某多层框架结构隔震分析及设计

任超，顾龙威

（中国建筑上海设计研究院有限公司，上海 200333）

1 引言

地震的发生难以预测，一旦发生会严重威胁人类生命及财产安全。传统抗震设计理论的核心是延性设计[1]。在罕遇地震下，建筑结构可以通过自身的塑性变形以及延性变形削弱地震作用，以此降低建筑结构的损坏程度[2]。地震作用下，虽然结构骨架并没有遭到毁灭性破坏，但是产生了严重变形，内部损毁严重，且后期修复成本巨大。隔震技术的诞生正是为了解决这个问题。

隔震技术是指在基础和上部结构之间合理地设置隔震支座来延长结构的自振周期，增大阻尼，使结构变得更“柔”，以此削减地震作用对结构的影响。该技术能大大减小构件断面尺寸，降低含钢量，达到使用方便、经济合理的目的，且使结构的抗震性能得到提高，达到预期的隔震目标。

2 工程概况

本工程为云南某多层框架结构，抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度峰值为0.20 g，设计地震分组第三组，Ⅱ类场地，场地特征周期Tg=0.45 s。基本风压0.35 kN/m2,基本雪压0.25 kN/m2，建筑安全等级为一级，结构重要性系数1.1。结构形式为框架，共5层，建筑高度18m，宽19.3m，结构高宽比为0.9。属于重点设防类，乙类建筑。

3 地震波选取

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）（以下简称《抗规》）5.1.2条规定，分析时应选取2种波，本次分析选取了2条人工波和5条天然波。7条时程反应谱和规范反应谱曲线如图1所示。

图1 7条时程反应谱与规范反应谱曲线

4 隔震支座布置方案

本工程在多遇地震下，结构设计进行降一度设计，主要遵循以下原则：

1）根据《抗规》12.2.3条第3款规定：同一隔震层的每个隔震支座宜受到均匀的压应力，对于乙类建筑，在重力荷载代表值下该压应力不超过12MPa；

2）大震下，隔震支座不宜出现受拉状态，当少数支座不可避免地出现拉应力时，须验算其受到的拉应力，使之不大于1.0MPa，避免隔震支座被拉坏；

3）大震下，隔震支座水平位移不应达到某限值，该限值取各橡胶层总厚度的3倍和隔震支座有效直径的0.55倍这二者的较小值；

4）隔震支座形心与支墩中心相对应（如有偏心，需经验算方可布置）。

5 隔震分析

5.1 隔震支座最大剪力Vmax和最大轴力Nmax计算

Vmax和Nmax的计算采用的荷载组合如下：

1.2×（1.0×恒荷载+0.5×活荷载）+1.3×水平地震荷载+0.5×竖向地震荷载；即1.2（1.0D+0.5L）+1.3Fek+0.5×0.2（1.0D+0.5L）=1.30D+0.65L+1.30Fek（D为恒荷载；L为活荷载；Fek为水平地震荷载）。由此得到罕遇地震下每个支座的Vmax和Nmax。

5.2 隔震层水平位移计算

罕遇地震下隔震层水平位移最大值Dmax计算采用如下荷载效应组合：1.0×恒荷载+0.5×活荷载+1.0×水平地震荷载，其荷载组合：1.0D+0.5L+1.0Fek。由此得到Dmax。Dmax=263mm，隔震支座直径为600mm，其0.55倍为330mm。隔震支座厚度的最小值为112mm，其3倍为336mm。Dmax的值既小于330mm，又小于336mm，满足要求。

5.3 隔震支座应力验算

根据《抗规》12.2.4条规定：罕遇地震震下，受到的拉应力须小于或等于1.0MPa。在产生水平向剪切变形后，要求支座的竖向压应力不大于30MPa，以保证其在较大变形的情况下仍具有足够承载力，确保结构整体安全性（《抗规》12.2.3、12.2.4条文说明）。

采用如下荷载效应组合：1.0×恒荷载±1.0×水平地震荷载-0.5×竖向地震荷载，其荷载组合：1.0D±1.0Fek-0.5×0.2×(1.0D+0.5L)=0.90D-0.05L±1.00Fek，隔震支座在罕遇地震荷载下压应力验算采用的荷载组合：1.0×恒荷载±0.5活荷载+1.0×水平地震作用+0.5×竖向地震荷载，其荷载组合为：1.0D+0.5L+1.0Fek+0.5×0.2×(1.0D+0.5L)=1.10D+0.55L+1.00Fek，计算得到大震下每个支座所受到的拉应力和压应力的最大值。

在罕遇地震作用下，当荷载组合为0.90D-0.05L+1.00Fek和0.90D-0.05L-1.00Fek时，各个支座均未出现受拉状态，即没出现零应力区，满足要求。

6 针对性抗震设计

1）计算上部结构时，按8度取抗震等级，抗震设防烈度8度，地震影响系数按降1度取值，取7度：即多遇地震下的αmax值取0.08，用于12层以下规则混凝土框架结构薄弱层验算的地震影响系数最大值取0.5；隔震支座只隔水平地震作用，对竖向地震不起作用，竖向地震荷载仍按8度取值，故竖向地震组合值系数需要修改放大。

2）上部结构整体计算时，第一计算层（隔震层）的层高取1.1m，且柱底设置为铰接。

3）计算基础时，地震影响系数最大值取0.16，用于12层以下规则混凝土框架结构薄弱层验算的地震影响系数最大值取0.9，1层层高取1.8～2m，按照实际隔震层的层高取值。柱底铰接删除。

4）为减小对主体结构抗侧力时的不利影响，板式楼梯的梯板下端均按滑动支座处理。

5）本工程框架角柱、楼梯间短柱在配筋设计时，箍筋均按全长加密处理。

6）针对本工程存在的平面扭转不规则情况，本工程在整体计算时考虑双向水平地震作用下的扭转效应。

7 结论

本文对某8度（0.2g）区多层框架结构进行了隔震分析。从罕遇地震的角度，计算出隔震支座的最大剪力、最大轴力以及隔震层的水平位移，并验算了隔震支座的应力，均满足规范要求。最后结合本案例，提供了一个可行的隔震设计方法，显著提高了建筑结构的抗震性能。