混凝土框架結構隔震設計分析

孟盛世（蘭州有色冶金設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隔震設計本質主要是通過在建筑物或其特定部分（如設備或機器）上設置隔震裝置，以減少地震或其他震動源對建筑物或其特定部分的影響，由實際工程建設經驗結果可知，建筑結構融入抗震結構后，在面對地震加速度時可使相應反映降低60%左右，由此對建筑隔震設計進行探究具有重要現實意義。本文研究中將首先對混凝土框架結構隔震設計情況進行概括分析，隨后結合實際案例，分析摩擦擺隔震支座在建筑中應用的實際成效。本文研究中主要通過實踐案例分析摩擦擺隔震支座在實際應用設計中的關鍵環節，如模型構建、平面布局設計等，隨后總結其具體應用成效，明確其是否具備推廣價值。

1 混凝土框架結構隔震設計分析

1.1 隔震方案設計

在混凝土框架結構隔震設計中，首先要根據建筑物的使用功能、結構類型、荷載大小等因素，確定隔震方案。常見的隔震方案包括基礎隔震、層間隔震和懸掛隔震等[1]。

1.2 結構模型建立

在隔震方案設計的基礎上，建立結構模型，對結構進行詳細分析和計算。結構模型應考慮建筑物的實際尺寸、荷載分布、邊界條件等因素，以確保計算結果的準確性[2]。

1.3 隔震材料選擇

根據隔震方案和結構模型，選擇合適的隔震材料。常見隔震材料包括橡膠隔震支座、彈簧隔震器、阻尼材料等。選擇隔震材料時，應考慮其力學性能、穩定性、耐久性等因素，以確保隔震效果和結構安全[3]。

2 工程案例概況

案例建筑設計防震標準為8度，基本地震動加速度為0.30g。根據設計要求，將場地分為第二組，場地類別為III類場地，場地土特征周期為0.55s?？紤]到工程的重要性，抗震設防類別為乙類，并且考慮地震動近場效應，地震動參數增大系數為1.25。通過多遇、設防和罕遇地震時程分析，確定加速度峰值分別為137.5gal、375gal和637.5gal。

案例工程共有五層，建筑高度為21.3m，建筑寬度為20m，結構高寬比為1.1。根據設計要求，結構變形為剪切變形，符合隔震設計規范要求。為滿足抗震和抗風等要求，需要合理布置隔震支座。隔震層使結構具備較大的豎向承載力、可變的水平剛度和水平彈性恢復力。

3 隔震模型設計

從工程建設實際角度分析，開展結構靜、動力分析過程中需要構建起可靠的分析模型作為基礎，其可對結構動力特性進行直觀、準確的反映，同時也可為結構彈性以及彈塑性階段動力響應分析提供必要支持[4]。案例工程開展中，基于ETABS 軟件構建出相應彈性以及非彈性隔震結構有限元模型。

3.1 構建隔震模型

隔震結構模型需要在非隔震結構模型基礎上進行構建。案例工程中隔震設計為基礎隔震工程，在構建相應模型過程中，技術人員決定增設隔震支座，并將相應參數輸入至模型中[5]。技術人員在設計中基于工程實際情況選擇摩擦擺隔震支座，其實際應用中可通過球形滑動表面運動使上部結構產生單擺運動，利用滑動表面曲率半徑調整方式對隔震系統周期及剛度進行控制，同時通過動摩擦系數對阻尼進行控制。摩擦擺隔震支座的特點主要包括：①具有隔震能力，效果類似于橡膠隔震支座；②具有穩定的滯回性能和優異的耐久性；③在溫度、長期載荷等影響因素下，具有較高可靠性；④能自行調整側向剛度和自行復位；⑤震動周期與結構所載質量無關。與其他隔震支座相比，摩擦擺隔震支座的優勢主要有：①豎向承載能力較高；②水平位移變形能力較大；③具有自動復位能力；④具有阻尼耗能能力。相關特點和優勢使得摩擦擺隔震支座在地震防護方面具有較好的效果。摩擦擺隔震支座如圖1所示。

圖1 摩擦擺隔震支座FPS構成示意圖

3.2 隔震支座平面布局設計

為達成提升建筑抗震性能目標，需要將摩擦擺隔震支座合理設置于隔震層部分中，提升隔震結構豎向承載力、可變水平剛度、水平彈性力等性能，同時充分滿足建筑設計中抗震、抗風等性能要求[6]。

案例工程設計中布局在隔震層部分設置有64個摩擦擺支座，摩擦材料選用PTFE 材料，各隔震支座長期面壓控制在25MPa 以下，摩擦擺隔震支座相關參數見表1、表2。

表1 摩擦擺隔震支座計算參數

表2 抗拉摩擦擺隔震支座計算參數

3.3 隔震層恢復力計算方式

由技術角度分析，摩擦擺支座直接構成隔震層水平恢復力，為切實保障隔震支座在經過多次地震作用影響后依然具備較強復位能力，在實際設計過程中需要計算得出隔震支座彈性水平恢復力，其主要由摩擦擺隔震支座組成，如圖2所示，具體計算公式如下：

圖2 結構恢復力曲線

式中F表示摩擦擺支座水平恢復力；R表示支座板圓弧面半徑；W表示摩擦擺支座豎向承載重量；D表示滑塊水平位移量；μ表示滑塊動摩擦系數。

4 地震波選取

根據《建筑抗震設計規范》中的規定，時程分析時需要選用實際強震記錄和人工模擬的地震加速度時程曲線，數量不小于總數的2/3。案例工程中，選擇5條天然波和2條人工波進行時程分析，并取三條時程法的包絡值作為最終計算結果。

案例工程的抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.30g。由于考慮到近場地震效應，隔震分析采用的設計基本地震加速度最大值為375cm/s2，罕遇地震下地震加速度最大值為637.5cm/s2。

由計算結果可知，每組時程曲線計算得到的底部剪力都超過反應譜計算結果的65%以上，而且7組時程曲線計算所得結構底部地震剪力的平均值大于反應譜法計算結果的80%。此外，每組時程結果都不超過反應譜結果的135%，7 組時程平均結果也不超過反應譜結果的120%，此結果充分滿足相關規范要求。最終時程分析計算值采用7 組時程曲線作用下的最大地震響應值，表3 和表4 分別展示非隔震結構在8 度（0.3g）多遇地震下基底剪力的時程分析和反應譜分析結果。

表3 多遇地震下結構基底剪力時程分析結果/kN

表4 多遇地震下結構基底剪力反應譜分析結果/kN

由表中數據分析得出，非隔震結構在時程分析下的基底剪力滿足規范中對地震波的要求，由此所選取7條地震波可用于對隔震效果進行分析。

5 混凝土框架結構抗震設計成效分析

5.1 隔震結構及非隔震結構周期變化

通過對非隔震結構以及隔震結構前6 階周期變化情況進行計算分析后可得出如表5所示結果。

表5 非隔震結構以及隔震結構前6階周期/s

由表5數據可知，隔震體系結構較原結構有明顯提升，基本周期由0.93s提升至2.13s。

5.2 中震下結構減震系數及結構位移情況

由實際計算結果可知，在隔震結構抗震響應中，當地震烈度在設防標準8度（0.3g）條件下，結構中X向以及Y 向地震剪力平均值分別為非隔震結構的0.318 倍以及0.310倍，此結果充分說明案例工程中所設計隔震結構具備良好成效，結構減震系數可達到0.318。此外，由計算結果可知，在中震條件下，隔震結構層間位移角為1/429，其彈性基本得以保持，安全儲備相對較強。

5.3 大震條件下結構位移情況

在罕震條件下對隔震層位移情況進行計算分析后可得出如表6所示結果。

表6 罕震條件下隔震層位移

由表6數據可知，在罕震條件下隔震層最大平均水平位移幅度為229.1mm，完全滿足《建筑抗震設計規范》中標準要求。同時，由實際計算可得出，罕震條件下隔震結構最大層間位移角為1/208，同樣滿足規范中標準要求，安全儲備量充足。

6 結語

綜上所述，隔震設計在混凝土框架結構中具有重要作用，本文研究所選取案例中隔震結構設計取得較好成效，可以為其他同類工程提供相應參考。摩擦擺隔震支座的應用價值主要體現在以下幾個方面：①操作簡單，施工便捷，且不影響建筑原有功能；②所需維護成本較低，使用壽命長，可以持久地保護建筑物安全；③適應各種建筑結構，能夠節省材料成本；④在震后經濟恢復過程中，摩擦擺隔震支座作為一種具有巨大潛力的減震技術，將會在重建工作中扮演重要角色。此外，為解決建筑摩擦擺主要瓶頸問題，相關產品如建筑抗拉摩擦擺隔震支座已被研發出并得到廣泛應用。該支座為摩擦擺支座提供抗拉性能，有助于克服現有技術不足?？偟膩碚f，摩擦擺隔震支座具有巨大的應用價值和潛力，可以在各種建筑結構中發揮重要作用，提高建筑抗震性能，保護人民生命財產安全。