框剪結構的隔震設計探討

曹 若 淵

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

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框剪結構的隔震設計探討

曹 若 淵

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

以山西省太原市某中學改擴建項目為例，從樓層剪力比及水平地震影響系數計算，罕遇地震下支座分析、隔震橡膠支座水平位移限值驗算等方面，對隔震結構進行了分析，并對隔震設計中的難點進行了探討，從而提高建筑的抗震性能。

框架剪力墻結構，抗震設防烈度，隔震結構，地震

作為20世紀最具代表的革新性結構抗震技術之一的隔震技術，是抗震減災的一種新的手段和研究方向，并且已經在國內外地震中經受住了考驗，表現出優異的減震效果。隔震結構其優良的安全性、耐久性、經濟性、減震效果、適用性，得到地震工程界的認可。目前，隔震技術已經較為成熟，成為很重要的結構控制技術之一，將之編入國家抗震規范。就整個山西省來講，多山多震，其大部分地區所處烈度較高。因此采用有效而經濟的新型隔減震技術提高建筑的抗震性能就顯得十分重要和必要。

1 工程概況

山西省太原市某中學改擴建項目，采用鋼筋混凝土框架剪力墻結構，建筑類別為乙類建筑，建筑物抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅲ類，設計特征周期值為0.45 s。采用隔震技術，建筑地下2層，地上為14層，隔震層位于地下1層。地下室層高為4.0 m，隔震層層高為2.0 m，其他層層高為4.0 m。基本風壓按50年一遇的基本風壓取ω=0.40 kN/m2，地面粗糙度C類。經過計算，初中綜合樓共采用43個建筑隔震橡膠支座結構偏心率計算結果見表1，結構兩個方向最大偏心率均小于5%，隔震支座布局合理。

2 隔震分析

本工程采用大型有限元軟件ETABS分別建立隔震與非隔震結構模型，并進行計算與分析，對比了ETABS分析軟件和SATWE結構軟件的非隔震模型計算得到的質量、周期和層間剪力。可知質量相差1.88%，前3階周期最大相差3.871%，主要樓層層間剪力最大相差2.90%，因此，ETABS模型作為本工程隔震分析的有限元模型是準確的，其反映的結構基本特性是真實有效的。經過計算，可知隔震后周期放大2.43倍以上，上部結構的地震作用得到有效減小。

表1 結構偏心率計算結果(Ⅰ區)

2.1 樓層剪力比及水平地震影響系數計算

通過時程分析得出非隔震結構和隔震結構在不同地震波作用下的結構地震反應，對比結構抗震設防烈度8度(設防地震輸入加速度峰值PGA=200gal，罕遇地震輸入加速度峰值為PGA=400gal)，設防地震下各地震波作用下隔震結構的樓層剪力、傾覆力矩及水平向減震系數，得出隔震層以上結構水平向減震系數最大值為0.392。由GB 50011—2010建筑抗震設計規范12.2.5條中公式可計算出隔震后結構地震作用時的水平地震影響系數最大值：

αmax1=βαmax/φ=0.392×0.16/0.85=0.074。

綜上所述，隔震后的上部結構水平地震影響系數最大值為0.074,小于7度時最大水平地震影響系數0.08，根據GB 50011—2010 12.2.5條可得出采用隔震技術后上部結構的水平地震作用可比非隔震時降低1度設計，即按7度(0.10g)進行設計；水平向減震系數為0.392，大于0.3，根據抗規可不進行豎向地震作用驗算。

2.2 罕遇地震下支座分析

根據《抗規》12.2.9條規定：隔震層的支墩、支柱及相連構件，滿足罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和力矩的承載力要求；隔震層以下的地下室，滿足嵌固剛度比和隔震后設防地震的抗震承載力要求，并滿足罕遇地震下的抗剪承載力要求。罕遇地震下驗算隔震層的位移，同時得到軸力、剪力用于支墩設計。

2.3 隔震橡膠支座水平位移限值驗算

根據GB 50011—2010建筑抗震設計規范，隔震結構應進行罕遇地震作用下隔震支座水平位移驗算。本工程所選用有效直徑800 mm，900 mm，1 000 mm，1 200 mm的隔震支座，罕遇地震作用時隔震層最大水平位移如表2所示。

表2 罕遇地震作用時結構隔震層最大層間位移 mm

由表2可知，罕遇地震作用時隔震層的最大平均水平位移為399 mm，小于0.55倍的最小隔震支座直徑及3倍的最小隔震支座的橡膠層總厚度，滿足規范要求。

根據《抗規》12.2.7條規定，隔震結構應該采取不阻礙隔震層在罕遇地震下發生大變形的構造措施。上部結構的周邊應設置豎向隔離縫，縫寬不宜小于隔震橡膠支座在罕遇地震下的最大水平位移的1.2倍且不宜小于200 mm。本工程隔震橡膠支座在罕遇地震下的最大水平位移的1.2倍為478 mm,故設置500 mm寬隔震溝滿足規范要求。

2.4 隔震橡膠支座軸向最大拉壓力

對結構進行罕遇地震作用下時程分析，工況下最大軸力和剪力滿足GB 50011—2010建筑抗震設計規范要求隔震支座在罕遇地震作用下支座壓應力小于30 MPa及拉應力小于1 MPa的要求。部分支座拉應力大于1 MPa，建議在拉應力較大支座附近設置抗拉拔裝置，增強結構抵抗豎向地震作用的能力。

3 隔震設計中難點

1)本工程通過計算上部結構設計采用的水平地震影響系數最大值為0.074<0.08，根據GB 50011—2010 12.2.5條可得出采用隔震技術后上部結構的水平地震作用可比非隔震時降低1度設計，即按7度(0.10g)進行設計。但根據抗規12.2.5第3條各樓層的水平地震剪力尚應符合本規范第5.2.5條對本地區設防烈度的最小地震剪力系數的規定，即最小剪重比要按本地區設防烈度執行。隔震設計降低1度設計時很容易使剪重比不滿足要求。本工程通過調整不滿足剪重比要求的各層的剪力系數來滿足要求。

2)框剪結構剪力墻的布置原則為剪力墻宜均勻布置在建筑物的周圍，但這樣的布置方法，尤其是罕遇地震作用下又會導致與剪力墻相連框架柱產生偏拉，在建筑物層數不多，剪力墻布置受建筑功能限制，布置較少時尤其嚴重。GB 50011—2010建筑抗震設計規范要求隔震支座在罕遇地震作用下支座壓應力小于30 MPa及拉應力小于1 MPa的要求。所以在開始定方案時，應注意結構的高寬比不宜過大，一般控制在3以內比較好，不宜超過4。SATWE中的模型盡量避免出現拉力，如果很難避免，拉力不宜太大。本工程高寬比2.4，但由于剪力墻布置使建筑功能受到限制，通過局部增設剪力墻短墻肢、調整結構洞的布置部分解決問題，并在拉應力較大支座附近設置抗拉拔裝置，增強結構抵抗豎向地震作用的能力。

3)由于上部結構和下部結構之間，應設置完全貫通的水平隔離縫，剪力墻部分就需要設置轉換梁來解決。該梁僅按特殊構件定義“轉換梁”來指定，無須按照轉換層來定義。該構件屬于關鍵部位，本工程通過設置型鋼混凝土梁進行了加強，確保隔震層以上結構遭受其相應的罕遇地震時發揮隔震效果。

4)在隔震設計中，隔震層以上模型工程設計中一般有兩種做法：第一，柱底剛接模型，一般用于無地下室建筑的隔震設計，隔震支座設置在基礎上，隔震支座傳下來的彎矩、剪力由基礎承擔；第二，柱底鉸接模型，多用于帶地下室建筑的隔震設計，其地下部分目前一般為兩種形式：a.設置隔震層，隔震支座底部設置梁板；b.隔震支座下設置下柱墩，在柱墩頂部設置一定剛度的框架梁，解決柱墩頂部支座傳下來的水平力。a.方案整體性較好，且施工支座時支座底部樓板已施工完成，施工方便，要優于b.方案。本工程采用a.方案。

5)電梯井的設計。隔震支座上下部分結構的位移是不同的，但是電梯井因為功能要求，支座上部與下部位移要求同步。因此，節點構造要使支座標高以下部分電梯井與上部結構同步，并且在電梯井周邊預留隔離縫，縫上可設置滑動鋼板。電梯不下地下室時，電梯基坑可重0.000梁上垂板；下地下室時，在電梯基坑底板下面設置滑動裝置，電梯側壁采用剪力墻生根于基坑底板，上部與0.000梁連接，與上部結構為一整體，具體構造詳見晉14G109。

4 結語

采用隔震技術，雖然增加了隔震支座費用、隔震構造措施費用，但可降低1度進行設計，有效減小了梁柱斷面，節約了鋼材和混凝土用量。對于高烈度區，采用隔震技術經濟性十分明顯，上部結構設計方案比較合理，一般能節約3%～20%。現代隔震技術在土木工程中應用將會越來越多，本文探討了隔震設計從理論到具體設計當中應注意的問題，希望能給結構同仁帶來一些思路。

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Discussion on the seismic isolation design of frame shear structures

Cao Ruoyuan

(ShanxiArchitecturalDesignandResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

Taking a middle school expansion engineering in Shanxi Taiyuan as an example, from the floor shear ratio and horizontal earthquake influence coefficient calculation, rare earthquake bearing analysis, horizontal displacement limit checking of isolation rubber and other aspects, analyzed the seismic isolation structure, discussed the difficulties in seismic isolation design, so as to improve the seismic performance of buildings.

frame shear wall structure, seismic fortification intensity, seismic isolation structure, earthquake

1009-6825(2017)17-0030-02

2017-03-14

曹若淵(1981- )，男，工程師

TU318

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