隔震結構設計的相關問題

周小燕

（甘肅省建筑設計研究院有限公司，甘肅 蘭州730030）

1 概述

隔震設計模塊主要有四部分：上部結構設計、隔震層結構設計、下部結構設計及基礎設計。上部結構設計是根據預定隔震目標確定計算模型，隔震層的設計是根據上部結構布置隔震支座進行隔震層設計，通過調整隔震支座的布置，確定隔震系數并驗算隔震支座在罕遇地震下的水平位移及內力是否滿足規范限值。下部結構設計是根據罕遇地震下各個支座的內力進行設計。我國《抗規》中對使用隔震設計的結構做了較為嚴格的限制，限制了上部結構的類型為多層砌體、鋼筋混凝土框架、剪力墻等，這樣限制目的是使隔震體系的受力明確，計算模型簡化，保證結構以剪切變形為主。但是目前的隔震設計在以下方面還存在著分歧。

1.1 非比例阻尼的影響

目前的隔震設計中大多數采用鉛芯橡膠支座和普通橡膠支座混合搭配使用的，兩種支座的不同之處在于鉛芯橡膠支座中壓入了鉛芯，鉛芯具有良好的吸收耗散能量和塑形變形的功能，其剛度較普通橡膠支座的大。在地震作用下，鉛芯橡膠支座將發生很大的剪切變形，內部鉛芯發生屈服現象，能夠很好的吸收地震能量，由于鉛芯具有良好的柔軟性，在地震的反復作用下，其性能也能很好的恢復。鉛芯的作用等同于一個阻尼器，其阻尼的影響是不能忽視的。正是由于上部結構混凝土與隔震支座的材料特性不一樣，在結構分析時便會出現非比例阻尼的問題，周云指出非比例阻尼是隨著結構隔震層的變形而不斷變化的，并不是一個定值，由于這種不定性，目前隔震計算中還沒法實現對非比例阻尼的準確模擬，現有規范的處理方式是將上部結構簡化等效為單質點模型，認為地震作用下隔震層以上結構整體平動，且定義隔震層與整體結構的阻尼比是相同的，即采用模態阻尼，忽略了非比例阻尼的影響，這種做法是偏于安全的。有限元通用軟件MIDAS-GEN可以通過對隔震層定義組阻尼比簡化處理非比例阻尼，將地震中非比例阻尼定義為一個定值，實現對隔震層及上部結構的不同阻尼比的定義，但這種處理方式也僅是一種簡化處理方式。根據《抗規》12.2.4中第2條，隔震層的水平等效剛度和等效粘滯阻尼比可按下列公式計算：

式中：ζeq——隔震層等效粘滯阻尼比；

Kh——隔震層水平等效剛度；

ζj——j隔震支座由試驗確定的等效粘滯阻尼比，設置阻尼裝置時，應包括相應阻尼比；

Kj——j隔震支座由試驗確定的水平等效剛度。

本文采用MIDAS-GEN對考慮非比例阻尼對結構層剪力的影響做了對比分析，對某隔震結構考慮非比例阻尼與不考慮非比例阻尼的樓層剪力做了對比分析，如圖1所示。從圖中可以看出，對考慮或不考慮結構非比例阻尼，結構樓層剪力在峰值處的差別還是比較明顯的，隨著地震作用的減小，非比例阻尼的影響越來越小，兩個曲線的吻合很好。

圖1 考慮非比例阻尼與不考慮非比例阻尼的樓層剪力對比圖

1.2 規范中重力荷載代表值的定義

《抗規》中12.2.3第3條中規定：橡膠隔震支座在重力荷載代表值的豎向壓應力。甲類建筑不應超過10MPa，乙類建筑不應超過12MPa，丙類建筑不應超過15MPa。對于本條中重力荷載代表值的定義目前還存在著一些分歧，大多數的結構設計人員將這里的重力荷載代表值按照規范中5.1.3中的定義取值，但是這樣計算確是偏于不安全的。在隔震設計中初步選定支座是根據豎向力的大小來選取支座的，如果把規范中定義的“D+0.5L”作為豎向力來選取支座的話，結果是偏小的。朱炳寅對于規范中的重力荷載代表值有不同的解釋，指出規范中的重力荷載代表值是廣義的，不僅指荷載效應基本組合的設計值，也包括地震作用效應和其他荷載效應的標準組合值。隔震支座壓應力計算主要包括以下三種情況：（1）按一般永久荷載和可變荷載的基本組合計算；（2）當結構需要進行傾覆計算時，作用在支座頂部的壓應力應包括水平地震作用效應和其他荷載效應標準組合進行計算；（3）對需進行豎向地震作用計算的結構，隔震支座壓應力的計算還應包括豎向地震作用效應和其他荷載效應標準組合。基于上述三種情況選取隔震支座，隔震支座在減小水平作用的同時也可以保證支座在豎向力作用下的承載力。通過上述三種情況的荷載效應組合，在選取隔震支座時充分保證了豎向力的傳遞，隔震支座的選取才算是安全合理的。

1.3 隔震支座拉應力的計算及控制方法

《抗規》第12.2.4條中規定，隔震層在罕遇地震下應保持穩定，不宜出現不可恢復的變形，其橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時作用下，拉應力不應大于1MPa。這里指出計算支座拉應力時，其控制力為罕遇地震的水平與豎向同時作用下，但是規范并沒有具體指出其荷載的組合方法。在對隔震結構進行非線性分析時，計算支座的拉應力主要由以下幾種：（1）將重力荷載代表值與時程非線性分析結果作為單獨的荷載工況進行簡單的線性組合，沒有考慮隔震支座在受拉和受壓時的剛度是不同的；（2）目前許多的隔震設計中，僅將重力荷載代表值引起的結構內力作為時程分析的初始條件，但是未考慮支座的初始變形，當結構有傾覆力矩作用時，隔震支座的拉力過大，雖然計算結果是偏于安全的，但影響隔震支座的合理布置，與實際情況有偏差；（3）將重力荷載代表值引起的結構內力及變形作為時程分析的初始狀態，從而得到支座準確的內力，這是一種非線性分析，在進行時程分析時結構已經有初始非零狀態，這種響應與荷載不成正比，得到的內力結果也不是簡單的疊加計算。對于隔震結構，重力荷載作用下的結構真實的狀態始終是結構的初始狀態，利用第三種計算方法顯然更為合理實際。

在很多隔震計算中，往往會由于隔震支座的拉力過大而影響了整體結構的布置，尤其對于高寬比較大，易出現傾覆效應的結構，在外側邊緣的隔震支座易出現拉應力，且拉應力也應控制在規范允許值范圍內，解決隔震支座的拉應力應從以下兩個方面解決：（1）優化上部結構及隔震支座的布置，保持結構總荷載基本不便，調整柱網布置，使隔震支座的受荷范圍增大，隔震支座直徑增大，抗水平作用變形能力提高。但在高層剪力墻結構中，由于剪力墻底部的傾覆力矩比框架大很多，位于邊緣剪力墻底部的隔震支座更容易出現拉應力，剪力墻的剛度越大反而會越來越增大隔震層支座的水平地震力，這種情況下只能通過對剪力墻開洞或者優化分散布置剪力墻來改善隔震支座的拉力，對于周邊的剪力墻及梁柱可以適當增加剛度，適當削弱內部構件的剛度，減小由于高層建筑的扭轉效應帶來的支座拉應力；（2）采用有抗拉能力的隔震支座。當罕遇地震作用下結構邊緣個別少量隔震支座的拉應力值超限時，通過第一種方法很難避免支座拉應力超限時，可采用抗拉隔震支座，目前的高層結構隔震設計大多采用抗拉隔震支座與橡膠隔震支座混合使用，抗拉隔震支座具有 剛度比較小且抗拉能力比較強的特點，但由于其造價較高，很難被廣泛推廣使用。

1.4 隔震設計的分析方法

目前的隔震設計大多數采用規范推薦的時程分析法，時程分析法的優點是可以比較準確的模擬地震動，可以記錄結構地震響應的整個過程，但是在選波過程中較難選到滿足規范要求的地震波，往往在選波過程中花費時間，并且有時各條波的計算結果分散性較大。振型分解反應譜法是一種擬靜力方法，能夠同時考慮結構各頻段振動的振幅和頻譜，但忽略了地震作用的隨機性。薛彥濤通過采用能量法推導出隔震結構的振型阻尼比，即將不同阻尼材料的結構阻尼比采用應變能加權平均的方法得到一個固定的振型阻尼，并采用振型分解反應譜法對隔震結構進行計算分析，計算得到的基底剪力與時程分析的基本一致，但這種計算方法僅限于理論方面，目前振型分解反應譜法還沒有用于進行隔震設計。本文對某已建宿舍樓進行反應譜分析，該宿舍樓位于8度區，已經采用時程分析法進行了隔震設計，且達到了預期減一度的目標。

表1 各個軟件隔震與非隔震模型周期對比

表2 非隔震結構與隔震結構X向樓層剪力比

表3 非隔震結構與隔震結構Y向樓層剪力比

圖2 非隔震結構與隔震結構X向樓層剪力

圖3 非隔震結構與隔震結構Y向樓層剪力

本文采用 ETABS、MIDAS GEN、SAP2000 及設計軟件YJK對上述某已建隔震宿舍樓進行振型分解反應譜分析，從表1可以看出上述軟件周期計算結果接近，圖2、圖3為上述軟件的樓層剪力對比圖，可以看出上述軟件的計算結果吻合度較高。表2、表3為隔震結構和非隔震結構的樓層剪力比，可以看出采用振型分解反應譜法計算的樓層剪力偏大，計算的減震系數比時程分析計算結果偏大，根據《抗規》12.2.5第2條計算隔震后的水平地震影響系數最大值，并不能達到預期的減震目標。

2 結論

通過對隔震設計中遇到的有分歧的幾個問題進行探討，可以得出：（1）非比例阻尼對隔震結構在地震峰值時的影響比較明顯，在隔震設計中不可忽略；（2）計算隔震支座的壓應力時，重力荷載代表值的為廣義的，隔震支座的選取應保證支座在豎向力作用下的承載力；（3）計算隔震支座拉應力時，應考慮結構的初始內力及初始變形；（4）振型分解反應譜法是一種擬靜力方法，計算隔震模型時，減震系數較時程分析的結果偏大。