框架剪力墙结构隔震设计分析

曹锐锋

摘 要：地震灾害给人们的生活和经济带来了巨大的影响，强大的破坏力可以直接摧毁建筑物。框架剪力墙结构是现在应用比较广泛的一种建筑形式。本文以已有的框架剪力墙结构为基础，运用有限元软件Etabs进行隔震设计分析，并研究了多遇地震作用下和罕遇地震作用下的不同隔震方案。对比分析发现，基础隔震和层间隔震都能起到很好的消能效果，但是基础隔震消能效果更加显著。

关键词：框架剪力墙;有限元分析;隔震设计;消能效果

中图分类号：TU973.16文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）12-0087-03

Analysis on Seismic Isolation Design of Frame Shear Wall Structure

CAO Ruifeng

（School of Civil Engineering and Transportation， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： Earthquake disasters have had a huge impact on people's lives and economy， and powerful destructive power can directly destroy buildings. Frame shear wall structure is a kind of building form that is widely used nowadays. Based on the existing frame shear wall structure， this paper uses the finite element software Etabs to carry out seismic isolation design analysis， and studies different seismic isolation schemes under the action of frequent and rare earthquakes. Comparative analysis finds that both basic isolation and layer isolation can have a good energy dissipation effect， but the effect of basic isolation and energy dissipation is more significant.

Keywords： frame shear wall;finite element analysis;seismic isolation design;energy dissipation effect

地震灾害直接影响人们的生命安全和财产安全，一场地震可以直接摧毁人们居住的房屋和交通，更不用说地震灾害引发的次生灾害。地震灾害对房屋建筑的破坏是巨大的，随着现代化和城市化的推进，高层建筑成为越来越多人选择的居住方式。其中，框架剪力墙结构形式应用普遍，因其框结构的受力特征结合了框架结构和剪力墙结构两种不同的抗侧力方式和横向强度能力[1]。基于此，本文对已有的框架剪力墙结构进行了基础隔震和层间隔震研究。

1 工程实例概况

某高层建筑采用框架剪力墙结构，楼层为12层，地基基础设计等级为乙级。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15 g（g为重力加速度，取9.8 m/s2），特征周期为0.55 s。下面用有限元软件Etabs对结构进行建模分析，结构三维模型如图1所示。

2 隔震模型建立

2.1 隔震方案和配置

对于建筑物来说，隔震层需要满足五个基本条件：能够支撑上部建筑物的质量，并且不能有太大的竖向变形发生;要足够柔软，即要求刚度很小，以便有效隔绝地震波的传递;一旦发生地震，建筑振动完成后要求自动恢复到原先状态;能够吸收地震输入的能量，减少能量向上部建筑的传递;要有足够的变形空间，允许建筑物自由振动[2]。

本文对基础隔震和层间隔震的方案进行对比分析，比较了两种方案的优缺点。设计时选用的隔震支座有两种，一种是铅芯橡胶支座，一种是普通橡胶支座。

2.2 隔震支座的布置

隔震支座布置需要将柱下支座和剪力墙下支座相结合，每个柱子下面布置一个隔震支座，这样受力更均匀，剪力墙通常布置在墙体两端，这样出现受拉的可能性最小[3]。

根据相关规范要求，对于乙类建筑，支座的长期面压应保持在12 MPa以下，由此容易换算出支座所需要的最小直径[4]。

根据上述隔震布置要求，本工程的隔震层采用图2中的布置方案。

3 多遇地震下隔震结构对比分析

3.1 地震波的选取

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010），應选用不少于两组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线[5]。

结构的地震响应不仅取决于本身的动力特性，也取决于输入地震波的特性，即地震动的频谱特性、幅值和持续时间[6]。在满足上述规范的要求下，本文选取两条实际强震记录波和一条人工模拟加速度时程曲线。

3.2 结构的自振周期

下面对隔震模型和非隔震模型进行模态分析。在增加隔震支座前，原结构的最大自振周期为1.539 s，在增加隔震支座后，结构自振周期显著地延长。

3.3 多遇地震作用下的楼层底部剪力

在多遇地震作用下，研究人员对结构进行分析，得到结构的楼层底部剪力，如图3所示。可以看到，布置隔震支座后，结构楼层的基底剪力明显降低，其中基础隔震效果最明显，层间隔震效果次之。原结构的最大楼层基底剪力达到8 432.2 kN，基础隔震的最大楼层基底剪力为1 093.6 kN，层间隔震的楼层最大基底剪力为5 975.5 kN。基础隔震楼层最大基底剪力仅为原结构的13%，层间隔震楼层最大基底剪力也只有原结构的70.9%。结构布置支座能起到明显的消能效果，其中在结构基础布置支座的消能效果比在结构中间布置支座的消能效果更加明显。

3.4 多遇地震作用下的层间位移角

在多遇地震作用下，下面对结构的最大位移和结构的楼层层间位移角进行分析，如图4所示。可以看出，原结构完全将隔震结构的楼层最大层间位移角包络住。其中，原结构的最大层间位移角为0.001 08，满足相关规范要求的不超过0.001 25，布置隔震支座后，最大层间位移角明显减小，其中，基础隔震的最大层间位移角为0.000 76，层间隔震的最大层间位移角为0.001 01。基础隔震的最大层间位移角僅为原结构的70.4%，层间隔震的最大层间位移角为原结构的93.5%。从整体来看，在多遇地震作用下，在框剪结构基础布置隔震支座的消能效果比在框剪结构中间楼层布置隔震支座的消能效果更明显，基础隔震更加优越。

4 罕遇地震下隔震结构对比分析

4.1 罕遇地震作用下的楼层基底剪力

在对结构进行多遇地震作用下的分析后，按照相关规范要求，人们还要在罕遇地震作用下对结构进行分析。在罕遇地震作用下对框架剪力墙结构进行分析后，得到结构的楼层基底剪力，如图5所示。可以看到，与在多遇地震作用下的情况类似，在布置隔震支座后，结构楼层的基底剪力得到更加显著的降低，其中基础隔震效果最明显，层间隔震效果次之。在罕遇地震作用下，原结构的最大楼层基底剪力达到145 496.9 kN，基础隔震的最大楼层基底剪力仅为6 056.2 kN，层间隔震的楼层最大基底剪力为59 662.8 kN。基础隔震楼层最大基底剪力仅为原结构的4.2%，层间隔震楼层最大基底剪力也只有原结构的41%。罕遇地震作用下，结构布置隔震支座能起到更加明显的消能效果。

4.2 罕遇地震作用下的层间位移角

下面在罕遇地震作用下对结构的最大位移和结构的楼层层间位移角进行分析，如图6所示。可以看出，原结构将隔震结构的楼层最大层间位移角包络得更加明显。其中，原结构的最大层间位移角为0.017 79，不满足规范要求的不超过0.01。在布置隔震支座后，最大层间位移角都得到了明显的减小，其中，基础隔震的最大层间位移角为0.001 37，满足相关规范要求，且仅为原结构的7.7%。层间隔震的最大层间位移角为0.006 28，满足相关规范要求，只有原结构的35%。尽管原结构不满足相关规范要求，但是给结构布置隔震支座后，隔震结构远远满足相关规范要求。

5 结语

本文运用有限元软件Etabs，针对框架剪力墙结构，分析不同的隔震支座布置方式和原结构在多遇地震和罕遇地震作用下的特征。分析结果表明，相较于原结构的地震作用，布置隔震支座后的结构起到极好的消能效果，能很好地保证结构安全。相比在结构中间布置支座，在结构基础布置支座的消能效果更好。在罕遇地震作用下，原结构的最大层间位移角不满足相关规范要求，但是给结构布置隔震支座后，隔震结构的最大层间位移角完全满足相关规范要求。

参考文献：

[1]刘军，冯春雷.云南7度区某医院框剪结构隔震设计[J].建筑结构，2018（5）：104-108.

[2]薛彦涛，常兆中，高杰.隔震建筑设计指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2016：7.

[3]钱晓旭，韩晓健.不同基底隔震形式加层结构的动态特性研究[J].工业建筑，2020（11）：184-189.

[4]徐至钧.建筑隔震技术与工程应用[M].北京：中国标准出版社，2013：29.

[5]住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范：GB 50011—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[6]吕西林，周德源，李思明，等.建筑结构抗震设计理论与实例[M].上海：同济大学出版社，2011：88-89.