談建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)中應(yīng)重視的內(nèi)容

陰 毅

(山西省第二建筑設(shè)計(jì)院，山西 長(zhǎng)治 046000)

談建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)中應(yīng)重視的內(nèi)容

陰 毅

(山西省第二建筑設(shè)計(jì)院，山西 長(zhǎng)治 046000)

從性能化設(shè)計(jì)思想、地震波的選取、隔震層參數(shù)設(shè)計(jì)、下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、地基基礎(chǔ)等幾個(gè)方面出發(fā)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)中應(yīng)重視的內(nèi)容進(jìn)行了探討，提出了在滿足國(guó)家規(guī)范和規(guī)程的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)的方法，使隔震技術(shù)設(shè)計(jì)水平得到進(jìn)一步的提升。

隔震設(shè)計(jì)，地震波，參數(shù)，彈塑性分析

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，在工程設(shè)計(jì)中貫徹執(zhí)行國(guó)家抗震法律及規(guī)范，增加民用建筑的抗震能力和抗震性能，使其在地震時(shí)和地震后能基本保持預(yù)定的使用功能從而最大程度降低地震對(duì)生命財(cái)產(chǎn)的危害影響是每個(gè)工程設(shè)計(jì)人員所肩負(fù)的職責(zé)。結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)以其優(yōu)良的減震效果、安全性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性，在建筑工程中應(yīng)用日趨增多。為響應(yīng)貫徹國(guó)家“建質(zhì)[2014]25號(hào)”和“晉建質(zhì)字[2014]115號(hào)”文件并使該設(shè)計(jì)方法更加有效發(fā)揮其優(yōu)良的抗震性能，筆者認(rèn)為有以下幾點(diǎn)內(nèi)容在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)重視。

2 應(yīng)重視的設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 性能化設(shè)計(jì)思想

隔震設(shè)計(jì)從某種方面上講就是性能化設(shè)計(jì)思想的體現(xiàn)，而確定性能化設(shè)計(jì)的目的在于明確整體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)和各分部構(gòu)件的性能水準(zhǔn)，使抗震設(shè)防目標(biāo)更加細(xì)化并充分考慮結(jié)構(gòu)用途、業(yè)主和使用者的特定性要求，在設(shè)計(jì)時(shí)做到有的放矢，使隔震建筑能在完成預(yù)定功能過程中達(dá)到安全性和經(jīng)濟(jì)性的最佳平衡點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)整體性能目標(biāo)可參考表1。

表1 結(jié)構(gòu)整體性能目標(biāo)參考表

大震下應(yīng)控制位移角，其目的在于：1)使大震下有較高的抗震安全性建筑及重要和避險(xiǎn)等地震中不能中斷使用功能的建筑達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求；2)出于經(jīng)濟(jì)性考慮，如果大震下不控制合理的結(jié)構(gòu)變形，則可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞而需大修，則總體造價(jià)會(huì)增加，這與設(shè)置隔震層的初衷相背離；3)上部結(jié)構(gòu)抗震措施降低使延性降低，可能導(dǎo)致大震下完成預(yù)定功能概率降低。

大震下樓層彈塑性位移角的確定：可按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄M.1.3根據(jù)不同破壞狀態(tài)確定，或參照《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則》第11.1.5和6.6.8條按不同類別使用功能建筑綜合考慮確定。

2.2 適用范圍

規(guī)范規(guī)定的建筑隔震設(shè)計(jì)僅限于橡膠隔震支座(包括天然橡膠支座和鉛芯橡膠支座)。當(dāng)采用其他類型隔震器如高阻尼橡膠隔震支座、滑板隔震支座，應(yīng)進(jìn)行專門研究。

不隔震時(shí)基本周期小于1.0 s的建筑結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)效果最佳；但超過1 s的結(jié)構(gòu)有可能同樣有效，故規(guī)范對(duì)周期要求放寬。

根據(jù)橡膠隔震支座水平抗拉屈服強(qiáng)度低的特點(diǎn)，需限制非地震作用的水平荷載。風(fēng)荷載及其他非地震作用水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的總水平力不宜大于結(jié)構(gòu)總重力的10%。

對(duì)高寬比大的結(jié)構(gòu)，需進(jìn)行整體傾覆驗(yàn)算，防止支座壓屈或出現(xiàn)拉應(yīng)力超過規(guī)范規(guī)定。

在Ⅳ類場(chǎng)地建造隔震房屋時(shí)，應(yīng)進(jìn)行專門研究和專項(xiàng)審查。

一般情況下隔震層的位置位于第一層以下。當(dāng)位于第一層及以上時(shí)，隔震體系的特點(diǎn)與普通隔震結(jié)構(gòu)可有較大差異，隔震層以下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算也更復(fù)雜，應(yīng)進(jìn)行專門詳細(xì)的研究。

隔震支座只具有隔離水平地震的功能，對(duì)豎向地震沒有隔震效果，隔震后結(jié)構(gòu)的豎向地震力可能大于水平地震力，應(yīng)予以重視并做相應(yīng)的驗(yàn)算，采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

2.3 地震波的選取

反應(yīng)譜是一定地震反應(yīng)的概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果包絡(luò)曲線，本質(zhì)是輸出譜；地震波經(jīng)傅立葉變換得到的頻譜曲線雖然與規(guī)范反應(yīng)譜曲線有一定的相似性，但二者本質(zhì)不同，本質(zhì)是輸入譜。地震波的離散性很大，每條波都是離散的單一樣本，相近地震動(dòng)參數(shù)(卓越周期、場(chǎng)地類別、加速度峰值和持續(xù)時(shí)間)的地震波時(shí)程反應(yīng)結(jié)果往往相差很大，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能多地搜集地震波樣本，在其中應(yīng)仔細(xì)甄別。

波形選取原則應(yīng)遵照規(guī)范的要求綜合考慮(選取原則參見規(guī)范GB 50011—2010第5．1．2條、CECS 160∶2004第11.2.3條和CECS 126∶2001第4.2.10條)。在此原則上為取得最不利效果，建議采取以下方法：1)初步設(shè)計(jì)完成后對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，找出對(duì)應(yīng)于隔震層的周期和上部結(jié)構(gòu)的周期，其中以隔震層為主要變形的記為第一模態(tài)，以上部結(jié)構(gòu)為主要變形的記為第二模態(tài)，以隔震層扭轉(zhuǎn)為主要變形的記為第三模態(tài)；2)考察并選取用于分析的地震波卓越周期宜分別與以上三種模態(tài)盡量接近。如果波形資料充足，應(yīng)盡可能多的選取多波形分析并不少于七組取其分析的平均值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.4 隔震層參數(shù)的設(shè)計(jì)及分析方法

大震下隔震層的良好柔度和耗能能力阻隔了大部分地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，如果隔震層失效則整體結(jié)構(gòu)失去抵抗地震作用的屏障，本質(zhì)上是單一抗震防線結(jié)構(gòu)體系，因此隔震層的設(shè)計(jì)是整個(gè)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，應(yīng)遵循“大震不壞”的設(shè)計(jì)原則。

隔震層包括隔震支座、阻尼裝置、抗風(fēng)裝置和限位裝置，阻尼裝置和抗風(fēng)裝置可與隔震支座合為一體也可單獨(dú)設(shè)置。

隔震層布置宜遵循規(guī)范CECS 126∶2001第4.3.1條規(guī)定。

隔震層設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)滿足：豎向承載力、必要的水平剛度、設(shè)防烈度下的水平恢復(fù)力和阻尼以及罕遇地震下水平位移和穩(wěn)定性要求(保證在地震中保持穩(wěn)定，不宜出現(xiàn)不可恢復(fù)的變形)，應(yīng)控制橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時(shí)作用下，拉應(yīng)力不應(yīng)大于規(guī)范限值。

隔震層應(yīng)滿足必要構(gòu)造措施。

分析方法，一般情況下，宜采用時(shí)程分析法進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)為砌體房屋或周期與砌體房屋相當(dāng)且滿足規(guī)范CECS 126∶2001第4.1.1條時(shí)可采用等效側(cè)力法。時(shí)程分析法所采用的恢復(fù)力模型可按表2確定，采用普通疊層橡膠支座時(shí)還應(yīng)考慮抗風(fēng)裝置等提供的剛度及阻尼器阻尼，其中模型參數(shù)應(yīng)通過試驗(yàn)確定。

表2 兩種支座滯回曲線和恢復(fù)力模型匯總表

2.5 下部結(jié)構(gòu)罕遇烈度抗震驗(yàn)算

當(dāng)房屋采用層間隔震時(shí)(設(shè)置在地下室、一層柱頂或多塔樓的底盤上)，應(yīng)重視下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于設(shè)置了隔震層使傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)水平地震力傳遞機(jī)制發(fā)生改變而導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)直接承受很大的地震基底剪力和傾覆力矩。

當(dāng)采用層間隔震時(shí)，隔震層下部結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足規(guī)范GB 50011—2010第12.2.9條嵌固端剛度比和罕遇烈度下承載力驗(yàn)算和彈塑性變形驗(yàn)算的要求。其層間彈塑性位移應(yīng)考慮P—δ效應(yīng)。

隔震層下部結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)按關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)?！犊拐鹨?guī)范》未具體明確驗(yàn)算方法，本文認(rèn)為可參考JGJ 3—2010第3.11節(jié)關(guān)于結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體見表3。

表3 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.6 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范GB 50011—2010第12.1.3條，隔震結(jié)構(gòu)應(yīng)選用穩(wěn)定性較好的基礎(chǔ)類型。高寬比大于4的結(jié)構(gòu)小震下基礎(chǔ)不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力。

濕陷性場(chǎng)地建筑宜采用完全消除場(chǎng)地濕陷的地基處理方法，對(duì)于部分消除濕陷性的設(shè)計(jì)應(yīng)執(zhí)行GB 50025—2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范附錄G的規(guī)定要求。

對(duì)于軟弱場(chǎng)地基礎(chǔ)設(shè)計(jì)宜按變形設(shè)計(jì)，考慮調(diào)平設(shè)計(jì)方案，調(diào)節(jié)沉降差，優(yōu)先采用樁基礎(chǔ)。

對(duì)于液化場(chǎng)地，甲、乙類建筑的抗液化措施應(yīng)按提高一個(gè)液化等級(jí)確定，直至全部消除液化沉陷。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)可按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和承載力驗(yàn)算。進(jìn)行基礎(chǔ)布置時(shí)，宜考慮豎向剛度調(diào)平設(shè)計(jì)，使基底反力盡量趨于一致，避免較大的差異沉降。因隔震支座抗拉強(qiáng)度很小，故在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)不能考慮上部結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)，設(shè)置變形縫兩側(cè)地基基礎(chǔ)宜加強(qiáng)。

以上淺見是個(gè)人關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)的一些理解和體會(huì)，供同行參考并在相關(guān)設(shè)計(jì)中能加強(qiáng)關(guān)注從而使建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)更加安全、經(jīng)濟(jì)。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] CECS 160∶2004，建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則(試用)[S].

[4] CECS 126∶2001，疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程[S].

[5] 李 剛，程耿東.基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)、理論和方法[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[6] 黨 育，杜永峰，李 慧.基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工指南[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2007.

[7] 譚 平，周福霖.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)疑問解答(八)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011，41(7)：128-129.

Discussion on seismic isolation design matters of building structure

Yin Yi

(Shanxi2ndBuildingDesignInstitute,Changzhi046000,China)

Starting from aspects of performance optimizing design concept, seismic wave selection, seismic isolation parameter design, the lower structure design, and foundation base, the paper explores architectural structure seismic isolation design matters, and puts forward some suggestions of strengthening seismic isolation design on the basis of meeting national demands, so as to further improve seismic isolation design level.

seismic isolation design, seismic wave, parameters, elastic-plastic analysis

2014-12-12

陰 毅(1978- )，男，碩士，工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師

1009-6825(2015)06-0038-02

TU352.1

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