基于《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2010）的隔震設(shè)計(jì)若干問(wèn)題的討論

劉磊

（甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院，甘肅　蘭州 730030）

基于《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2010）的隔震設(shè)計(jì)若干問(wèn)題的討論

劉磊

（甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院，甘肅蘭州 730030）

結(jié)合《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010，綜述了國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的水平向減震系數(shù)、高寬比、隔震層以下結(jié)構(gòu)滿足嵌固剛度比的新的研究成果。相關(guān)研究表明：隔震結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)非線性影響；高寬比對(duì)結(jié)構(gòu)的隔震效果影響很?。桓粽饘右韵陆Y(jié)構(gòu)嵌固剛度比決定了隔震計(jì)算模型；并總結(jié)了針對(duì)上述三個(gè)問(wèn)題新的設(shè)計(jì)原則。

結(jié)構(gòu)工程 ；水平向減震系數(shù)；高寬比；嵌固剛度比

對(duì)多層建筑結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)已有成熟的理論依據(jù)和豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。隨著高烈度區(qū)高層建筑的不斷發(fā)展，隔震結(jié)構(gòu)也由低層向高層發(fā)展，但是《抗規(guī)》（2010）對(duì)隔震設(shè)計(jì)的規(guī)定主要是針對(duì)多層結(jié)構(gòu)，與此同時(shí)，針對(duì)結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)，規(guī)范中有些條文存在不明確的地方，這對(duì)隔震設(shè)計(jì)，特別是高層結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)帶來(lái)了一些困難，本文總結(jié)了與隔震設(shè)計(jì)密切相關(guān)，但規(guī)范對(duì)其規(guī)定仍然存有疑義的水平向減震系數(shù)、高寬比、隔震層以下結(jié)構(gòu)滿足嵌固剛度比這三個(gè)問(wèn)題的國(guó)內(nèi)學(xué)者的最新研究成果。

1　水平向減震系數(shù)的問(wèn)題

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)的主要方法是：首先，對(duì)其非隔震模型和隔震模型在設(shè)防烈度下分別進(jìn)行彈性時(shí)程計(jì)算，其次，依據(jù)這兩種模型的計(jì)算結(jié)果確定合理的水平向減震系數(shù)β，最后根據(jù)β計(jì)算得到隔震后的水平地震影響系數(shù)最大值，即amax1=βamax/φ，并按amax對(duì)非隔震模型采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算設(shè)計(jì)。由此可見，在隔震設(shè)計(jì)中，水平向減震系數(shù)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性有重要影響，如何確定合理的水平向減震系數(shù)是設(shè)計(jì)人員所關(guān)注的?！犊挂?guī)》（2010）12.2.5條第2款對(duì)于水平向減震系數(shù)規(guī)定如下：對(duì)于多層建筑，為按彈性計(jì)算所得的隔震與非隔震各層層間剪力的最大比值。對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)，尚應(yīng)計(jì)算隔震與非隔震各層傾覆力矩的最大比值，并與層間剪力的最大比值相比較，取二者的較大值［1］。

由上述規(guī)定可見，規(guī)范對(duì)隔震結(jié)構(gòu)水平向減震系數(shù)的計(jì)算規(guī)定是以彈性狀態(tài)為前提的，沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)的彈塑性狀態(tài)。然而，在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)一般處于高烈度區(qū)，結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈的地震作用下，非隔震模型已進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，這與規(guī)范方法的計(jì)算前提存有差異。為了分析這種差異對(duì)隔震結(jié)構(gòu)水平向減震系數(shù)的影響，我國(guó)學(xué)者趙桂峰［2］等人對(duì)一8層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的彈性模型和彈塑性模型分別進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)，分別求得兩種計(jì)算模型的水平向減震系數(shù)。對(duì)比分析了結(jié)構(gòu)非線性對(duì)隔震設(shè)計(jì)效果的影響。計(jì)算結(jié)果表明：在X 和Y方向上，彈塑性模型計(jì)算的所得的層剪力比比彈性模型計(jì)算的所得的層剪力比分別大87%和92%，彈塑性模型計(jì)算的所得的傾覆彎矩比比彈性模型計(jì)算的所得的傾覆彎矩比分別大62%和91%（圖1）。究其原因：非隔震模型在強(qiáng)烈的地震作用下進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，結(jié)果變?nèi)?，地震響?yīng)減??；而隔震模型在地震作用下由于上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形均較小，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，故按彈性模型和彈塑性模型的計(jì)算結(jié)果相比差別不大。如圖1所示。

圖1　層剪力及層傾覆彎矩比

2　高寬比的問(wèn)題

隨著隔震結(jié)構(gòu)由低層向高層發(fā)展，隔震結(jié)構(gòu)已不再局限于低層結(jié)構(gòu)，采用隔震技術(shù)的高層建筑在國(guó)內(nèi)外均有先例，比如：日本的CityTower神戶三宮采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)，地下一層，地上54層，高度175.9m，高寬比4.5。位于宿遷的蘇豪銀座項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)高烈度區(qū)已建成的最高的層間隔震建筑，本工程地下2層，4層裙房，建筑總高度79.4m，隔震層位于大底盤和上部塔樓之間。隨著高層隔震結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，隔震結(jié)構(gòu)的高寬比對(duì)隔震效果的影響和對(duì)隔震支座的受力性能的影響受到關(guān)注。為分析高寬比對(duì)隔震效果的影響，我國(guó)學(xué)者馮紹林和黃襄云［3］等人選取4棟高層建筑，建筑高度和高寬比分別為：54.9/4.0，61.1/4.5，73.5/5.5，82.8/6.0，通過(guò)對(duì)上述4棟高層建筑的隔震模型的計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明高寬比越大，結(jié)構(gòu)的層間剪力和傾覆力矩均有增大趨勢(shì)（如圖2所示）。同時(shí)，對(duì)著4棟高層建筑進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)，4棟高層建筑進(jìn)行相同地震動(dòng)下的非隔震模型和隔震模型計(jì)算分析，對(duì)比了不同高寬比下結(jié)構(gòu)層剪力比和傾覆彎矩比，計(jì)算結(jié)果表明：隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)的層剪力比和傾覆彎矩比均沒(méi)有隨高寬比不同而出現(xiàn)明顯的變化規(guī)律，且均在較合理的范圍之內(nèi)。由此可見，高寬比會(huì)影響結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，高寬比越大，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也越大，但高寬比對(duì)結(jié)構(gòu)的隔震效果影響不大（如圖3所示）。

圖2　不同高寬比隔震結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)比圖

圖3　不同高寬比的隔震與非隔震結(jié)構(gòu)層剪力與傾覆力矩比值

雖然高寬比不影響高層結(jié)構(gòu)的隔震效果，但高寬比較大的高層建筑對(duì)隔震支座的性能提出更高的要求。因?yàn)橄拗平Y(jié)構(gòu)的高寬比是控制結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆的有效手段，當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的傾覆力矩時(shí)，部分隔震支座會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，部分隔震支座會(huì)出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力。為避免隔震支座的拉壓破壞，《抗規(guī)》（2010）12.1.3對(duì)隔震設(shè)計(jì)規(guī)定如下：“結(jié)構(gòu)高寬比宜小于4，且不應(yīng)大于相關(guān)規(guī)范規(guī)程對(duì)非隔震結(jié)構(gòu)的具體規(guī)定，其變形特征接近剪切變形，最大高度應(yīng)滿足本規(guī)范非隔震結(jié)構(gòu)的要求；高寬比大于4或非隔震結(jié)構(gòu)相應(yīng)規(guī)定的結(jié)構(gòu)采用隔震設(shè)計(jì)，應(yīng)進(jìn)行專門研究［3］。因此，高抗壓、抗拉強(qiáng)度的隔震支座是高層隔震結(jié)構(gòu)所必需的。

3　隔震層以下結(jié)構(gòu)滿足嵌固剛度比的問(wèn)題

《抗規(guī)》（2010）12.2.9條第2款規(guī)定 “隔震層以下結(jié)構(gòu)（包括地下室和隔震塔樓下的底盤）中直接支撐隔震層以上結(jié)構(gòu)的相關(guān)構(gòu)件，應(yīng)滿足嵌固的剛度比和隔震后設(shè)防地震的抗震承載力要求?！薄犊挂?guī)》（2010）6.1.14條2款規(guī)定：“結(jié)構(gòu)地上一層的側(cè)向剛度，不宜大于相關(guān)范圍地下一層側(cè)向剛度的0.5倍”。計(jì)算嵌固剛度比的上部結(jié)構(gòu)剛度是K隔還是K3，（如圖4所示），一直以來(lái)存在爭(zhēng)議。朱炳寅［4］認(rèn)為嵌固剛度比的計(jì)算樓層為“為隔震層以上結(jié)構(gòu)與隔震層以下結(jié)構(gòu)的比值”即K3/K1，卜龍瑰和苗啟松［5］則認(rèn)為“嵌固剛度比要求規(guī)范表述不明確、且存在一定的不合理，建議根據(jù)選取的計(jì)算模型不同而調(diào)整”。

圖4　嵌固剛度比計(jì)算樓層

卜龍瑰和苗啟松對(duì)嵌固剛度比進(jìn)行了對(duì)比研究。若按K3/K1計(jì)算嵌固剛度比，則設(shè)計(jì)隔震結(jié)構(gòu)難度較大且不經(jīng)濟(jì)。如對(duì)于底盤框架結(jié)構(gòu)車庫(kù)-上部塔樓剪力墻住宅，采用隔震結(jié)構(gòu)，很難滿足下部框架結(jié)構(gòu)的剛度是上部剪力墻結(jié)構(gòu)的2倍的要求。若按K隔/K3計(jì)算嵌固剛度比，則隔震結(jié)構(gòu)極易滿足嵌固剛度比2倍的要求，實(shí)際意義不大。卜龍瑰和苗啟松也對(duì)按計(jì)算為嵌固剛度比的方法對(duì)一組不同嵌固剛度比隔震模型進(jìn)行非線性分析，計(jì)算結(jié)果表明：嵌固剛度比對(duì)結(jié)構(gòu)的水平減震系數(shù)影響很小。卜龍瑰和苗啟松認(rèn)為隔震層以下結(jié)構(gòu)是否滿足嵌固剛度比的要求決定隔震設(shè)計(jì)時(shí)采用的隔震計(jì)算模型的不同。當(dāng)K3/K1小于0.5時(shí)，隔震模型可采用不帶下部結(jié)構(gòu)的隔震模型計(jì)算，當(dāng)K3/K1大于0.5時(shí)，隔震模型應(yīng)采用帶下部結(jié)構(gòu)的隔震模型計(jì)算。

5　結(jié)論

本文總結(jié)了隔震設(shè)計(jì)中的水平向減震系數(shù)、高寬比、隔震層以下結(jié)構(gòu)滿足嵌固剛度比的問(wèn)題。相關(guān)研究結(jié)果表明：隔震結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)彈塑性變形所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)非線性的影響；高寬比對(duì)結(jié)構(gòu)的隔震效果影響很小，但要求隔震支座有較高抗拉壓強(qiáng)度；隔震層以下結(jié)構(gòu)嵌固剛度比是否滿足規(guī)范要求決定了不同的隔震計(jì)算模型。

［1］ GB20011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010．

［2］ 趙桂峰，馬玉宏，韓富平，等．RC框架隔震體系非線性對(duì)隔震設(shè)計(jì)效果的影響［J］．地震工程與工程振動(dòng)，2014．

［3］ 馮紹林，黃襄云，馬玉宏，等．不同高寬比高層隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析［J］．地震工程與工程振動(dòng)，2014．

［4］ 朱炳寅．建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用與分析［M］．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011．

［5］ 卜龍瑰，苗啟松．高層建筑隔震設(shè)計(jì)若干問(wèn)題探討［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2015．

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