考慮豎向地震作用的大跨隔震構造措施可靠性分析

滕曉飛,周林麗,曾玲玉,姚文花

(1.嘉應學院 土木工程學院，廣東 梅州 514021；2.廣州大學 工程抗震研究中心，廣州 510000)

1 概述

結構抗震設計中，通常普遍重視水平地震作用的影響，對豎向地震的關注相對較少[1-2]。然而，隨著社會經濟的快速展，當前的結構體系較之過去有很大不同，出現了許多大跨度、超高層的隔震結構體系。我國抗震設計規范明確指出對于8度以上的部分結構應計算豎向地震作用，并對隔震體系應考慮的豎向地震作用最低限值做出了相關規定[3]。學者們這對隔震技術的推廣和應用進行了大量的研究工作并取得豐碩的成果，杜永峰、李慧等[4]等建立了非比例阻尼多自由度隔震體系的時域動力響應工程算法；薛彥濤，巫振宏等[5]提出計算隔震結構地震響應的振型分解反應譜方法；黨育，霍凱成[6]對多層隔震結構的豎向地震作用取值及豎向地作用效應進行了研究。Y.H.Liu，P.Tan等[7]利用邊界條件將隔震裝置和框剪結構的影響引入分布參數系統，推導了模態正交條件和各階模態的等效阻尼比，并通過算例驗證了求解隔震高層框剪結構地震反應的方法。Tena-Colunga,Arturo等[8]提出了低矮剪力墻基礎隔震結構的簡化混合設計方法。然而這些研究只是針對隔震結構的地震作用計算或抗力計算，針對抗震措施的研究還相對較少。

隔震設計的核心內容不僅包括地震作用計算和結構抗力計算[9]，同時還包括隔震構造措施[10]。對于僅考慮水平地震作用的情況，我國規范根據水平向減震系數對抗震措施的降低程度做出了規定；然而，隔震結構隔離豎向地震作用的能力相對有限，我國規范規定當隔震結構的水平向減震系數小于0.4時，可適當降低規范對非隔震建筑的抗震措施要求，烈度降低最多不超過一度，但不應降低與抵抗豎向地震作用相關的抗震構造措施(主要指鋼筋混凝土結構的墻、柱軸壓比等)。事實上，水平抗震構造措施的降低必然會影響到結構的豎向性能和設計結果。為了研究豎向地震作用下，抗震構造措施變化對整體可靠性的影響，筆者分析了隔震設計中的豎向地震和延性設計方法等問題，對某8度區大跨度結構進行隔震設計并結核動力彈塑性時程分析研究了構造措施對隔震體系可靠性的影響。

2 豎向地震下的隔震問題

建筑物在遭受地震時，相當于地震波在建筑基礎部位施加了一個復雜多變且不穩定的力，這種地震力包括水平、豎向以及轉動分量[11]。豎向分量通常與水平分量的震級及震中距相關，因此其重要性是不容忽視的。我國抗震設計規范明確指出8度以上的大跨度結構、長懸臂構件以及9度區的高層建筑應計算豎向地震作用，計算公式如下：

FEvk=αvmaxGeq

(1)

(2)

式中:

FEvk——結構總豎向地震作用標準值；

Fvi——第i個質點的豎向地震作用標準值；

αvmax——豎向地震影響系數最大值，通常取水平地震影響系數最大值的65%；

Geq——結構等效總重力荷載，通常取重力荷載代表值的75%。

同時還規定了隔震層以上結構構造措施的要求：當水平向減震系數大于0.40時不應降低非隔震時的有關要求；水平向減震系數不大于0.40時，可適當降低規范有關章節對非隔震建筑的要求，但烈度降低不得超過1度，與抵抗豎向地震作用有關的抗震構造措施不應降低。事實上，水平抗震構造措施與隔震結構的豎向性能直接相關，其降低程度必然影響到結構的豎向性能和設計結果。

3 延性隔震設計方法

相關文獻研究表明[12]，結構體系的抗倒塌能力與其屈服機制密切相關。相較于柱端屈服型框架易形成連續倒塌機制，梁端屈服型框架有較大的內力重分布和耗能能力，極限側向變形能力大，抗震性能較好。因而，隔震設計時可以通過人為調整梁柱端彎矩設計值關系以推遲塑性鉸的出現時間：

∑Mc=ηc∑Mb

(3)

式中：

∑Mc——梁柱節點上下柱端截面的組合彎矩設計值之和；

∑Mb——梁柱節點左右梁端截面的組合彎矩設計值之和；

ηc——框架柱端彎矩增大系數。

對于隔震層以上的結構構件，常見破壞形式分為彎曲破壞和剪切破壞。其中，彎曲破壞通常屬于延性破壞，一般會產生較大的非線性變形；而剪切破壞則伴隨著剛度和強度的大幅度退化，屬于一種對結構安全非常不利的脆性破壞模式。因而，隔震設計時可以通過在配筋設計時對不同延性要求的構件采用不同的剪力增強系數來實現“強剪弱彎”的延性設計模式。對框架梁或連梁構件、框架柱或框支柱的剪力設計值可采用如下調整：

(4)

(5)

式中：

Vb、Vc——梁、柱端截面組合的剪力設計值；

ln——梁的凈跨；

Hn——柱子凈高；

VGb——按簡支梁且考慮豎向地震作用的截面剪力設計值；

ηvb、ηvc——為梁和端的剪力增強系數。

隔震結構的節點核心區部位則是保證整個隔震體系承載能力和抗倒塌設計的關鍵，為滿足延性設計的要求，可在該部位按下式要求進行剪力設計值的調整：

(6)

式中：

Vj——梁柱節點核心區的剪力設計值；

hb、hb0——梁的截面高度和有效高度；

∑Mb——節點左右組合彎矩設計值之和；

ηj——正交梁的約束影響系數；

fc——混凝土受壓強度設計值；

bj、hj——節點核心區的截面寬度和高度；

ηjb——強節點系數。

為合理控制結構構件的尺寸，提高結構的延性變形能力和抗倒塌能力，對梁柱構件的最小截面尺寸、最小配筋率、鋼筋最小直徑、最小錨固長度、箍筋的加密區的長度和間距、梁塑性鉸區受拉鋼筋的最大配筋率、柱的軸壓比限值等不需要計算而必須采取的細部要求均屬于抗震構造措施，《建筑抗震設計規范》對不同延性要求的結構均有相應的要求，這些都是加強結構整體性，提高建筑物抗震性能的重要因素。因而可知，延性隔震設計很大程度上是通過抗震措施的調整系數以及相應的構造措施來保證的。水平抗震構造措施與隔震結構的豎向性能直接相關，其降低程度必然影響到結構的豎向性能和設計結果

4 算例分析

為進一步研究水平抗震構造措施變化對隔震體系可靠性的影響，首先對某8度區大跨度結構進行隔震設計，結構模型如圖1所示。該建筑功能主要用于煙草倉儲和分揀，結構平面尺寸為72.0 m×92.1 m，結構層高為9.0 m，主要跨度為18.0 m×18.0 m的井字梁系；該建筑的抗震設防烈度為8度(0.2 g)，設防分類為丙類，設計地震分組為第2組，場地類別為Ⅱ類，特征周期0.4 s；根據工程的特點考慮水平和豎向地震作用進行隔震設計，共布置了37個隔震支座(如圖2所示)。對隔震和非隔震模型在設防烈度下時程分析，得到水平減震系數β=0.32。

圖1 大跨度隔震結構模型示意

圖2 隔震支座平面布置示意

根據抗震設計規范的要求可知，上部結構最多可按降低1度進行設計，相應結構構件的水平抗震措施由1級降至2級。為進一步研究水平抗震構造措施變化對隔震體系可靠性的影響，分別按抗震措施不變K1和降1度K2兩種情況進行設計，得到不同方向的樓層設計內力結果見圖3；2層部分梁柱配筋結果見圖4(其中梁柱對應位置參見圖2)。

圖3 K1和K2的樓層設計剪力示意

圖4 K1和K2的單位面積用鋼量示意

根據分析結果可知，K1和K2兩種情況下的樓層設計內力和彈性設計層間位移角基本相同，這表明抗震構造措施的降低并不影響結構的內力計算。根據兩種情況的單位面積用鋼量配筋可知，K1情況對應的單位面積總用鋼量為55.56 kg/m2，K2情況對應的單位面積總用鋼量為50.67 kg/m2，抗震措施降低1度節省了8.8%的鋼筋用量。這種配筋的變化對框架梁、柱等抵抗水平地震作用的關鍵構件影響較大，對只承擔豎向荷載的樓板并沒有影響。這說明抗震措施的降低可以減少部分工程造價，但也相應的影響了結構的延性設計性能。

為進一步研究抗震構造措施變化對隔震結構可靠性的影響，選擇和抗震設計反應譜吻合較好的2條天然波和1條人工進行考慮豎向地震作用的動力彈塑性時程分析，3條地震波和設計反應譜的對比如圖5所示；其中，分析所用的水平加速度峰值為400 gal，豎向加速度峰值取水平向峰值的65%，即260 gal。混凝土和鋼筋的本構模型選用《混凝土結構設計規范》的塑性損傷模型，其中，鋼筋屈服后的彈性模量折減系數取0.017 5。分析得到隔震層位移見表1所示，ChiChi波水平X向和Z向共同作用下屋面a點的豎向加速度如圖6所示，1號支座豎向滯回曲線如圖7所示。

圖7 1號支座豎向滯回曲線示意(ChiChi_X)

表1 罕遇地震下的隔震層位移響應 mm

圖5 3條地震波和設計反應譜對比示意

由分析結果可知，抗震措施降低一度K2的隔震層最大位移比抗震措施不變K1較小，這是由于在罕遇地震波持續的時域內，抗震措施越低，上部結構越容易進入非線性狀態，而隔震層位移越小，隔震結構的等效剛度就越大，最終吸收了更多的地震能力，二者相互耦合共同影響著隔震結構的性能表現。但抗震措施降低一度K2的豎向加速度最大值略小于抗震措施不變K1的情況，且K2情況對應的1號支座比K1情況對應的1號支座受到了略大的軸線拉力，這是由于構造措施降低一度時上部結構更容易進入彈塑性狀態，從而利用構件的滯回耗能吸收較多地震能量，但二者的差異并不明顯。

圖6 屋面a點豎向加速度響應示意(Chichi波)

5 結語

本文研究了隔震設計中豎向地震作用和延性設計方法的問題，對某8度區大跨度結構進行隔震設計并基于動力彈塑性時程分析研究了抗震構造措施變化對隔震體系可靠性的影響。研究表明：構造措施的降低并不影響結構設計的內力計算結果；但考慮豎向地震作用時，構造措施越低上部結構越容易進入彈塑性，隔震層和上部結構相互耦合共同影響隔震結構的性能表現。