對框剪結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)的探討

王佳

（陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安710000）

國內(nèi)歷次出現(xiàn)的地震災(zāi)害，大多是由于沒有提前對地下活斷層的運(yùn)動(dòng)采取強(qiáng)有力的防護(hù)措施，唐山大地震就是一個(gè)很典型的例子。如果只是單純的針對烈度進(jìn)行建筑防護(hù)，難以避免出現(xiàn)重大的損失。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，世界上已經(jīng)出現(xiàn)了能夠有效減震的方式方法，而隔震技術(shù)顯然是當(dāng)前最值得深入挖掘和研究探討的重點(diǎn)，其在國外相關(guān)實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出了良好的減震效果。隔震設(shè)計(jì)最主要依靠的原理就在于延長結(jié)構(gòu)周期，盡量在預(yù)先掌握地質(zhì)條件的情況下讓建筑物遠(yuǎn)離地震動(dòng)卓越周期，并在建筑結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)阻尼，即建筑物高層的穩(wěn)固性也能得到增強(qiáng)。擁有良好的隔震設(shè)計(jì)，能夠?yàn)榻ㄖ峁┳銐虻恼饎?dòng)承載力，也能夠在震動(dòng)過程中發(fā)揮復(fù)位效果。

1 工程概況

本建筑工程上部結(jié)構(gòu)高42 米，層高3 米，高寬比例為3.15。結(jié)構(gòu)形式采用的是鋼筋混凝土框架剪力墻，該建筑類別為乙類，建筑物抗震設(shè)防烈度為7 度，所設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地特征周期為0.40s，場地類別為Ⅲ類。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，該建筑工程采用了建筑隔震橡膠支座，目前最大偏心率均小于5%，隔震支座的分布運(yùn)用十分合理。結(jié)合建筑工程實(shí)際情況，采用Etabs 進(jìn)行建模并對其隔震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2 框剪結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)分析

2.1 地下隔震支座分布與分析。建筑采用鉛芯橡膠支座和天然橡膠支座共同組成，且布置在地下一層，將鉛芯隔震橡膠支座分布在外圍的支撐點(diǎn)，將橡膠支座（LNR1500）布置在建筑的最中心點(diǎn)上，其他支撐點(diǎn)均也采用橡膠支座（LNR1400）進(jìn)行支撐。通過分布模式明顯能夠凸顯隔震設(shè)計(jì)的主要作用點(diǎn)，這樣的分布更有益于建筑阻隔外部震動(dòng)。與此同時(shí)，以現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》為依據(jù)，隔震層的支座、相連構(gòu)件等組成要素必須滿足罕遇地震下，隔震支座底部各個(gè)方向的承受能力要求。在發(fā)生罕遇地震的情況下，建筑隔震層的水平方向位移最大不可大于隔震支座有效直徑的0.55 倍，亦或是隔震支座橡膠層厚度的3 倍，而這二者的最小值是隔震層在罕遇地震中的合格界限。本建筑工程運(yùn)用到了Etabs 軟件來進(jìn)行建模，其中分別將隔震與非隔震的建筑模型進(jìn)行相應(yīng)的對比分析，并通過軟件功能計(jì)算得到非隔震模型所能夠達(dá)到的層間剪力和實(shí)際質(zhì)量。在隔震模型與非隔震模型的質(zhì)量相差1.79%的情況下，基本可以將Etabs 軟件所生成的有限元模型判別為準(zhǔn)確模型，在建模的良好條件之上，框架剪力結(jié)構(gòu)中的隔震設(shè)計(jì)分析是有一定準(zhǔn)確效果的。

2.2 隔震結(jié)構(gòu)減震計(jì)算與分析。針對本建筑工程的隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔震支座抗壓力指數(shù)計(jì)算與抗風(fēng)承載力數(shù)值計(jì)算，來進(jìn)一步確認(rèn)框架剪力墻結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)的有效性。在隔震制作壓應(yīng)力方面，相關(guān)文件中有明確指示，該建筑工程類別在采用相較隔震支座且重力荷載值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，所能夠承受的來自縱向的壓應(yīng)力，應(yīng)當(dāng)控制在15MPa 的范圍之內(nèi)。本建筑使用的鉛芯隔震支座所承受的縱向壓應(yīng)力平均值約為3.9MPa，而非鉛芯隔震支座所承載壓應(yīng)力平均值約為7.5MPa，通過計(jì)算可以得出，本建筑工程在重力荷載代表值的作用下，各類型支座都能夠保證在技術(shù)要求的規(guī)范之內(nèi)。由于現(xiàn)如今諸多建筑工程都屬于高層建筑，所以抗風(fēng)承載力需要得到更進(jìn)一步的重視，尤其是在隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，也同樣需要對風(fēng)力進(jìn)行謹(jǐn)慎考量。為了能夠讓隔震層在風(fēng)荷載的作用下依然保持其穩(wěn)定性，相關(guān)文件當(dāng)中同樣做出了十分明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，即無論是否為防地震作用下的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的總水平方向力應(yīng)當(dāng)控制在總重力的10%之內(nèi)。將本建筑工程結(jié)合這一要求進(jìn)行驗(yàn)算：根據(jù)公式：rwVwk≤VRW計(jì)算比較可得，本建筑的重力為102000，當(dāng)風(fēng)力方向?yàn)閄，其水平剪力的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為1048；而當(dāng)風(fēng)力方向?yàn)閅 時(shí)，水平剪力標(biāo)準(zhǔn)值因?yàn)?318。通過計(jì)算可以得出，在方向?yàn)閄 與Y 情況下，水平剪力標(biāo)準(zhǔn)值與重力的比率分別為0.89%和1.31%。

2.3 恢復(fù)力計(jì)算分析。隔震裝置一個(gè)建筑中是最直接面對地下巖層的頻繁活動(dòng)的部分，且一旦遇到地震其受到的外部壓力是最大的，也是決定著整個(gè)建筑是否能夠在地震中安然的關(guān)鍵所在。因此，隔震裝置本身需要很強(qiáng)的韌性，應(yīng)力爭在地震的反復(fù)作用力下，仍能夠保持良好的恢復(fù)能力，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》也同樣對其進(jìn)行了明確的規(guī)定：在設(shè)防地震的作用下，鉛芯橡膠支座和天然橡膠支座由于位置和數(shù)量的不同，應(yīng)當(dāng)非分別產(chǎn)生不同程度的隔震作用，且二者的彈性恢復(fù)能力在具體數(shù)值的層面上應(yīng)當(dāng)大于等于1.40VRW。經(jīng)過計(jì)算，本建筑工程的隔震支座彈性水平恢復(fù)力為2552kN，是滿足其承載力設(shè)計(jì)規(guī)范的要求的。

3 隔震設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

3.1 剪力墻布置問題。剪力墻的布置問題主要是源自于框架建立結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則與地震情況下相連框架柱偏移的矛盾?？蚣艚Y(jié)構(gòu)的布局需要將剪力墻均勻分布到建筑物的四周圍，這種結(jié)構(gòu)具有框架結(jié)構(gòu)平面的布置靈活和布置空間空間較大的優(yōu)點(diǎn)，又具有側(cè)向剛度較大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)框剪墻結(jié)構(gòu)在實(shí)際當(dāng)中的運(yùn)用還能夠有效承受一定程度的水平荷載，與框架相結(jié)合，能夠增強(qiáng)建筑的穩(wěn)定性。但是，這樣的布局方法如果一旦遇到罕遇地震，就會(huì)出現(xiàn)相連框架柱的偏移問題，尤其是一些建筑因其自身的特殊情況而對剪力墻的設(shè)置有限制因素的時(shí)候，這種問題更易出現(xiàn)。因此，這就需要注意在進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)的過程中盡量將結(jié)構(gòu)高寬比縮小。如果在本就容易產(chǎn)生偏拉問題的條件下，高寬比例過大，那么拉力也會(huì)隨之加大，成為不可避免的困難。本建筑工程的寬高比為3.15，可能會(huì)存在這一問題。

3.2 轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)問題。所謂的轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)問題，無非是因?yàn)榻ㄖ纳舷陆Y(jié)構(gòu)需要設(shè)置貫通的水平隔離縫，這對于建筑工程來說是必要存在的，在剪力墻和底層框架結(jié)構(gòu)連接處要設(shè)轉(zhuǎn)換構(gòu)件，發(fā)揮其轉(zhuǎn)換功能。在本建筑工程當(dāng)中，針對轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)還添加了材料鞏固加強(qiáng)，使得隔震設(shè)計(jì)也能夠得到進(jìn)一步完善。在同類型的建筑設(shè)計(jì)與隔震設(shè)計(jì)當(dāng)中，則需要注重轉(zhuǎn)換梁的靈活應(yīng)用。

3.3 隔震設(shè)計(jì)方案的完善問題。在進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)的過程中，需要結(jié)合實(shí)際情況采用不同的設(shè)計(jì)方案，這一點(diǎn)在實(shí)際操作中還需要靈活運(yùn)用。通常情況下，隔震設(shè)計(jì)層以上的模型工程設(shè)計(jì)會(huì)采取多種不同的做法。比如，地下隔震區(qū)域的設(shè)計(jì)，可以采取兩種形式，第一種是明確隔震層的所在，將隔震支座底部設(shè)置為梁析，將隔震層更加清晰地劃分出來；第二種就是在隔震支座的下方設(shè)置下柱墩，并在柱墩的上方予以框架梁設(shè)置，如此能夠加強(qiáng)柱墩的穩(wěn)定性，對水平方向的偏移力產(chǎn)生明顯的抵抗效果。這兩種做法就可以針對不同的工程狀態(tài)結(jié)合實(shí)際情況運(yùn)用。因?yàn)榈谝粋€(gè)方案具有較強(qiáng)的整體性，如果隔震支座的底部樓析已經(jīng)施工完畢，那么就可以運(yùn)用這一方案對整體設(shè)計(jì)進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化。

3.4 電梯井設(shè)計(jì)問題。電梯井的設(shè)計(jì)與隔震支座的布置設(shè)計(jì)同樣存在著一定的矛盾，因?yàn)槎咴诮Y(jié)構(gòu)的位移要求上是不同的，電梯井因?yàn)樾枰粋€(gè)穩(wěn)定的空間保證正常運(yùn)行，所以需要隔震支座的上下部位移是同步的，可是其本身并非完全同步。這就要求在電梯井的設(shè)置上需要首先考慮到節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，讓電梯井與隔震結(jié)構(gòu)的上部分同步，以此來保證電梯井的正常運(yùn)行。另外還需要考慮到電梯井周圍的預(yù)留隔離縫，一是能夠?yàn)槌霈F(xiàn)不同步問題帶來應(yīng)對措施，另一方面還可以在隔離縫設(shè)置滑動(dòng)裝置，讓電梯井運(yùn)作獲得更多輔助效果。電梯井沒有到達(dá)地下時(shí)和進(jìn)入到地下區(qū)域時(shí)，都能夠分別于隔震上下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生良好的配合，另將電梯上部與對應(yīng)梁相連接，已達(dá)成電梯井與隔震系統(tǒng)結(jié)合為一個(gè)整體。

結(jié)束語

綜上所述，隔震設(shè)計(jì)的運(yùn)用確實(shí)能夠?yàn)榻ㄖこ處碣|(zhì)量和穩(wěn)定性的保障，使其在面對地震災(zāi)害時(shí)更有足夠的抵抗力來保護(hù)人民的生命安全。通過專業(yè)軟件分析與相應(yīng)計(jì)算可以得知，本建筑工程無論是在地下隔震支座分布、隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及彈性恢復(fù)力上都能夠達(dá)到相應(yīng)的要求。然而，由于是一項(xiàng)新興技術(shù)，還有諸多需要人們關(guān)注和努力解決的問題。遇到問題是在所難免的，只要發(fā)揮刻苦鉆研、實(shí)踐創(chuàng)新的精神，想必我國的建筑工程抗震技術(shù)會(huì)越來越純熟，我國的建筑工程質(zhì)量也會(huì)不斷提高，由此真正為人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來保障，也為我國的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮積極推動(dòng)作用。