山西太原某高層建筑隔震設計

張 葦

1 概述

隔震和消能減震是建筑結構減輕地震災害的有效技術[1]。

隔震體系通過延長結構的自振周期能夠減少結構的水平地震作用，已被國外強震記錄所證實。國內外的大量試驗和工程經驗表明:隔震可使結構的水平地震加速度反應降低 60%左右，從而消除或有效的減輕結構和非結構的地震破壞，提高建筑物及其內部設施和人員的地震安全性，增加震后建筑物繼續使用的功能。

鋼筋混凝土抗震結構通常采用梁柱以及剪力墻結構抵抗水平地震，通過結構構件的變形來吸收地震能量。相比于此結構形式，隔震結構采用具有豎向承載能力，水平向具有很大變形能力的支座，同時采用抑制結構產生過大變形的阻尼器裝置使結構在地震時的變形集中在隔震層的體系，減少上部結構的加速度和層間變形。抗震結構采用結構整體吸收地震能量。而隔震結構吸收的地震能量幾乎全部集中在隔震裝置上[4]。

2 工程概要

山西省交通政務大廳和交通數控信息中心位于太原高新技術開發區，主樓為地上10層的辦公用房，建筑總高度為 40m，框架—剪力墻結構形式;地下為 2層的地下車庫。抗震設防烈度為8度，框架抗震等級為二級，剪力墻為一級。為提高建筑的抗震性能，加強房屋在地震下對室內設施及人員的保護，經與業主協商決定對本建筑采用隔震措施，進行隔震設計。隔震層設置在地下室頂板處，隔震面積達到 1萬m2。經隔震后的隔震層以上主體結構的水平向地震可按 7度計算，而隔震層以上剪力墻的抗震等級可降為二級。圖 1為建筑剖面圖。

3 隔震設計

3.1 隔震方案的選擇

汶川地震中，非結構構件受損，室內裝修及家具、設備損壞，經營活動及生活受到嚴重影響，也造成了巨大的經濟損失。而采用隔震技術的甘肅隴南武都區郵政職工宿舍表現出良好的性能，結構沒有出現地震引起的裂縫，人員沒有站立不穩的情況，家具沒有翻倒[2]。可見隔震結構與常規設計相比也具有以下的特點:

1)在保證結構構件安全的同時也保證非結構構件的安全;2)可防止室內的器械家具等傾倒所導致的二次災害;3)使業主具有安全感;4)設計自由度得到擴大。

鑒于此，本項目為了提高抗震安全性，采用了隔震技術。

因本項目地下空間范圍大于主樓范圍，且地下室頂板和主樓正負零樓板之間有 1.2m的高差，因此將隔震層設置在地下室頂板和主樓正負零樓板之間，這樣設置的優點是地下室結構使用完整，隔震溝較淺，且方便隔震裝置的安裝和維修。

在主樓范圍內的所有框架柱和剪力墻下布置了數量不等的橡膠隔震墊支座，吸收并消耗地震能量，減小地震剪力對結構的影響;另外在隔震層增加了 19個阻尼器，減小了結構 60%的整體扭轉效應，進一步減小了地震效應，并有效限制了隔震墊的最大位移極限。如圖 2所示為隔震支座和阻尼器的平面布置圖。

3.2 隔震結構計算

3.2.1 隔震支座的確定

橡膠隔震支座的布置要同時考慮豎向和水平向荷載的要求。首先通過結構在非隔震正常烈度下的計算得到每根框架柱在隔震層以上的豎向荷載，根據建筑抗震設計規范[1]表 12.2.3，保證隔震支座的平均壓應力小于15MPa，確定每根框架柱上隔震支座的選型與數量。然后依據隔震層剛度中心宜與上部結構的質量中心重合的原則，調整隔震支座的平面布置。各隔震支座的豎向布置也在同一標高上。后經采用MIDAS程序整體計算分析，普通橡膠支座彈性過大，使得水平向減震系數過大，為了控制隔震層的位移在合理的范圍之內，保證合理的減震效果，全部采用鉛芯橡膠支座GZY 500，并在適當的位置增設了阻尼器。

3.2.2 結構整體分析

對于本工程筆者采用了PKPM和MIDAS兩種程序分別進行了計算分析，并最終采用兩者計算結果的最不利組合進行了施工圖的設計。表 1為隔震與非隔震結構的周期，可以看出隔震結構的基本周期較原結構增大了許多，從原結構的1.2 s延長至2.37 s，并且遠離了建筑場地的卓越周期。

采用時程分析方法對隔震結構和非隔震結構進行了計算分析，根據抗震設計規范的規定，選擇了兩條天然波(Elcent-h波，Taft-h波)和一條人工波。如圖 3所示為隔震結構和非隔震結構各樓層剪力圖，可以看出，隔震結構的樓層剪力較非隔震結構減小很多，根據計算，隔震結構和非隔震結構的層間剪力最大比值為0.335，則依據抗震設計規范表12.2.5，水平向減震系數可取為0.5，隔震層上部結構的地震作用可按降低 1度，即按 7度設防烈度來計算。

表1 非隔震與隔震結構的周期比較

隔震層以下結構的抗震驗算則根據規范要求采用罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和彎矩進行設計。

3.2.3 其他構造措施

隔震層上部相鄰樓板采用厚 180mm，并采用雙層雙向貫通鋼筋，另在隔震層下車庫頂板(標高-1.200)處加設了水平框架梁，從而提高了隔震層的整體剛度。因本項目隔震支座位于室外地坪以下，在外圈隔震支座外設置了隔震溝，給隔震層足夠的變形空間。穿過隔震層的設備配管、配線，采用柔性連接適應隔震層的罕遇地震水平位移。

4 結語

從本工程的隔震設計可以得出以下幾點結論:

1)工程采用隔震設計以后，在罕遇地震下的各樓層剪力較原結構降低很多。2)在罕遇地震作用下，隔震層的最大水平位移達到55mm，滿足規范要求。3)工程采用隔震設計后，隔震層上部結構的基本周期延長，地震反應加速度降低。

[1] GB 50011-2001(2008版)，建筑抗震設計規范[S].

[2] 肖從真，薛彥濤.成都凱德風尚高層建筑隔震設計與研究[J].建筑結構，2009(6):56-57.

[3] 黃世敏，楊 沈.建筑震害與設計對策[M].北京:中國計劃出版社，2009:11.

[4] 溫流漢，黑 沙.隔震技術現狀與未來[J].建筑結構技術通訊，2009(2):11-12.