某多层框架隔震设计方法及工程应用

陈德宝

摘要：结合目前隔震设计中的问题，总结了框架隔震设计的一般流程。根据该流程，对甘肃某多层框架学生宿舍进行隔震全过程设计。该设计流程的提出使框架隔震设计得以规范化，并可推广至框剪等其他体系的隔震设计工作。

关键词：框架结构；隔震设计；时程分析

引言

自汶川地震以来，由于隔震建筑在地震中表现性能良好，隔震技术逐步得到了社会的重视，在实际工程中也逐步得到了应用。此外国家和地方也纷纷出台规定，鼓励重点设防类地震高烈度区3层以上学校、幼儿园、医院等人员密集公共建筑，优先采用减隔震技术进行设计。但由于现有隔震设计分析软件较多，模拟隔震过程各异，导致现在很多的隔震设计实际工作中存在种种问题。因此，总结隔震设计工作的一般流程，从而有效指导实际隔震设计工作，是本文探讨的重点内容。

1隔震原理

隔震设计通过在建筑底部增设隔震层（一般为橡胶隔震支座），从而延长结构自振周期，降低水平地震作用，改善建筑的抗震性能，尤其在高烈度地区，具有明显的优势。现有的隔震设计通过隔震层将建筑分为上部结构、隔震层、下部结构和基础。下面根据现有规范，以多层框架为例，对隔震各部位逐一分析。

1.1上部结构

需根据隔震原理建立隔震和非隔震两个上部模型，中震弹性时程分析计算两个模型，根据模型分析结果，人工求出水平减震系数β，随后非隔震模型用考虑β的反应谱法计算，得到最终配筋结果。需要注意的是：与竖向地震效应相关的轴压比等需按原设防烈度；隔震层以上结构的总水平地震作用不得低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用；最小剪重比限值仍按原设防来取值；且β<0.3时需要考虑竖向地震作用。

1.2隔震支座、隔震支墩

隔震支座需满足四个验算要求：（1）重力荷载代表值下竖向压应力限值。（2）罕遇地震下最大压应力限值。（3）罕遇地震下水平、竖向地震共同作用下拉应力限值。（4）指定压应力下水平变位限值。隔震支座需进行大震时程计算并满足要求。对于隔震支墩，也需进行隔震模型大震计算并配筋。

1.3下部结构

下部结构需满足嵌固刚度比、隔震后中震抗震承载力、大震抗剪承载力及层间位移角的限值要求，因此需建立中、大地震模型，利用反應谱法得到构件大震斜截面和中震正截面的设计结果并包络。下部结构层间位移角可用隔震模型大震弹塑性模块计算分析并满足规范要求。

1.4基础

基础可按不考虑隔震层的非隔震模型，施加多遇地震，进行基础设计。下面以一工程实例，详述以上流程在具体工作中的应用。

2工程实例

2.1工程概况

本工程为甘肃省武威市某学生宿舍，地下一层、地上九层，建筑高度27.75m，采用框架结构，平面如图1。该地区设防烈度8度；地震加速度值0.20g；地震分组第三组；场地类别Ⅱ类。该建筑为乙类框架，根据国家和甘肃地方规定，需采用隔震结构，抗震等级一级。

本工程隔震支座有LRB600、LNR600、LNR700三种叠层橡胶支座，采用单柱单隔震支座，支座布置于地下室柱顶的方式。本工程采用PKPM及ETABS软件进行分析计算，隔震支座在ETABS中采用Isolator1模拟。计算非隔震结构的自振特性和内力时，梁、柱采用空间梁柱单元，混凝土楼板采用膜体单元，并按照刚性楼板假定进行建模。隔震层由无铅芯橡胶隔震支座和铅芯橡胶隔震支座组成，本构关系分别对应为线性和双线性模型。

2.2非隔震模型校核及地震波选取

将该工程用ETABS和PKPM软件建立非隔震模型如图2，并将总质量、前三阶周期和底层层间剪力进行对比，如表1。

由表1可知，两种软件计算的质量、周期和底层层间剪力差异很小，均可真实反映非隔震结构基本特性。

采用时程分析法时，对该建筑选取两组实际强震记录（Zone波和Taft波）和一组人工模拟的加速度时程曲线。小震时程分析时，每条时程曲线计算得到结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法的65%，多条时程曲线结构底部剪力平均值不小于反应谱法的80%。表二是时程分析法和反应谱法结果的比较。由表二可知，选波满足规范要求。

2.3隔震模型建立及与非隔震模型对比

本工程隔震支座由试验确定参数，竖向地震作用标准值按隔震层以上结构总重力荷载代表值的20%取值。采用ETABS对隔震模型和不隔震模型进行地震作用下的时程分析并进行比较，前六阶振型的结构自振周期如表3：

对于多层建筑，水平向减震系数为中震弹性计算所得的隔震与非隔震各层层间剪力的最大比值。安装隔震支座后，经计算三种波x，Y向各层层间剪力和层间倾覆力矩均大大降低，最大层间减震系数为0.385（大于0.3小于0.40），因此隔震技术可将上部结构地震相应降低一度且不用考虑竖向地震作用。随后非隔震模型采用降低一度的反应谱法计算配筋。同时进行多遇及罕遇地震层间位移角验算，计算后取三条波计算的最大值。经验算隔震后上部结构各层均满足规范规定的多遇下弹性层间位移角1/550，罕遇地震下弹塑性层间位移角限值1/100的要求。

2.4隔震支座验算

计算各隔震支座在重力荷载代表值下的轴力及竖向压应力。现有规范规定竖向压应力不应超过12MPa，且LRB600及LNR600型支座最大设计承载力为3391kN，LNR700型支座最大设计承载力为4616kN，经验算，各支座轴力和压应力均可满足相关要求。

采用时程分析法计算大震下各支座的轴力、XY向剪力和XY向位移，并验算大震下隔震支座的最大变形不超过支座有效直径的0.55倍及支座内部橡胶总厚度3倍的较小值。

此外罕遇地震作用下隔震支座的竖向压应力限值不应超过30MPa。以上验算项均满足相关要求。同时查看大震作用各个隔震支座的抗倾覆应力最大值和最小值，所有支座均处于受压状态，不会引起结构的倾覆。

采用隔震设计时，风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%。本工程单侧风荷载最大水平剪力标准值1949KN，结构总重力荷载为108953kN，剪重比为0.017<0.1验算满足。

2.5隔震支墩和下部结构

本工程为单层地下室柱顶布设隔震支座，隔震支墩和下部结构实际是一体的。根据抗震规范，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。因本工程地下室层高不高，按大震计算后实际支墩配筋结果不大。

3结论

由以上工程实例可以看出，采用隔震技术后，结构的周期延长近2倍，地震作用大为减小，且隔震结构在设防地震作用下的最大层间减震系数0.385<0.40，结构的抗震性能得到改善，上部结构可按降低一度设计。因此，采用隔震技术，对于降低高烈度地区的地震作用效果明显。此外本文依据现有规范总结了多层框架隔震设计的一般流程，并基于现阶段常用的PKPM及ETABS设计软件，将该流程用于具体工程实例之中，为同类隔震结构的设计工作提供了参考。