基于《抗震設計規范》（2010）的隔震設計若干問題的討論

劉磊

（甘肅省建筑設計研究院，甘肅　蘭州 730030）

基于《抗震設計規范》（2010）的隔震設計若干問題的討論

劉磊

（甘肅省建筑設計研究院，甘肅蘭州 730030）

結合《抗震設計規范》GB50011-2010，綜述了國內學者對隔震結構設計中的水平向減震系數、高寬比、隔震層以下結構滿足嵌固剛度比的新的研究成果。相關研究表明：隔震結構的水平向減震系數應考慮結構非線性影響；高寬比對結構的隔震效果影響很小；隔震層以下結構嵌固剛度比決定了隔震計算模型；并總結了針對上述三個問題新的設計原則。

結構工程 ；水平向減震系數；高寬比；嵌固剛度比

對多層建筑結構的隔震設計已有成熟的理論依據和豐富的設計經驗。隨著高烈度區高層建筑的不斷發展，隔震結構也由低層向高層發展，但是《抗規》（2010）對隔震設計的規定主要是針對多層結構，與此同時，針對結構隔震設計，規范中有些條文存在不明確的地方，這對隔震設計，特別是高層結構隔震設計帶來了一些困難，本文總結了與隔震設計密切相關，但規范對其規定仍然存有疑義的水平向減震系數、高寬比、隔震層以下結構滿足嵌固剛度比這三個問題的國內學者的最新研究成果。

1　水平向減震系數的問題

根據現行規范，建筑結構進行隔震設計的主要方法是：首先，對其非隔震模型和隔震模型在設防烈度下分別進行彈性時程計算，其次，依據這兩種模型的計算結果確定合理的水平向減震系數β，最后根據β計算得到隔震后的水平地震影響系數最大值，即amax1=βamax/φ，并按amax對非隔震模型采用振型分解反應譜法計算設計。由此可見，在隔震設計中，水平向減震系數對隔震結構的安全性和經濟性有重要影響，如何確定合理的水平向減震系數是設計人員所關注的。《抗規》（2010）12.2.5條第2款對于水平向減震系數規定如下：對于多層建筑，為按彈性計算所得的隔震與非隔震各層層間剪力的最大比值。對高層建筑結構，尚應計算隔震與非隔震各層傾覆力矩的最大比值，并與層間剪力的最大比值相比較，取二者的較大值［1］。

由上述規定可見，規范對隔震結構水平向減震系數的計算規定是以彈性狀態為前提的，沒有考慮結構的彈塑性狀態。然而，在實際結構設計中，需要進行隔震設計的結構一般處于高烈度區，結構在強烈的地震作用下，非隔震模型已進入彈塑性狀態，這與規范方法的計算前提存有差異。為了分析這種差異對隔震結構水平向減震系數的影響，我國學者趙桂峰［2］等人對一8層鋼筋混凝土框架結構的彈性模型和彈塑性模型分別進行隔震設計，分別求得兩種計算模型的水平向減震系數。對比分析了結構非線性對隔震設計效果的影響。計算結果表明：在X 和Y方向上，彈塑性模型計算的所得的層剪力比比彈性模型計算的所得的層剪力比分別大87%和92%，彈塑性模型計算的所得的傾覆彎矩比比彈性模型計算的所得的傾覆彎矩比分別大62%和91%（圖1）。究其原因：非隔震模型在強烈的地震作用下進入彈塑性狀態，結果變柔，地震響應減小；而隔震模型在地震作用下由于上部結構的內力和變形均較小，結構處于彈性狀態，故按彈性模型和彈塑性模型的計算結果相比差別不大。如圖1所示。

圖1　層剪力及層傾覆彎矩比

2　高寬比的問題

隨著隔震結構由低層向高層發展，隔震結構已不再局限于低層結構，采用隔震技術的高層建筑在國內外均有先例，比如：日本的CityTower神戶三宮采用基礎隔震技術，地下一層，地上54層，高度175.9m，高寬比4.5。位于宿遷的蘇豪銀座項目是國內高烈度區已建成的最高的層間隔震建筑，本工程地下2層，4層裙房，建筑總高度79.4m，隔震層位于大底盤和上部塔樓之間。隨著高層隔震結構的出現，隔震結構的高寬比對隔震效果的影響和對隔震支座的受力性能的影響受到關注。為分析高寬比對隔震效果的影響，我國學者馮紹林和黃襄云［3］等人選取4棟高層建筑，建筑高度和高寬比分別為：54.9/4.0，61.1/4.5，73.5/5.5，82.8/6.0，通過對上述4棟高層建筑的隔震模型的計算分析，計算結果表明高寬比越大，結構的層間剪力和傾覆力矩均有增大趨勢（如圖2所示）。同時，對著4棟高層建筑進行隔震設計，4棟高層建筑進行相同地震動下的非隔震模型和隔震模型計算分析，對比了不同高寬比下結構層剪力比和傾覆彎矩比，計算結果表明：隔震結構與非隔震結構的層剪力比和傾覆彎矩比均沒有隨高寬比不同而出現明顯的變化規律，且均在較合理的范圍之內。由此可見，高寬比會影響結構的地震響應，高寬比越大，結構的地震響應也越大，但高寬比對結構的隔震效果影響不大（如圖3所示）。

圖2　不同高寬比隔震結構內力對比圖

圖3　不同高寬比的隔震與非隔震結構層剪力與傾覆力矩比值

雖然高寬比不影響高層結構的隔震效果，但高寬比較大的高層建筑對隔震支座的性能提出更高的要求。因為限制結構的高寬比是控制結構發生傾覆的有效手段，當結構產生較大的傾覆力矩時，部分隔震支座會出現拉應力，部分隔震支座會出現較大的壓應力。為避免隔震支座的拉壓破壞，《抗規》（2010）12.1.3對隔震設計規定如下：“結構高寬比宜小于4，且不應大于相關規范規程對非隔震結構的具體規定，其變形特征接近剪切變形，最大高度應滿足本規范非隔震結構的要求；高寬比大于4或非隔震結構相應規定的結構采用隔震設計，應進行專門研究［3］。因此，高抗壓、抗拉強度的隔震支座是高層隔震結構所必需的。

3　隔震層以下結構滿足嵌固剛度比的問題

《抗規》（2010）12.2.9條第2款規定 “隔震層以下結構（包括地下室和隔震塔樓下的底盤）中直接支撐隔震層以上結構的相關構件，應滿足嵌固的剛度比和隔震后設防地震的抗震承載力要求。”《抗規》（2010）6.1.14條2款規定：“結構地上一層的側向剛度，不宜大于相關范圍地下一層側向剛度的0.5倍”。計算嵌固剛度比的上部結構剛度是K隔還是K3，（如圖4所示），一直以來存在爭議。朱炳寅［4］認為嵌固剛度比的計算樓層為“為隔震層以上結構與隔震層以下結構的比值”即K3/K1，卜龍瑰和苗啟松［5］則認為“嵌固剛度比要求規范表述不明確、且存在一定的不合理，建議根據選取的計算模型不同而調整”。

圖4　嵌固剛度比計算樓層

卜龍瑰和苗啟松對嵌固剛度比進行了對比研究。若按K3/K1計算嵌固剛度比，則設計隔震結構難度較大且不經濟。如對于底盤框架結構車庫-上部塔樓剪力墻住宅，采用隔震結構，很難滿足下部框架結構的剛度是上部剪力墻結構的2倍的要求。若按K隔/K3計算嵌固剛度比，則隔震結構極易滿足嵌固剛度比2倍的要求，實際意義不大。卜龍瑰和苗啟松也對按計算為嵌固剛度比的方法對一組不同嵌固剛度比隔震模型進行非線性分析，計算結果表明：嵌固剛度比對結構的水平減震系數影響很小。卜龍瑰和苗啟松認為隔震層以下結構是否滿足嵌固剛度比的要求決定隔震設計時采用的隔震計算模型的不同。當K3/K1小于0.5時，隔震模型可采用不帶下部結構的隔震模型計算，當K3/K1大于0.5時，隔震模型應采用帶下部結構的隔震模型計算。

5　結論

本文總結了隔震設計中的水平向減震系數、高寬比、隔震層以下結構滿足嵌固剛度比的問題。相關研究結果表明：隔震結構的水平向減震系數應考慮結構彈塑性變形所導致的結構非線性的影響；高寬比對結構的隔震效果影響很小，但要求隔震支座有較高抗拉壓強度；隔震層以下結構嵌固剛度比是否滿足規范要求決定了不同的隔震計算模型。

［1］ GB20011-2010建筑抗震設計規范［S］．北京：中國建筑工業出版社，2010．

［2］ 趙桂峰，馬玉宏，韓富平，等．RC框架隔震體系非線性對隔震設計效果的影響［J］．地震工程與工程振動，2014．

［3］ 馮紹林，黃襄云，馬玉宏，等．不同高寬比高層隔震結構地震反應分析［J］．地震工程與工程振動，2014．

［4］ 朱炳寅．建筑抗震設計規范應用與分析［M］．北京：中國建筑工業出版社，2011．

［5］ 卜龍瑰，苗啟松．高層建筑隔震設計若干問題探討［J］．建筑結構，2015．

TU973+3.1