基于《隔標(biāo)》的框架結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)實(shí)踐

何世茂＊

（中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051）

在汶川地震之后，國(guó)內(nèi)采用消能減震技術(shù)的建筑越來(lái)越多。消能減震技術(shù)在多次地震中表現(xiàn)出良好的抗震性能，如四川蘆山地震，采用隔震技術(shù)的蘆山縣人民醫(yī)院震后立即投入救治受傷群眾中，引起了工程界的重視[1]。《建筑工程抗震管理?xiàng)l例》[2]（國(guó)務(wù)院第744 號(hào)令，以下簡(jiǎn)稱《條例》）于2021 年9 月1 日實(shí)施，按《條例》要求：高烈度設(shè)防區(qū)、地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)中有“八類”建筑必須采用隔震減震技術(shù)，提高重點(diǎn)公共建筑的抗震性能，震后不用修理即可正常使用?！督ㄖ粽鹪O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]（GB/T51408-2021，以下簡(jiǎn)稱《隔標(biāo)》）提高了抗震設(shè)防目標(biāo)，可達(dá)到《條例》的要求。采用隔震技術(shù)的建筑在發(fā)生設(shè)防地震時(shí)可以不中斷使用功能，可減少經(jīng)濟(jì)損失和降低社會(huì)影響。未來(lái)我國(guó)隔震設(shè)計(jì)將有兩本規(guī)范[5]，分別是：《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]（GB 50011-2010，以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）、《隔標(biāo)》。國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)兩種規(guī)范的差異做了一些研究。文獻(xiàn)[5]中確定了隔震設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)，分析了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和經(jīng)濟(jì)性的差別；文獻(xiàn)[6]中介紹了《隔標(biāo)》的隔震設(shè)計(jì)流程和關(guān)鍵控制點(diǎn)，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了討論和提出建議。由于新規(guī)范實(shí)施時(shí)間不長(zhǎng)，因此采用《隔標(biāo)》作為依據(jù)的隔震項(xiàng)目較少，目前尚無(wú)系統(tǒng)性的應(yīng)用研究。該文通過(guò)抗震設(shè)防目標(biāo)、隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)譜、地震作用的計(jì)算方法、隔震結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)五個(gè)方面，全面總結(jié)了《隔標(biāo)》的主要調(diào)整內(nèi)容；從工程實(shí)例出發(fā)，系統(tǒng)地介紹了重點(diǎn)設(shè)計(jì)指標(biāo)的計(jì)算，可為隔震設(shè)計(jì)提供參考。

1《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的主要調(diào)整

《隔標(biāo)》實(shí)施以前我國(guó)的建筑隔震設(shè)計(jì)方法主要依據(jù)是《抗規(guī)》，至今已有30 多年的工程實(shí)踐，通過(guò)歷次震害中隔震結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)和大量工程實(shí)踐的總結(jié)，對(duì)現(xiàn)行隔震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了完善，最終形成了專門指導(dǎo)隔震設(shè)計(jì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要存在以下六點(diǎn)調(diào)整內(nèi)容：

1.1 提高了抗震設(shè)防目標(biāo)?！陡魳?biāo)》的抗震設(shè)防目標(biāo)適應(yīng)了《條例》要求，高于現(xiàn)行規(guī)范的抗震設(shè)防目標(biāo)，地震作用按設(shè)防地震考慮，在發(fā)生設(shè)防地震時(shí)建筑不壞或無(wú)需修理即可正常使用。

1.2 調(diào)整了隔震設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)方法采用包含隔震層的整體設(shè)計(jì)法，相對(duì)于現(xiàn)行規(guī)范的分部設(shè)計(jì)法，整體設(shè)計(jì)法能綜合考慮隔震結(jié)構(gòu)的非比例阻尼特征和支座非線性，使地震作用分布更合理。

1.3 調(diào)整隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)譜。考慮隔震結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性高于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)，修正了隔震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，將（5Tg～6s）周期段譜曲線采用指數(shù)下降曲線，降低了隔震結(jié)構(gòu)的地震作用，為隔震結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。

1.4 修正地震作用的計(jì)算方法。隔震結(jié)構(gòu)是典型的非比例阻尼結(jié)構(gòu)體系，隔震層的等效阻尼比通常遠(yuǎn)大于一般的抗震結(jié)構(gòu)，由于實(shí)振型分解反應(yīng)譜法未考慮阻尼部分的影響，故無(wú)法充分體現(xiàn)隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，《隔標(biāo)》中將地震作用計(jì)算方法調(diào)整為復(fù)振型分解反應(yīng)譜法（CCQC 法），它可以同時(shí)考慮隔震結(jié)構(gòu)中質(zhì)量、阻尼、剛度的影響，得到反映隔震結(jié)構(gòu)的真實(shí)的動(dòng)力特性。

1.5 調(diào)整隔震結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)：底部剪力比是確定隔震結(jié)構(gòu)的抗震措施的關(guān)鍵指標(biāo)。設(shè)防地震作用下隔震前和隔震后底部剪力之比為底部剪力比（β）[3]。當(dāng)β≤0.50時(shí)，上部結(jié)構(gòu)可按降低一度采取抗震措施，當(dāng)β>0.50 時(shí)，抗震措施按本地區(qū)設(shè)防烈度采取。

從以上分析可知，《隔標(biāo)》跟現(xiàn)行規(guī)范有較大差異，對(duì)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算有較大的影響。通過(guò)對(duì)混凝土框架隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)《隔標(biāo)》的計(jì)算方法，詳細(xì)介紹了各主要設(shè)計(jì)指標(biāo)的計(jì)算，并針對(duì)《隔標(biāo)》和《抗規(guī)》如何選用問(wèn)題提出了合理的建議。

2 工程概況

建筑功能為某傳染病醫(yī)院，平面尺寸為22.2×60.6m，共4 層，層高分別為5.1m、4.8m、4.8m、3.9m，建筑高度為18.9m，高寬比為0.85，采用混凝土框架結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)條件和參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)條件和參數(shù)

3 分析模型建立和設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

整體隔震模型采用YJK 軟件建立，結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1，隔震支座采用節(jié)點(diǎn)屬性進(jìn)行定義，隔震支座參數(shù)見(jiàn)表2，隔震支座平面布置見(jiàn)圖2。隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法采用整體分析設(shè)計(jì)法，底部剪力比由設(shè)防地震下的復(fù)振型分解反應(yīng)譜法結(jié)合迭代分析確定。

圖1 隔震模型圖

圖2 隔震支座布置圖

表2 隔震支座力學(xué)性能參數(shù)

4 主要計(jì)算結(jié)果

4.1 隔震后結(jié)構(gòu)的周期。隔震結(jié)構(gòu)的自振周期應(yīng)根據(jù)不同地震作用烈度下的支座水平位移確定，可采用基于考慮阻尼矩陣的復(fù)振型分解反應(yīng)譜法結(jié)合迭代計(jì)算確定，以保證隔震層大阻尼比情況下計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。使用YJK軟件提供的基于復(fù)振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行自動(dòng)迭代計(jì)算的功能，計(jì)算出隔震前（柱底鉸接）與隔震后結(jié)構(gòu)的自振周期見(jiàn)表3。由結(jié)果可知，隔震結(jié)構(gòu)的周期由0.957s 變?yōu)?.737s，比傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)周期明顯變長(zhǎng)。

表3 結(jié)構(gòu)的周期對(duì)比

4.2 隔震層偏心率。隔震層偏心率是反映隔震結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心和剛度中心是否重合的指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 隔震結(jié)構(gòu)的偏心率

隔震層偏心率最大為0.68%<3%，說(shuō)明設(shè)防地震作用下隔震層質(zhì)量中心和剛度中心基本重合。

4.3 底部剪力比?；趶?fù)振型分解反應(yīng)譜法結(jié)合迭代計(jì)算得出的設(shè)防地震作用下樓層剪力與隔震前結(jié)構(gòu)（柱底鉸接）進(jìn)行對(duì)比，得出底部剪力比，進(jìn)而確定上部結(jié)構(gòu)的抗震措施。

由表5 分析可得結(jié)構(gòu)底部剪力比β=0.33<0.5，可按設(shè)防烈度降低一度確定上部結(jié)構(gòu)抗震措施，不能降低與豎向地震相關(guān)的抗震措施。

表5 層間剪力比

4.4 設(shè)防地震層間位移角。設(shè)防地震作用下彈性層間位移角見(jiàn)表6，從結(jié)果可知，最大層間位移角為：X 向?yàn)?/470；Y 向?yàn)?/482，二者均滿足《隔標(biāo)》中規(guī)定框架結(jié)構(gòu)不大于1/400 的限值要求。

表6 彈性層間位移角計(jì)算結(jié)果

4.5 罕遇地震彈塑性位移角。罕遇地震作用計(jì)算采用彈塑性時(shí)程分析，選取1 條人工波和2 條天然波的計(jì)算結(jié)果取包絡(luò)值，得出彈塑性層間位移角計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表7。

表7 彈塑性層間位移角

最大彈塑性層間位移角為：X 向：1/290；Y 向：1/287，二者均滿足《隔標(biāo)》中規(guī)定框架結(jié)構(gòu)不大于1/100 的限值要求，且有較大的富余。

4.6 隔震支座應(yīng)力驗(yàn)算。隔震支座是隔震結(jié)構(gòu)的重要組成部分，主要驗(yàn)算長(zhǎng)期荷載壓應(yīng)力、罕遇地震作用下的拉壓應(yīng)力，各項(xiàng)驗(yàn)算內(nèi)容、最不利值、限值見(jiàn)表8，由結(jié)果可知，長(zhǎng)期荷載最大壓應(yīng)力為11.41MPa，罕遇地震作用下：拉應(yīng)力為0MPa，壓應(yīng)力為14.97MPa，均滿足《隔標(biāo)》要求。

表8 支座驗(yàn)算

4.7 隔震支座變形驗(yàn)算

設(shè)計(jì)時(shí)罕遇地震作用時(shí)支座水平位移不應(yīng)大于限值，以保證隔震層的穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3，4，隔震層最大水平位移為254mm<275mm（0.55 倍隔震支座直徑）及282mm（3 倍膠層總厚度）中的較小值，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 罕遇地震時(shí)支座X 向位移

圖4 罕遇地震時(shí)支座Y 向位移

4.8 配筋計(jì)算

隔震結(jié)構(gòu)是在設(shè)防地震作用下進(jìn)行截面設(shè)計(jì)和配筋，結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。根據(jù)功能、作用、位置及重要性將結(jié)構(gòu)構(gòu)件分為關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件、重要水平構(gòu)件、普通水平構(gòu)件[3]，結(jié)合工程的實(shí)際情況，構(gòu)件分類見(jiàn)表9。

表9 隔震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)分類

通過(guò)算例統(tǒng)計(jì)表明，按《隔標(biāo)》設(shè)計(jì)后，由于按設(shè)防烈度計(jì)算配筋，結(jié)構(gòu)鋼筋用量將增加15%～20%左右，對(duì)建設(shè)成本增加明顯。

5 結(jié)論和建議

隨著我國(guó)城市化的提升和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，《條例》對(duì)重點(diǎn)公共建筑的抗震能力提出了更高的要求?！陡魳?biāo)》的實(shí)施適應(yīng)了《條例》的新要求，其從抗震設(shè)防目標(biāo)、設(shè)計(jì)方法、隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)譜、地震作用計(jì)算方法、關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)五個(gè)方面進(jìn)行全面調(diào)整。以高烈度區(qū)框架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象進(jìn)行了隔震設(shè)計(jì)的研究，以《隔標(biāo)》為主要設(shè)計(jì)根據(jù)，采用設(shè)防地震作用包含隔震層的整體設(shè)計(jì)法進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。計(jì)算成果表明，計(jì)算結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)滿足《隔標(biāo)》要求，可達(dá)到《條例》中對(duì)重點(diǎn)公共建筑的抗震設(shè)防要求，具體如下：（1）非隔震結(jié)構(gòu)的自振周期為0.957s，隔震結(jié)構(gòu)的自振周期2.737s，由反應(yīng)譜可知，周期變長(zhǎng)后地震作用減小。（2）隔震支座在長(zhǎng)期荷載作用下壓應(yīng)力為11.41 MPa<12MPa，罕遇地震作用下：隔震支座壓應(yīng)力14.97 MPa <25MPa，拉應(yīng)力為0MPa，均滿足《隔標(biāo)》要求。（3）隔震支座罕遇地震作用下最大水平位移254mm<275mm，小于隔震支座限值要求，滿足《隔標(biāo)》要求。（4）底部剪力比是隔震設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，底部剪力比為0.33<0.5，滿足按設(shè)防烈度降低1 度確定抗震措施的條件。（5）層間位移角是隔震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)。設(shè)防地震作用下為1/470<1/400，罕遇地震作用下為1/287<1/100，均滿足《隔標(biāo)》的相應(yīng)要求。（6）《隔標(biāo)》按設(shè)防烈度計(jì)算配筋，結(jié)構(gòu)鋼筋用量將增加15%～20%左右，對(duì)建設(shè)成本增加明顯，但抗震性能比傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)有質(zhì)提高。

《抗規(guī)》和《隔規(guī)》兩本規(guī)范均是我國(guó)的隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)依據(jù)，但在設(shè)計(jì)方法上是存在差異的。實(shí)際中隔震設(shè)計(jì)時(shí)兩本規(guī)范如何選用是一個(gè)新的問(wèn)題，筆者認(rèn)為，若屬于新的《建筑工程抗震管理?xiàng)l例》中規(guī)定的“兩區(qū)八類”的建筑，采用隔震技術(shù)時(shí)必須采用《隔標(biāo)》作為設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)于其他類型的建筑，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展情況，可采用《抗規(guī)》或《隔標(biāo)》作為設(shè)計(jì)依據(jù)，可不進(jìn)行兩本規(guī)范的包絡(luò)設(shè)計(jì)。