某8.5度区框架结构隔震设计与分析

许 迪

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

地震是群灾之首，因其巨大的破坏力和突发性，常给人们的生活带来毁灭性的打击，造成较为严重的人员伤亡、财产损失。我国是世界上遭受地震较为严重的国家，曾经遭受到较为严重的损失。传统的结构设计利用建筑物自身材料的刚度和强度抵抗和消耗地震的能量，保护建筑使用对象的生命和财产安全。随着抗震技术的研究发展，于高烈度区采用以柔克刚的隔震技术越来越被设计师认可和采用。隔震技术通过隔震支座的设置，使地震时地面输入建筑物的能量由隔震支座装置吸收和削减，通过设置支座对地上结构的动力性能进行调整，使建筑物在地震时的振动反应大为降低，有效保护建筑结构、人员安全和内部设置[1-3]。

1 工程概况

本温泉小镇位于云南省丽江市，其中对拟建酒店采用隔震结构。拟建酒店地上6层，地下1层，采用钢筋混凝土框架结构体系。本工程合理使用年限为50年，建筑结构的安全等级为二级，地基基础设计等级为乙级，抗震设防类别为丙类，见图1。

根据《建筑抗震设计规范》[4]附录A的划分，结合地勘报告，本工程所在地的抗震设防烈度为8度，设计地震分组第二组，设计基本地震加速度值为0.30g，场地土类别Ⅲ类，场地特征周期为0.55 s。

为了减少框架梁、柱的截面和配筋，满足建筑室内平面效果要求和取得良好的经济效益，隔震支座和隔震层拟设置在地下室顶，隔震支座下部结构柱顶之间设置框架主梁不设楼板以便于隔震支座的检修维护。

2 上部结构反应谱分析主要结果及主要设计构造

上部结构设计时水平地震作用按设防烈度8度(0.30g)降低1度设计，即水平地震影响系数的最大值为0.12。抗震等级相应取为三级(抗震构造措施按二级)，隔震层下部结构抗震等级仍按8度(0.30g)考虑取为二级(抗震构造措施按一级)。

隔震层以上结构的反应谱分析计算指标如表1所示，完全满足规范要求。

隔震措施应符合《建筑抗震设计规范》12.2.7条的相关规定。隔震层顶部设置梁板式楼盖，且符合下列要求：

1)隔震支座的相关部位应采用现浇混凝土梁板结构，现浇板厚度不应小于160 mm；2)隔震层顶部梁、板的刚度和承载力，宜大于一般楼盖梁板的刚度和承载力；3)隔震支座附近的梁、柱应计算冲切和局部承压，加密箍筋并根据需要配置网状钢筋。

表1 隔震结构上部结构反应谱分析结果

3 支座选择和下部结构主要设计结果

根据参数分析，所采用的设计隔震支座性能[5]如表2所示。

表2 隔震支座力学性能参数

隔震层支墩、支柱及相连构件，应采用隔震结构罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩进行承载力验算。

隔震层下的结构(包括地下室和隔震塔楼下的底盘)中直接支承隔震层以上结构的相关构件，应满足嵌固的刚度比和隔震后设防地震的抗震承载力要求，并按罕遇地震进行抗剪承载力验算。为增强下部结构的刚度和整体性，在下部结构中设置剪力墙及柱顶设置拉梁。

使用PKPM中的“EPDA&PUSH”模块进行静力弹塑性分析(pushover)表明：下部结构在罕遇地震下的层间位移角小于1/200，满足规范要求。

4 时程分析法对隔震结构的补充分析结果

采用ETABS模型(如图2所示)，对减震结构进行时程分析法分析。根据《抗规》的要求，时程分析法每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线的平均值不应小于80%。根据场地类别、地震等级、地震特点等参数，选出多组与目标反应谱接近的天然地震波。

7组地震波在反应谱法与时程分析法下的结构底部剪力结果如表3所示。分析结果表明，采用时程分析所得底部剪力均小于反应谱方法分析结果。该系统采用反应谱方法分析即可满足规范可靠度要求。

表3 时程分析法与反应谱方法分析结果对比 kN

5 计算结果的把控

本工程案例初步计算过程中发现，当结构支座布置不当时，结构角部部分隔震支座在8.5度罕遇地震作用下出现了较大的拉应力，并超过了规范限制1 MPa，如表4所示。

通过表4可发现，角部柱子3号与46号出现了451.9 kN与488.8 kN的轴向拉力。为了解决该问题，通常有以下几种有效的方法：第一，若支座位移还有较大的富余，可以适当降低隔震支座群的总刚度，使得隔震结构的第一周期远大于场地特征周期，从而达到阻隔更多地震能量的目的。第二，若支座位移已经接近限值，那么隔震支座群的总刚度就不能被大幅度地减少；若角部拉应力超限值不多，那么可以在角部柱下设置双橡胶支座，以满足规范限值要求。第三，若以上两种方法都达不到要求，可以选择性地替换1条～2条计算结果离散性较大的天然地震波。第四，降低隔震目标，调整结构布置方案。

本工程案例中通过在角部柱下设置双隔震支座的方法解决了该问题。

在本工程案例的分析计算过程中，笔者发现，当结构形式固定，隔震支座布置基本合理的情况下，隔震效果也有“瓶颈”。这是因为在一般情况下，隔震支座群的阻尼越大，隔震效果越好。但当隔震结构的自振频率远小于地震波振动频率后，通过增加隔震支座阻尼的方式已经很难达到良好的隔震效果。本工程案例在罕遇地震作用下支座的受力与位移情况如表4所示。

6 平面不规则情况和抗震加强措施

因本工程考虑偶然偏心影响的地震作用下，部分单体的局部楼层竖向构件的最大水平位移(或层间位移)大于该楼层平均值的1.2倍，属扭转不规则。

针对结构的扭转不规则，通过对整体结构的平面布置调整，合理调整整个结构体系的刚度以最大限度地限制结构的扭转效应，从而增强整个结构体系的抗震性能。其中，在双向地震作用及偶然偏心地震力作用下的楼层最大弹性水平位移与该层平均位移的比值均不超过1.40。同时，应控制结构的前两个周期均为平动周期，第三周期为扭转周期。

7 结语

对某8.5度区框架结构进行详细的结构分析和支座优化设计，可以得出如下结论：

1)隔震结构分析，首先应根据具体的结构特点选择合适的结构形式、支座布置位置和方式。2)完善时程分析、推覆分析和时程分析。不同类型的分析形式互相补充方可发现结构不同角度的不同问题。时程分析根据场地土特点选择合适的天然地震波。3)隔震支座的布置方案应合理，建议将高阻尼的隔震支座布置在结构角部与周边，低阻尼隔震支座可尽量布置在结构内部，既能发挥隔震效果，又能节省造价。4)通过调整隔震支座的布置方案，选择合适的支座类别与型号，能够提高隔震体系的合理性。