關(guān)于高烈度區(qū)掉層結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)分析

袁昆

（菏澤城建建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 菏澤 274000）

關(guān)于高烈度區(qū)掉層結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)分析

袁昆

（菏澤城建建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 菏澤 274000）

我國(guó)三分之二以上的國(guó)土面積為山地地形，尤其對(duì)于西部地區(qū)，而這些地區(qū)處于地震多發(fā)的高烈度區(qū)。掉層結(jié)構(gòu)是山地建筑具有代表性的結(jié)構(gòu)型式，指的是同一棟建筑的底界面放置在不同標(biāo)高的場(chǎng)地基面上，且最高接地點(diǎn)以下按層高設(shè)置樓面的接地結(jié)構(gòu)。當(dāng)高烈度區(qū)的掉層結(jié)構(gòu)有隔震要求時(shí)，工程經(jīng)驗(yàn)是在掉層部分設(shè)置剛度很大的地下室，布置同一標(biāo)高的隔震層。這樣的方案不但會(huì)導(dǎo)致材料浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致掉層部分空間使用效果不理想等問(wèn)題。以四川廬山縣人民醫(yī)院門診樓項(xiàng)目為基礎(chǔ)，從掉層結(jié)構(gòu)的特性出發(fā)，針對(duì)布置在同一標(biāo)高隔震層帶來(lái)的問(wèn)題，探索將隔震層布置在不同標(biāo)高下掉層結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)方案。

高烈度區(qū)；掉層結(jié)構(gòu)；隔震設(shè)計(jì)

1 山地建筑結(jié)構(gòu)與掉層結(jié)構(gòu)

山地建筑結(jié)構(gòu)的使用安全受環(huán)境因素影響大，建筑結(jié)構(gòu)基層穩(wěn)定性受巖石層的影響，如果采用普通建筑方法，即基層采用水平的修筑方法不但成本高，并且施工難度也很大。隨著山區(qū)地形變化來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用掉層的方法來(lái)進(jìn)行建筑施工，不但能夠節(jié)省大量的成本，在工程建設(shè)質(zhì)量安全上也會(huì)有明顯提升。山區(qū)建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)施工主要是受地形變化的影響，其難點(diǎn)也是基層建筑結(jié)構(gòu)的選擇，采用掉層結(jié)構(gòu)可避免基層中出現(xiàn)這一問(wèn)題，對(duì)后續(xù)施工建設(shè)也能起到防護(hù)的作用。

掉層結(jié)構(gòu)的特征是基層中表現(xiàn)出的高度差，這樣可以在基層建設(shè)中避免出現(xiàn)安全隱患，并可根據(jù)地形的變化來(lái)優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)，確保結(jié)構(gòu)的使用功能不會(huì)因此而受到影響，同時(shí)也提升了空間利用的合理性。但并不是所有的山坡都適合建筑掉層結(jié)構(gòu)，其中30%～60%之間的坡度最適合掉層結(jié)構(gòu)建筑施工。坡度過(guò)大在材料運(yùn)輸上存在困難，建筑成本也會(huì)因此而增大。

2 掉層結(jié)構(gòu)的隔震層效果

隔震結(jié)構(gòu)通過(guò)在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震層，使上部結(jié)構(gòu)與地震動(dòng)的水平成分絕緣。隔震層中設(shè)置隔震支座和阻尼器等隔震裝置，其中隔震支座能夠穩(wěn)定持續(xù)地支承建筑物重量，跟隨建筑物的水平變形，并且具有適當(dāng)彈性恢復(fù)力，同時(shí)阻尼器能夠用于吸收地震輸入能量。一般多層的鋼筋混凝土建筑物周期都比較短，在地震力作用下，加速度反應(yīng)大，位移較小。在設(shè)置了隔震裝置以后，延長(zhǎng)了建筑物的周期，地震作用下的加速度也變小，位移反應(yīng)增加。如果在此基礎(chǔ)上加大結(jié)構(gòu)阻尼即設(shè)置隔震支座上的阻尼器，結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)繼續(xù)減小。由此可見(jiàn)，設(shè)置隔震裝置，使隔震層上部結(jié)構(gòu)發(fā)生平動(dòng)，既能減小結(jié)構(gòu)所受地震作用，同時(shí)也可以減小位移，保證了隔震層上部結(jié)構(gòu)的安全，減少財(cái)產(chǎn)損失，保障生命安全。

2008年汶川發(fā)生了嚴(yán)重的地震，廬山縣人民醫(yī)院的門診樓在災(zāi)后重建中澳門特別行政區(qū)對(duì)其進(jìn)行援助，對(duì)掉層結(jié)構(gòu)的基層與首層之間采用橡膠材質(zhì)隔離層進(jìn)行防護(hù)。門診樓地上結(jié)構(gòu)共6層，隔震層支柱直徑為50 cm，個(gè)別部位也設(shè)置在60 cm。建設(shè)后投入使用穩(wěn)定性也比較高。在2013年的雅安7.0級(jí)地震中，縣醫(yī)院的門診樓表現(xiàn)良好，墻體等結(jié)構(gòu)均能夠正常使用，并沒(méi)有在地震中出現(xiàn)明顯的裂痕。采用普通設(shè)計(jì)理念建設(shè)的樓房卻出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞，已經(jīng)不能滿足正常使用，墻體裂縫明顯，甚至出現(xiàn)掉落的現(xiàn)象。橡膠隔震層支柱具有很好的隔震效果，在隔震層的防護(hù)作用下，作用在地上結(jié)構(gòu)中的剪切力有明顯減小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的安全防護(hù)。普通建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中，雖然也會(huì)這對(duì)墻體部分進(jìn)行加固，但在抗震效果上卻不明顯，在地震中墻體以及承重結(jié)構(gòu)仍然會(huì)受到影響。

3 高烈度區(qū)掉層結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)探索

3.1 掉層隔震結(jié)構(gòu)掉層部分結(jié)構(gòu)布置方案的初步探索

經(jīng)前文的分析比較，以掉二層掉兩跨的實(shí)際工程案例可發(fā)現(xiàn)：掉層部分剛度的變化，對(duì)結(jié)構(gòu)周期的變化影響程度比較小；各個(gè)模型在八度區(qū)多遇地震作用下，第一層及以上的各樓層的層間剪力、層最大位移、層間最大位移角數(shù)值變化不大，在罕遇地震作用下，層間最大位移角也在 1/1 000～1/2 000之間，保持彈性的工作狀態(tài)[1]。

從掉層部分的動(dòng)力特性來(lái)看，將隔震層分開(kāi)布置以后，可以顯著地減小掉層部分的層剪力，同時(shí)掉層部分也開(kāi)始有位移，并且與上部結(jié)構(gòu)的層間位移差值也不大。雖然掉層部分全框架布置的模型二比其余四個(gè)模型有更好的平動(dòng)效應(yīng)，但是在多遇地震作用下，模型二掉層部分的層間位移角值顯著高于模型三到模型五，其數(shù)值已經(jīng)超過(guò)了《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）中對(duì)框架-抗震墻的彈性位移角限值。構(gòu)建結(jié)構(gòu)選擇中，第二層部分的受力距離增大，結(jié)構(gòu)整體抗震能力也會(huì)因此增強(qiáng)。

從掉層部分剛度的變化規(guī)律來(lái)看，掉層部分剛度的增大，可以減小掉層部分的層間剪力，明顯的減小掉層部分的層間位移角；從內(nèi)力來(lái)看，掉層剛度變大以后，可以減小掉層部分柱軸力、柱彎矩值和柱剪力。對(duì)隔震層的動(dòng)力分析結(jié)果可以看出，將隔震層分成標(biāo)高不同的兩個(gè)隔震層以后，隔震層仍能在罕遇地震作用下不超過(guò)疊層橡膠支座的水平極限變形；多遇地震作用下，兩層隔震層不僅在各自平面內(nèi)有較好的平動(dòng)，兩層之間的協(xié)同工作效果也較好；在罕遇地震作用下，隔震層在各自平面內(nèi)平動(dòng)效果減弱，上下隔震層的位移差值擴(kuò)大到20 mm左右。掉層部分在 X方向剛度的加強(qiáng)，可以很明顯地減小X方向上下隔震層位移差，但是在Y方向剛度加強(qiáng)以后，上下隔震層的位移差值不降反增。

由以上分析總結(jié)可以給出高烈度區(qū)掉層結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)的初步建議：對(duì)于上部結(jié)構(gòu)為框架-抗震墻的結(jié)構(gòu)，在掉層層數(shù)及跨數(shù)不大的情況下，可以將隔震層部分分開(kāi)布置；掉層部分不宜做成純框架的結(jié)構(gòu)型式，抗震墻宜落至掉層底部；掉層部分剛度宜做適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)，以減少上下隔震層的位移差值。

3.2 掉層隔震結(jié)構(gòu)水平向減震系數(shù)取值的問(wèn)題

在我國(guó)，隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般是設(shè)計(jì)單位在綜合考慮結(jié)構(gòu)的各個(gè)限制因素后，確定一個(gè)減震系數(shù)。這個(gè)系數(shù)再乘以工程所在地設(shè)防烈度下的水平地震影響系數(shù)，得到用于計(jì)算的水平地震影響系數(shù)，按照基礎(chǔ)固接的模型，仍然采用傳統(tǒng)的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)及調(diào)整和布置。設(shè)計(jì)過(guò)程仍按照規(guī)范對(duì)抗震結(jié)構(gòu)的要求，控制各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。初步確定了上部的結(jié)構(gòu)方案以后，再交由專門的隔震研究分析機(jī)構(gòu)，由其估算隔震層質(zhì)量、支座布置和效果驗(yàn)算等，并出具報(bào)告。以八度區(qū)減震系數(shù) 0.5為例，本質(zhì)上就是將八度區(qū)的隔震結(jié)構(gòu)放至七度區(qū)，按抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驗(yàn)算。雖然這樣的設(shè)計(jì)習(xí)慣縮短了設(shè)計(jì)周期，但是從后文內(nèi)容來(lái)看，也有它不利的一方面，本小節(jié)以現(xiàn)有上部隔震設(shè)計(jì)思路來(lái)討論掉層隔震結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]。

3.3 掉層隔震結(jié)構(gòu)隔震層上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題

傳統(tǒng)的抗震房屋如果不設(shè)地下室，底層地面一般只需素土夯實(shí)，做素混凝土的樓板即可，但隔震房屋由于設(shè)置了隔震層，隔震層以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件要與隔震層以下的構(gòu)件完全斷開(kāi)，因此，隔震層頂部還需要設(shè)置一層樓板，并且為了使隔震層能整體協(xié)同工作，從構(gòu)造方面要求增加隔震層頂部梁板的配筋及截面，以保證其在平面內(nèi)的剛度足夠大[3]。

從圖1、圖2可以看出，除隔震支座處和隔震層頂部梁板外，隔震房屋上部結(jié)構(gòu)其他部分與傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)完全相同。從支座的受力來(lái)看，隔震支座能傳遞上部結(jié)構(gòu)的軸力和水平向的剪力，但不承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的彎矩，因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)取隔震層頂部的梁板剛度大于一般層梁板，就是為了底層柱彎矩基本由隔震層頂部梁來(lái)分擔(dān)。從支座的變形來(lái)分析，隔震支座豎向變形很小，近似為剛性，但在水平方向可發(fā)生較大位移，但位移值有一定的限制。在MIDAS Gen中，鉸支座的模擬通過(guò)一般支承定義，通過(guò)約束全局坐標(biāo)系下的Z方向位移和繞 Z軸的彎矩來(lái)實(shí)現(xiàn)，即認(rèn)為支座可以在平面兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，而不能抵抗彎矩。按調(diào)整以后的地震影響系數(shù)最大值來(lái)計(jì)算掉層抗震結(jié)構(gòu)[4]。

除掉層的上部結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)所用的剪力要遠(yuǎn)比隔震結(jié)構(gòu)實(shí)際所承受的剪力要大，比值已經(jīng)超過(guò)2倍，也就是說(shuō)掉層隔震結(jié)構(gòu)在遭遇到設(shè)防烈度地震時(shí)，所設(shè)計(jì)出來(lái)的構(gòu)件是大于實(shí)際需要，設(shè)計(jì)偏保守。如此而來(lái)，增加了豎向構(gòu)件的尺寸和配筋，同時(shí)也造成了材料的浪費(fèi)。

圖2 隔震結(jié)構(gòu)模型

觀察掉層部分剪力的比值，實(shí)際的隔震結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)時(shí)抗震結(jié)構(gòu)的1～3倍。如果按現(xiàn)有設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)隔震結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)，掉層部分豎向構(gòu)件明顯存在著抗力不足的問(wèn)題，八度區(qū)的掉層隔震結(jié)構(gòu)在遭遇多遇地震時(shí)，掉層部分的豎向構(gòu)件很可能就已經(jīng)破壞，掉層部分豎向構(gòu)件的破壞，隨之而來(lái)也影響上部結(jié)構(gòu)的安全。因此，掉層隔震結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不應(yīng)該僅僅局限在按減震以后的地震作用計(jì)算，更應(yīng)該考慮隔震結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力情況，隔震層的設(shè)計(jì)與上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不能完全脫開(kāi)。

4 結(jié)論

（1）設(shè)置標(biāo)高不同的兩個(gè)隔震層，可以有效減少掉層部分的層間剪力，在多遇地震和罕遇地震下，上部結(jié)構(gòu)的層間變形和最大層間剪力值變化很小，也就是隔震層分開(kāi)設(shè)置對(duì)上部結(jié)構(gòu)隔震效果影響較小。

（2）掉層部分全框架的設(shè)計(jì)，可以較明顯地減小結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)的影響，但是掉層部分框架的層間變形也變得很大，甚至超過(guò)規(guī)范限值。

（3）上下隔震層在多遇地震和罕遇地震都可以很好地屈服耗能，且疊層橡膠支座的變形值仍處于極限變形值范圍內(nèi)。

（4）在多遇地震作用下，上下隔震層不僅能在各自平面內(nèi)整體平動(dòng)效果好，還能保持較好的協(xié)同減震效果，兩層的相對(duì)位移變形較小，同步性高；罕遇地震作用下，兩隔震層在各自平面內(nèi)出現(xiàn)一定的不規(guī)則變形，且上下隔震層的極限位移差增加明顯。

（5）掉層部分剛度的增加，可以有效地減少掉層部分柱軸力，減少掉層部分所受彎矩和剪力。但是掉層全框架的布置，會(huì)使上接地層部分和掉層部分的剪力增大，與其他模型差距懸殊，不宜采用。

[1]陳淼.典型山地RC框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)震破壞模式及易損性分析[D].重慶：重慶大學(xué),2015．

[2]蔣代波.山區(qū)多層接地消能建筑框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究[D].重慶:重慶大學(xué),2012.

[3]周兆靜.山區(qū)傾斜基巖上土-隔震框架結(jié)構(gòu)相互作用研究[D].重慶:重慶大學(xué),2012.

[4]李亞瓊.基于土-結(jié)構(gòu)相互作用的坡地建筑的抗震性能分析[D].成都:西南交通大學(xué),2012.

TU973.3+1

A

1009-7716（2017）09-0185-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.056

2017-05-02

袁昆（1977-），男，山東菏澤人，總工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，從事建筑工程設(shè)計(jì)工作。