隔震建筑结构设计浅谈——寻甸北城区综合体宜居瑞麟项目14#楼（酒店）结构隔震设计

隔震建筑结构设计浅谈——寻甸北城区综合体宜居瑞麟项目14#楼（酒店）结构隔震设计

朱元祥

（广东建筑艺术设计院有限公司厦门分公司）

【摘要】与一般传统的抗震结构相比，从构件上来讲，隔震结构只是增加了隔震层，但是抗震效果却得到了很大的提高；作为近年来新兴的工程结构防震技术，开始受到结构设计界的关注和研究。本文结合实际项目从隔震装置位置的选择，隔震装置布置和选取的一般原则，隔震结构计算分析和隔震措施，隔震结构弹性时程分析时地震波选取等几个方面应进行展开分析。

【关键词】隔震层；隔震装置；隔震结构动力分析；时程分析方法；地震波

引言：

隔震结构是指在建筑物上部结构和基础之间设置隔震层，以延长整个结构体系的自振周期，减小输入上部结构的地震作用，达到预期的防震要求，如何做好隔震结构设计已经成为了目前隔震设计人员较为关注的问题，对很多刚接触这种结构类型的设计人员来说更是个难题。

一、设计项目的工程概况

该项目位于云南省寻甸县城郊结合部，14#为一栋14层酒店，层高均为3.6米，地下一层层高4.5米车库，丙类建筑，抗震设防烈度为9度,设计基本地震加速度值为0.40g,设计特征周期0.55s,设计地震分组为第二组，三类场地，结构类型为钢筋混凝土筒中筒结构，抗震等级为一级，采用隔震方案。

二、隔震建筑结构的隔震装置位置选择

可以将隔震层设置在不同的位置，目前基本有以下三种情况：（一）隔震层位于上部结构和基础之间（二）隔震层位于上部结构和下部结构之间即地下室柱顶或墙顶（三）隔震层位于上部结构的层间，称为层间隔震或中间层隔震。隔震结构位于基础顶是最基本的隔震构造形式，可最大限度地隔离地震能量，但为了方便安装和维修隔震装置，隔震层顶部梁底与基础面至少要有0.8米的空间。为了有效利用隔震层顶部的这层楼板，可将安装及维修层直接做成地下室，而隔震层就放置在地下室柱顶或墙顶。若建筑底层没有可移动的空间，可采用层间隔震的方式，由于层间隔震的动力特性比较复杂且整个结构的倾覆问题比较严重，因此《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（以下简称抗规）建议尽量不要采用层间隔震方案，若必须采用时，设计人员需进行详细的结构分析并采取可靠的措施。本工程在地下室顶设置了隔震层并设置强震观测仪。

三、隔震装置布置和选取的一般原则

隔震装置布置和选取的一般原则为:(1)隔震层具有适当的水平刚度,在强风作用下,隔震层具有足够的初始刚度,在较大地震作用时,隔震层产生柔性变形,能大大减小水平地震作用(2)隔震层的水平刚度中心宜与上部结构的质心基本一致(3)隔震装置具有足够的竖向承载力和水平变形能力,在发生大震时,可安全稳定地支撑建筑物,不会出现失稳破坏,能发挥隔震功能(4)隔震装置具有良好的自动复位功能,在发生大震后,可基本复位到初始位置,当发生余震时,可继续有效发挥隔震作用(5)隔震装置具有较大的竖向刚度,在设计竖向荷载作用下,竖向位移被控制在允许值以下；本工程结构柱下均采用一柱一支座的方案，间距为4.5~6.5米，核心筒剪力墙下设置间距不大于2米的橡胶支座，框柱下支座均沿建筑周边布置，结构整体抗扭效果达到设计要求。

四、隔震结构计算分析及隔震措施

隔震结构的分析计算步骤基本思路是：布置隔震层和上部结构，用初步设定的结构参数进行计算，如果隔震结构的水平向减震系数和隔震层位移满足预期的目标，说明隔震设计基本正确；否则，需要调整隔震层或上部结构，再把上述参数代入计算，直至符合预期目标。隔震体系的计算简图应增加由隔震支座及其顶部梁板组成的质点，当上部结构的质心和隔震刚度中心不重合时应计入扭转变形的影响；隔震层顶部的梁板结构应作为其上部结构的一部分进行计算和设计。隔震层以上的结构总水平地震作用不得低于非隔震结构在六度设防时的总水平地震作用并应进行抗震验算；各楼层的水平地震剪力尚应符合规范对本地区设防烈度的最小地震剪力的规定。隔震层以上结构的抗震措施，当水平向减震系数大于0.4时不应低于非隔震时的有关要求；当水平向减震系数不大于0.4时可适当降低规范对非隔震时的要求，但烈度降低不得超过一度，与抵抗竖向地震作用有关的抗震构造措施不应降低。本工程经分析计算水平向减震系数取0.28，隔震层以上结构的抗震等级按一级进行设计（烈度降低一度考虑），墙柱轴压比仍按9度时的抗震等级要求。

五、隔震结构弹性时程分析地震波选取

《抗规》要求隔震结构计算一般情况下应采用时程分析方法进行计算，采用时程分析方法时就面临如何选取地震波的问题，不同地震波作用下结构响应差别很大，这种现象一般被称为地震波的“离散性”，这也是基于概率的振型分解反应谱方法是主流的抗震设计方法，而更加“真实的”的弹性时程分析方法只能成为补充验算方法的重要原因，克服地震波离散性的有效方法是选取“足够数量”“满足一定原则”的地震波。按照“抗规”5.1.2第3点和“高规”第4.3.5条第4点的规定，至少要选取三组地震波响应的包络值或七组地震波响应的平均值与反应谱计算结果取较大值。选取地震波有两个主要原则，第一个选波原则是“统计意义上相符”，即“多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符”，规范条文说明解释“在统计意义上相符”指的是“多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20％”。通过大量的工程算例研究发现，这一原则对于人工波基本可以做到，但对天然波或多震波的平均值均很难做到；为了最大程度地满足规范这一基本选波原则，建议在基本振型满足上述规定前提下，所选择地震波反应谱比较饱满的“平台段”终止位置要尽量与结构的特征周期Tg相符。第二个选波原则是“基底剪力的下限要求”，即“弹性时程分析时，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%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%”。这一规定对于地震波的合理选取十分重要，从结构响应的工程意义角度保证了弹性时程分析方法的有效性。本文建议在弹性时程分析时一定遵守该原则，如果从结构特征周期所对应的地震波库里无法选取到足够数量的符合这一原则的地震波，可以从相邻特征周期里选取地震波，这种做法具备足够的合理性。本文不建议简单地放大地震波的峰值加速度以满足“基底剪力的下限要求”，因为从原理上看，此方法是放大了所设计结构的设防烈度，并不符合规范本意。

六、结束语：

国内外的大量试验和工程经验表明：隔震结构一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右，从而消除或有效地减轻结构和非结构的地震破坏，提高地震安全性，增加了震后建筑物继续使用的功能。适应我国经济发展的需要，利用隔震技术来减轻建筑结构的地震灾害是完全有可能的，也是值得推广的。国内规范对于隔震设计的相关规定大多是指导性、原则性的，理论解释较简单，实际应用却会遇到许多问题，这是结构设计人员的难题，我们应当在实际工作中认真总结个人经验。

参考文献：

[1]建筑抗震设计规范.GB50011-2010中国建筑工业出版社

[2]王亚勇;戴国莹.建筑抗震设计规范疑问解答北京：中国建筑工业出版社

[3]唐家祥.建筑隔震与消能减震设计.建筑科学2002.02

[4]党育杜永峰编著.基础隔震结构设计及施工指南.中国水利水电出版社,2005