家一級注冊結構工程師，長期從事建筑結構設計、建筑市場管理、村鎮建設研究等工作。

0 引言

常規建筑抗震設計思路立足于“抗”，即依靠建筑物自身的結構剛度和塑性變形能力，來硬抗地震作用。在高烈度地區為了保證地震作用下結構安全，常需要布置成“肥梁胖柱”且很難實現“強柱弱梁”的抗震目標，并且地震作用是慣性力，構件截面加大，使用的材料多增加，質量也增大，導致其所受地震作用也相應加。采用隔震方案減少上部結構的地震反映，同時提高結構抗震性能，在不增加剪力墻設置的情況下滿足建筑功能需求，降低建設項目的綜合造價。隔震技術有優越的抗震效果，已成為建筑領域應對高烈度地區項目非常成熟有效的抗震技術。由于每個地區不同的建設條件使得減隔震裝置研制、減隔震結構分析和設計方法、減隔震產品性能檢驗、結構模型振動臺試驗、減隔震檢測技術、減隔震施工技術均提出了更高、更實用的技術要求。

1 工程概況

本工程結構形式為鋼筋混凝土框架結構，建筑設防類別為重點設防，抗震設防烈度為8度，基本地震加速為0.2g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，建特征周期為0.35 s。建設場地緊鄰茂汶-汶川斷裂的隱伏斷層，場地覆蓋物厚度超過60 m，場地西側緊靠岷江，綜合判定本工程建設用地為建筑抗震不利地段。建筑平面呈矩形，結構高度27.60 m，長寬分別為36.40 m×21.40 m，層高均為3.90 m，各層平面樓板均無大開洞，結構三維模型詳見圖 1 。地震作用計算時尚需考慮考慮近場效應及不利地段的影響，水平地震影響系數最大值需乘1.5×1.1的增大系數，根據《中國地震動參數區劃圖》本工程水平地震影響系數最大值為：αmax=0.1667×1.5×1.1=0.275。結構方案設計時布置剪力墻后嚴重影響建筑功能，為此，該建筑上部采用框架結構體系，地下室頂板設置隔震層，在結構安全、經濟的情況下實現建筑功能。

2 隔震分析

2.1 隔震層模擬

本項目采用建筑結構分析軟件ETABS（V19.10）建立非隔震結構的三維有限元模型，計算結構的動力特性以及反應譜法的基底剪力，并與盈建科建筑結構設計軟件（V3.0.2）模型進行對比。2款軟件模型結構質量差值2%、周期差值0.47%、各層間剪力差值1.76%均較小，用于本工程隔震分析計算的ETABS有限元模型與盈建科模型是一致的，合理可靠。

布置隔震橡膠支座后，隔震與非隔震模型對應的主要周期比值在2.32～2.65之間，大大延長了結構自振周期。隔震支座在正常使用荷載下壓應力控制在5.20～9.31 MPa之間，能夠滿足規范對重點設防類建筑隔震支座壓應力的最大要求。

2.2 地震動選取

為選取與目標反應譜吻合的地震波，抗規和高規均對時程分析時所選的地震波在選波的數量、實際地震波和人工地震波的占比、地震影響系數曲線相符性、地震波的持續時間、地震波的時間間距、輸入地震加速度的最大值等均做了嚴格要求。本工程結合實際選取了5條強震記錄（以下簡稱SCB1—SCB5）和2條人工模擬加速度時程（以下簡稱REN1、REN2），各地震波名稱與時程信息見表 1，7條地震波的時程曲線如圖2 所示，所選的時程反應譜和規范反應譜曲線如圖3 所示，各條地震波基底剪力對比結果如表2 所示，非隔震結構和隔震結構主要周期點上對比情況見表3。

由圖3 可知，7條地震波時程平均反應譜與規范反應譜非常接近，各時程反應譜與規范反應譜也較接近。由表 2 可知，無論是非隔震結構還是隔震后的結構，在計算模型前三階振型主要周期點上，平均時程地震影響系數與規范地震影響系數差值均滿足規范要求。

建筑論壇與建筑設計龐嘉： 高烈度地區重點設防類高層框架結構隔震設計

2.3 設防地震（中震）分析

使用選擇的7條地震動時程，在該項目設防烈度下（輸入時程的加速度峰值為3.424 m/s2），對隔霹結構模型和非隔震結構模型進行非線性地震反應分析，層間剪力及層間傾覆力矩比值見表 4。

由上表分析得到隔震層以上結構隔震前后，結構層間剪力比值和層間傾覆力矩比值的平均值最大值為 0.324，根據GB 50011-2010建筑抗震設計規范（2016年版）（以下簡稱為《抗規》）第 12.2.5條，確定隔震后水平地震影響系數最大值αmax1=βαmax/ψ=0.324×0.166/0.85=0.0633（該工程中ψ取0.85，即采用的是A類產品），小于《抗規》表5.1.4-1表中規定的7度（0.10g）的水平地震影響系數最大值 0.08，滿足降低一度的隔震目標。

按照7度0.10g，取αmax1=0.08，考慮1.5近場系數、抗震不利地段 1.1，則 0.08×1.5×1.1=0.132，因此上部結構抗震作用計算所采用的水平地震作用影響系數最大值可取0.132，與抵抗豎向地震作用有關的抗震措施不降低。

2.4 罕遇地震（大震）分析

使用選擇的7條地震動時程，在罕遇地震下（輸入時程的加速度峰值為6.848 m/s2），對隔震結構進行非線性地震反應分析。在大震分析時，根據驗算的目的不同，選擇不同的荷載組合見表5。

隔震層最大水平位移 418 mm，小于0.55D（440 mm，D為最小隔震支座直徑，滿足規范要求。

隔震支座的瞬時壓應力最大值為 20.70 MPa，小于24 MPa。隔震支座的瞬時拉應力最大值為0.31 MPa，小于 1.0 MPa，滿足規范要求。

3 隔震層上部結構設計

3.1 地震動參數的選取

由于采用了隔震技術，上部結構的水平地震作用有所降。根據隔震分析結果，隔震后水平地震影響系數最大值αmax1=0.0633＜0.08。根據既定的隔震目標減震不超過一度，該項目按照 7 度 0.1g， 取αmax1＝0.08，考慮近場系數 1.5 和不利地段放大系數1.1，則 0.08×1.5×1.1=0.132，因此上部結構計算地震影響系數取0.132。

豎向地震作用仍按本地設防烈度8度（0.2g）計算，不降低。根據《抗震規》12.2.1 條規定：上部結構豎向地震作用標準值不應小于上部結構總重力荷載代表值的20%（8度0.2g）。因結構計算軟件的局限性，為滿足此項規定，對計算荷載組合中的豎向地震組合系數進行人為干預，豎向地震組合系數的推導：FEvk=1.5αvmax×Geq（αvmax=0.65αmax；Geq=0.75G）;EEvk=1.5×0.65×0.132×0.75×G=0.0965Glt;0.2G（G為重力荷載代表值）。則豎向地震作用分項系效Ev需乘0.2G/0.0965G=2.072的放大系數，計算取 2.08。

增加隔震橡膠支座后，結構平動周期延長至3.2 s，由于地震影響系數在長周期段下降較快，因此計算所得的水平地震作用下的結構效應可能過小。樓層最小地震剪力系數根據實際輸入水平地震影響系數內插求得樓層最小剪力系數λ=0.0264。

3.2 抗震措施

該項目為重點設防類建筑，若采用非隔震結構按9度采用抗震措施已經突破JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規程（以下簡稱《高規》）中A級高度的最大適用用高度，現采用隔震技術抗震措施降低一度后，可按8度采取抗震措施，結構方案可行。隔震后結構框架抗震等級為一級，控制軸壓比的抗震等級定義為特一級。

經過反復試算對比，優化布置與截面，隔震層以上各層主要框架柱截面分別采用 750 mm×750 mm、650 mm×650 mm，各層主要框架梁截面分別采用350 mm×700 mm、300 mm×800 mm，最終結構位移角控制在1/610，截面配筋率大多在經濟范圍內（在0.7%～1.9%之間），結構主要指標均滿足規范要求。

為了滿足隔震支座在地震作用下正常移動耗能，隔震結構的周邊設置豎向隔離縫，縫寬按罕遇地震作用下隔震支座最大水平位移的1.2倍計算，取750 mm。

3.3 非結構構件

圍護墻、填充隔墻、女兒墻等非承重墻體均與主體結構采取設置結構縫并填充柔性材料，在保證有效連接的情況下有足夠的變形能力，以適應主體結構各個方向的變形。

4 下支墩設計

在重力荷載代表值和設防地震作用或罕遇地震同時作用下，隔震支座及上下支墩連接受力簡圖如圖4所示。

P為上部結構傳遞來的豎向力，包含重力荷載代表值作用下支座的軸力與地震作用下支座軸力2部分，因此：P = PDL + PE。

M為上、下支墩所受彎矩，M由2部分組成，一部分是支座水平剪力引起的彎矩，另一部分是在P的作用下由于支座水平相對變形引起的彎矩，因此：M=（Vh+Pδ）/2，其中Vh/2部分由罕遇地震作用下柱底剪力和隔震支座實際高度計算得到，而Pδ/2部分則由罕遇地震作用下柱底軸力和支座最大位移計算得到。由于此模型是懸臂模型，上端沒有約束，所以上支墩彎矩小，根據隔震層的實際變形特點需考慮附加彎矩的影響。在計算時彎矩時在支座頂底結點上增加一個組合：M=PDLδmax+PEmaxδmax，其中δmax地震工況下支座上下結點的最大相對位移，PDL和PEmax分別為重力荷載代表值和地震作用下支座中的軸力。對這一工況進行整體分析后，將這組荷載下的結構構件內力與重力荷載和地震作用下的內力進行組合，再進行配筋設計。

5 結束語

（1）筆者認為采用隔震技術不僅能夠提高結構抗震性能，還能應用于某些突破了規范適用高度要求的特殊項目，通過合理控制減震系數降低抗震措施要求，能夠實現結構的安全性、適用性、經濟性的要求。

（2）隔震只能隔離水平地震作用，對于豎向地震的計算和措施不能降低，對于乙類建筑的抗震等級，可按《抗規》6.1.3條條文說明要求：對于房屋高度超過規范要求的最大適用高度上界時，抗震措施內力調整系數不再提高，抗震構造措施要求高于一級，可參考特一級執行。

（3）在隔震結構設計時，應考慮隔震支座的附加彎矩，當不具備直接分析條件時可采取在支座頂底結點上增加一個組合的方式，考慮其影響。

參考文獻

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