对框剪结构的隔震设计的探讨

王佳

（陕西省现代建筑设计研究院，陕西 西安710000）

国内历次出现的地震灾害，大多是由于没有提前对地下活断层的运动采取强有力的防护措施，唐山大地震就是一个很典型的例子。如果只是单纯的针对烈度进行建筑防护，难以避免出现重大的损失。随着科学技术的进步，世界上已经出现了能够有效减震的方式方法，而隔震技术显然是当前最值得深入挖掘和研究探讨的重点，其在国外相关实验中表现出了良好的减震效果。隔震设计最主要依靠的原理就在于延长结构周期，尽量在预先掌握地质条件的情况下让建筑物远离地震动卓越周期，并在建筑结构上增强阻尼，即建筑物高层的稳固性也能得到增强。拥有良好的隔震设计，能够为建筑提供足够的震动承载力，也能够在震动过程中发挥复位效果。

1 工程概况

本建筑工程上部结构高42 米，层高3 米，高宽比例为3.15。结构形式采用的是钢筋混凝土框架剪力墙，该建筑类别为乙类，建筑物抗震设防烈度为7 度，所设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第一组，场地特征周期为0.40s，场地类别为Ⅲ类。经过统计，该建筑工程采用了建筑隔震橡胶支座，目前最大偏心率均小于5%，隔震支座的分布运用十分合理。结合建筑工程实际情况，采用Etabs 进行建模并对其隔震设计进行分析。

2 框剪结构的隔震设计分析

2.1 地下隔震支座分布与分析。建筑采用铅芯橡胶支座和天然橡胶支座共同组成，且布置在地下一层，将铅芯隔震橡胶支座分布在外围的支撑点，将橡胶支座（LNR1500）布置在建筑的最中心点上，其他支撑点均也采用橡胶支座（LNR1400）进行支撑。通过分布模式明显能够凸显隔震设计的主要作用点，这样的分布更有益于建筑阻隔外部震动。与此同时，以现行的《建筑抗震设计规范》为依据，隔震层的支座、相连构件等组成要素必须满足罕遇地震下，隔震支座底部各个方向的承受能力要求。在发生罕遇地震的情况下，建筑隔震层的水平方向位移最大不可大于隔震支座有效直径的0.55 倍，亦或是隔震支座橡胶层厚度的3 倍，而这二者的最小值是隔震层在罕遇地震中的合格界限。本建筑工程运用到了Etabs 软件来进行建模，其中分别将隔震与非隔震的建筑模型进行相应的对比分析，并通过软件功能计算得到非隔震模型所能够达到的层间剪力和实际质量。在隔震模型与非隔震模型的质量相差1.79%的情况下，基本可以将Etabs 软件所生成的有限元模型判别为准确模型，在建模的良好条件之上，框架剪力结构中的隔震设计分析是有一定准确效果的。

2.2 隔震结构减震计算与分析。针对本建筑工程的隔震结构进行隔震支座抗压力指数计算与抗风承载力数值计算，来进一步确认框架剪力墙结构隔震设计的有效性。在隔震制作压应力方面，相关文件中有明确指示，该建筑工程类别在采用相较隔震支座且重力荷载值在标准范围内，所能够承受的来自纵向的压应力，应当控制在15MPa 的范围之内。本建筑使用的铅芯隔震支座所承受的纵向压应力平均值约为3.9MPa，而非铅芯隔震支座所承载压应力平均值约为7.5MPa，通过计算可以得出，本建筑工程在重力荷载代表值的作用下，各类型支座都能够保证在技术要求的规范之内。由于现如今诸多建筑工程都属于高层建筑，所以抗风承载力需要得到更进一步的重视，尤其是在隔震结构的设计上，也同样需要对风力进行谨慎考量。为了能够让隔震层在风荷载的作用下依然保持其稳定性，相关文件当中同样做出了十分明确的标准规范，即无论是否为防地震作用下的风荷载标准值产生的总水平方向力应当控制在总重力的10%之内。将本建筑工程结合这一要求进行验算：根据公式：rwVwk≤VRW计算比较可得，本建筑的重力为102000，当风力方向为X，其水平剪力的标准值应为1048；而当风力方向为Y 时，水平剪力标准值因为1318。通过计算可以得出，在方向为X 与Y 情况下，水平剪力标准值与重力的比率分别为0.89%和1.31%。

2.3 恢复力计算分析。隔震装置一个建筑中是最直接面对地下岩层的频繁活动的部分，且一旦遇到地震其受到的外部压力是最大的，也是决定着整个建筑是否能够在地震中安然的关键所在。因此，隔震装置本身需要很强的韧性，应力争在地震的反复作用力下，仍能够保持良好的恢复能力，《建筑抗震设计规范》也同样对其进行了明确的规定：在设防地震的作用下，铅芯橡胶支座和天然橡胶支座由于位置和数量的不同，应当非分别产生不同程度的隔震作用，且二者的弹性恢复能力在具体数值的层面上应当大于等于1.40VRW。经过计算，本建筑工程的隔震支座弹性水平恢复力为2552kN，是满足其承载力设计规范的要求的。

3 隔震设计的难点

3.1 剪力墙布置问题。剪力墙的布置问题主要是源自于框架建立结构的设计原则与地震情况下相连框架柱偏移的矛盾。框剪结构的布局需要将剪力墙均匀分布到建筑物的四周围，这种结构具有框架结构平面的布置灵活和布置空间空间较大的优点，又具有侧向刚度较大的优点，同时框剪墙结构在实际当中的运用还能够有效承受一定程度的水平荷载，与框架相结合，能够增强建筑的稳定性。但是，这样的布局方法如果一旦遇到罕遇地震，就会出现相连框架柱的偏移问题，尤其是一些建筑因其自身的特殊情况而对剪力墙的设置有限制因素的时候，这种问题更易出现。因此，这就需要注意在进行隔震设计的过程中尽量将结构高宽比缩小。如果在本就容易产生偏拉问题的条件下，高宽比例过大，那么拉力也会随之加大，成为不可避免的困难。本建筑工程的宽高比为3.15，可能会存在这一问题。

3.2 转换梁的设计问题。所谓的转换梁设计问题，无非是因为建筑的上下结构需要设置贯通的水平隔离缝，这对于建筑工程来说是必要存在的，在剪力墙和底层框架结构连接处要设转换构件，发挥其转换功能。在本建筑工程当中，针对转换梁的设计还添加了材料巩固加强，使得隔震设计也能够得到进一步完善。在同类型的建筑设计与隔震设计当中，则需要注重转换梁的灵活应用。

3.3 隔震设计方案的完善问题。在进行隔震设计的过程中，需要结合实际情况采用不同的设计方案，这一点在实际操作中还需要灵活运用。通常情况下，隔震设计层以上的模型工程设计会采取多种不同的做法。比如，地下隔震区域的设计，可以采取两种形式，第一种是明确隔震层的所在，将隔震支座底部设置为梁析，将隔震层更加清晰地划分出来；第二种就是在隔震支座的下方设置下柱墩，并在柱墩的上方予以框架梁设置，如此能够加强柱墩的稳定性，对水平方向的偏移力产生明显的抵抗效果。这两种做法就可以针对不同的工程状态结合实际情况运用。因为第一个方案具有较强的整体性，如果隔震支座的底部楼析已经施工完毕，那么就可以运用这一方案对整体设计进行更进一步的优化。

3.4 电梯井设计问题。电梯井的设计与隔震支座的布置设计同样存在着一定的矛盾，因为二者在结构的位移要求上是不同的，电梯井因为需要一个稳定的空间保证正常运行，所以需要隔震支座的上下部位移是同步的，可是其本身并非完全同步。这就要求在电梯井的设置上需要首先考虑到节点构造，让电梯井与隔震结构的上部分同步，以此来保证电梯井的正常运行。另外还需要考虑到电梯井周围的预留隔离缝，一是能够为出现不同步问题带来应对措施，另一方面还可以在隔离缝设置滑动装置，让电梯井运作获得更多辅助效果。电梯井没有到达地下时和进入到地下区域时，都能够分别于隔震上下结构产生良好的配合，另将电梯上部与对应梁相连接，已达成电梯井与隔震系统结合为一个整体。

结束语

综上所述，隔震设计的运用确实能够为建筑工程带来质量和稳定性的保障，使其在面对地震灾害时更有足够的抵抗力来保护人民的生命安全。通过专业软件分析与相应计算可以得知，本建筑工程无论是在地下隔震支座分布、隔震结构设计以及弹性恢复力上都能够达到相应的要求。然而，由于是一项新兴技术，还有诸多需要人们关注和努力解决的问题。遇到问题是在所难免的，只要发挥刻苦钻研、实践创新的精神，想必我国的建筑工程抗震技术会越来越纯熟，我国的建筑工程质量也会不断提高，由此真正为人民群众的生命财产安全带来保障，也为我国的社会经济发展发挥积极推动作用。