某框架結(jié)構(gòu)的隔震與非隔震結(jié)構(gòu)方案研究★

張宗義，鈕祥軍，2

(1.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047； 2.新疆建筑設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830047)

隨著隔震技術(shù)誕生以來(lái)，隔震設(shè)計(jì)經(jīng)歷了飛速發(fā)展。特別是吸取了幾次大型地震的慘痛教訓(xùn)后，各國(guó)都在大力推進(jìn)隔震設(shè)計(jì)，我國(guó)更是在汶川地震后，積極推廣鼓勵(lì)隔震技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的運(yùn)用。隨著國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議通過(guò)《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)隔震行業(yè)在國(guó)家政策層面正式由鼓勵(lì)向強(qiáng)制性轉(zhuǎn)變。隔震設(shè)計(jì)將是未來(lái)的主流抗震設(shè)計(jì)方法之一。

對(duì)比傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)，隔震設(shè)計(jì)具有隔震有效性強(qiáng)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。GB 50011―2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[1]中的隔震設(shè)計(jì)方法是目前隔震建筑設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。近年來(lái)，隨著大量隔震工程的經(jīng)驗(yàn)積累以及大量學(xué)者的相關(guān)理論研究，隔震技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，隔震設(shè)計(jì)方法也跟著逐步的發(fā)展與完善，然后形成了《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]。

不少學(xué)者與專家做了對(duì)于傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法和兩種規(guī)范隔震設(shè)計(jì)方法的對(duì)比[3]，但是用實(shí)際工程作比較分析的研究還比較少。本文以一個(gè)實(shí)際工程案例為背景，對(duì)比分析了基于兩種規(guī)范設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)的異同。以材料用量作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，量化分析了基于兩種規(guī)范設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。

1 結(jié)構(gòu)體系

1.1 案例概況

本工程位于新疆自治區(qū)烏魯木齊市。地上5層，建筑結(jié)構(gòu)主體高度21.3 m，寬21.2 m，高寬比1.0。隔震支座設(shè)置在基礎(chǔ)頂，上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)形式。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限為50 a。主要設(shè)計(jì)依據(jù)：

1)抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本加速度峰值為0.2g。2)設(shè)計(jì)地震分組為第二組，Ⅱ類場(chǎng)地?zé)o液化，場(chǎng)地特征周期0.4 s。3)基本風(fēng)壓按50 a一遇采用，取0.6 kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

1.2 對(duì)比分析原則

與抗規(guī)的設(shè)計(jì)方法相比，隔標(biāo)的設(shè)計(jì)方法做了較大的改動(dòng)。例如反應(yīng)譜的改變，對(duì)于降一度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的改變，更嚴(yán)格的層間位移角限制，整體設(shè)計(jì)方法代替了分步設(shè)計(jì)方法以及在計(jì)算方法中引進(jìn)了復(fù)振型分解法等。

為了盡可能的做到保證三種設(shè)計(jì)方法的對(duì)比，本文基于以下幾點(diǎn)的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)分析[4]：

1)為了保證計(jì)算過(guò)程的準(zhǔn)確性，三種方案的中震和大震設(shè)計(jì)都采用時(shí)程分析法進(jìn)行驗(yàn)算。2)為了符合各設(shè)計(jì)方法的原則和對(duì)比原則，傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)增加了中震下的時(shí)程分析，《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》不做小震分析。3)基于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的方案都要滿足降低一度的標(biāo)準(zhǔn)?？刂苹诳挂?guī)方案的減震系數(shù)小于0.4，基于隔標(biāo)方案的底部剪力比小于0.5。4)隔震支座在大震下的驗(yàn)算采用隔標(biāo)推薦的組合值進(jìn)行分析。

1.3 模型分析

采用YJK軟件分別對(duì)傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)和基于抗規(guī)和隔標(biāo)設(shè)計(jì)建立了兩個(gè)模型(見(jiàn)圖1)，隔震支座布置圖見(jiàn)圖2。

2 合理性檢驗(yàn)

本文采用了建模軟件YJK進(jìn)行小震分析及配筋設(shè)計(jì)，采用有限元軟件SAUSAGE進(jìn)行時(shí)程分析。兩款軟件的質(zhì)量與周期對(duì)比見(jiàn)表1，表2。

表1 非隔震結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)比

表2 非隔震結(jié)構(gòu)周期對(duì)比

不同軟件周期對(duì)比時(shí)會(huì)不考慮鋼筋質(zhì)量以及邊梁放大問(wèn)題，結(jié)構(gòu)隔震前后周期對(duì)比采用的是軟件SAUSAGE的邏輯，所以會(huì)有些許不同(見(jiàn)表3，表4)。

表3 隔震支座參數(shù)

表4 結(jié)構(gòu)隔震前后周期對(duì)比

為了直觀的表示出這三種設(shè)計(jì)方法上部結(jié)構(gòu)的不同，現(xiàn)將這三種設(shè)計(jì)方法的構(gòu)件尺寸整理起來(lái)，見(jiàn)表5。

表5 構(gòu)件尺寸

2.1 地震波選取

本文按照抗規(guī)的要求選取了7條波(5條天然波，2條人工波)(見(jiàn)圖3)。取時(shí)程分析結(jié)果的平均值進(jìn)行對(duì)比。

2.2 水平減震系數(shù)

水平向減震系數(shù)是抗規(guī)中隔震設(shè)計(jì)判斷上部結(jié)構(gòu)是否能降度設(shè)計(jì)的重要指數(shù)?？挂?guī)規(guī)定，水平向減震系數(shù)低于0.4時(shí)(設(shè)置阻尼器時(shí)為0.38)，上部結(jié)構(gòu)可降1度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在設(shè)防地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)彈性計(jì)算所得層間剪力之比見(jiàn)表6。故此，結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)可取0.38，表明隔震效果良好。根據(jù)抗震規(guī)范，本工程抗震構(gòu)造措施可按降低1度考慮。即按7度(0.1g)設(shè)防考慮，框架抗震等級(jí)為1級(jí)。

表6 水平減震系數(shù)

2.3 底部剪力比

底部剪力比是隔標(biāo)中引入的判定上部結(jié)構(gòu)是否能采用降度設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指數(shù)。隔標(biāo)中規(guī)定，當(dāng)?shù)撞考袅Ρ刃∮?.5時(shí)，上部結(jié)構(gòu)可降1度進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在設(shè)防地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)彈性計(jì)算所得底部剪力之比見(jiàn)表6。故此，結(jié)構(gòu)的底部剪力比值最大為0.41，表明隔震效果良好。根據(jù)隔標(biāo)規(guī)定，本工程抗震構(gòu)造措施可按降低1度考慮。即按7度(0.1g)設(shè)防考慮，框架抗震等級(jí)為1級(jí)。

3 時(shí)程分析

3.1 中震下結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征

無(wú)論是抗規(guī)中的隔震設(shè)計(jì)方法還是隔標(biāo)中的隔震設(shè)計(jì)方法，設(shè)防地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析都是十分重要的?；趥鹘y(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法是不考慮設(shè)防地震下的分析，本文為了作對(duì)分析，也對(duì)傳統(tǒng)抗震案例做了中震下的時(shí)程分析。選取了層間位移角，層間剪力和傾覆力矩作為關(guān)鍵指標(biāo)做對(duì)比分析，分析結(jié)果如表7所示。

表7 中震下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo)

由表7可以看出，在設(shè)防地震作用下，無(wú)論是基于抗規(guī)還是基于隔標(biāo)的上部結(jié)構(gòu)的層間位移角，層間剪力和傾覆力矩都遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的層間位移角，層間剪力和傾覆力矩。在上部結(jié)構(gòu)第一層基于隔標(biāo)的案例比抗規(guī)的案例基底剪力和傾覆力矩要大，但是隨著樓層數(shù)的增加，隔標(biāo)的數(shù)據(jù)超過(guò)了抗規(guī)的數(shù)據(jù)。說(shuō)明雖然采用隔標(biāo)設(shè)計(jì)的上部結(jié)構(gòu)比采用抗規(guī)設(shè)計(jì)的上部結(jié)構(gòu)降低了地震作用，這是由于隔標(biāo)中反應(yīng)譜采用三段式，取消了抗規(guī)中的直線下降段，使得地震作用下降明顯。但是層間位移角方面，隔標(biāo)顯然要比抗規(guī)的大，這說(shuō)明上部結(jié)構(gòu)的剛度下降程度要大于地震力的下降程度。

3.2 大震下結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征

當(dāng)結(jié)構(gòu)受到罕遇地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)一般會(huì)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。因此，本文將這三種設(shè)計(jì)方法的結(jié)構(gòu)案例進(jìn)行了罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析。為了比較分析這三種設(shè)計(jì)方法的不同，采用和中震作用下一樣的層間位移角，層間剪力和傾覆力矩這三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析且地震波選取也相同(見(jiàn)表8)。

表8 大震下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo)

由表8可以看出隔震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的層間位移角相比于傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)減小不是很明顯，這說(shuō)明上部結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了損傷，部分構(gòu)件已經(jīng)進(jìn)入了塑性狀態(tài)。因此結(jié)構(gòu)的剛度退化明顯，層間位移角因此增大。但是層間剪力和傾覆力矩的減小還是很明顯的，進(jìn)一步說(shuō)明了隔震結(jié)構(gòu)對(duì)于上部結(jié)構(gòu)的地震作用具有很好的削弱作用。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

由于基于抗規(guī)和隔標(biāo)設(shè)計(jì)的模型構(gòu)件尺寸是相同截面的。因此混凝土用量也是基本一致的，區(qū)別在于鋼筋的用量。所以本文只從鋼筋用量考慮經(jīng)濟(jì)性，混凝土用量只供大家參考。從前文的分析來(lái)看，基于隔標(biāo)設(shè)計(jì)的上部結(jié)構(gòu)受到的地震作用會(huì)小一些，因此設(shè)計(jì)時(shí)可考慮更小截面，相應(yīng)的混凝土用量也會(huì)減小。由于篇幅有限，本文不再做進(jìn)一步分析。

4.1 上部結(jié)構(gòu)混凝土用量

隔震設(shè)計(jì)方案和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的主體結(jié)構(gòu)混凝土用量見(jiàn)表9?？梢钥闯龈粽鸾Y(jié)構(gòu)的混凝土用量明顯小于傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的混凝土用量。

表9 混凝土用量 m3

4.2 上部結(jié)構(gòu)鋼筋用量

三種設(shè)計(jì)方案的上部結(jié)構(gòu)鋼筋用量見(jiàn)表10。

表10 鋼筋用量

可以看出，非隔震結(jié)構(gòu)的鋼筋用量明顯高于隔震結(jié)構(gòu)的鋼筋用量?；诟魳?biāo)設(shè)計(jì)的上部結(jié)構(gòu)的鋼筋用量低于基于抗規(guī)設(shè)計(jì)的上部結(jié)構(gòu)的鋼筋用量。這是由于反應(yīng)譜的不同造成計(jì)算時(shí)所承受的地震力不同，隔標(biāo)的反應(yīng)譜下降更快，因此地震力偏小。

5 結(jié)論與展望

本文以一個(gè)實(shí)際工程案例為背景，對(duì)比分析了基于兩種規(guī)范設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的地震作用和經(jīng)濟(jì)性的差異。研究結(jié)論如下：1)由于隔標(biāo)反應(yīng)譜的改變，下降段不采用抗規(guī)的兩段式，直接變成了一段直接下降，這就導(dǎo)致了基于隔標(biāo)設(shè)計(jì)的上部結(jié)構(gòu)地震力變小。2)隔標(biāo)采用直接分析法，因此把抗規(guī)的水平向減震系數(shù)改成了底部剪力比。本質(zhì)上沒(méi)什么區(qū)別，但是隔標(biāo)有所放寬。3)隔震結(jié)構(gòu)的混凝土用量和鋼筋用量都比傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)有所減少。基于隔標(biāo)設(shè)計(jì)的上部結(jié)構(gòu)鋼筋用量小于基于抗規(guī)設(shè)計(jì)的上部結(jié)構(gòu)的鋼筋用量，但是隨著樓層增高，鋼筋用量逐漸持平。4)由于隔標(biāo)反應(yīng)譜的改變，基于隔標(biāo)設(shè)計(jì)的上部結(jié)構(gòu)受到的地震力減小，因此基于隔標(biāo)的能否采用更小的截面設(shè)計(jì)還有待進(jìn)一步研究。5)隔標(biāo)中還引入了極罕遇地震的概念，還需進(jìn)一步研究。