关于高烈度区掉层结构的隔震设计分析

袁昆

（菏泽城建建筑设计研究院有限公司，山东 菏泽 274000）

关于高烈度区掉层结构的隔震设计分析

袁昆

（菏泽城建建筑设计研究院有限公司，山东 菏泽 274000）

我国三分之二以上的国土面积为山地地形，尤其对于西部地区，而这些地区处于地震多发的高烈度区。掉层结构是山地建筑具有代表性的结构型式，指的是同一栋建筑的底界面放置在不同标高的场地基面上，且最高接地点以下按层高设置楼面的接地结构。当高烈度区的掉层结构有隔震要求时，工程经验是在掉层部分设置刚度很大的地下室，布置同一标高的隔震层。这样的方案不但会导致材料浪费，还会导致掉层部分空间使用效果不理想等问题。以四川庐山县人民医院门诊楼项目为基础，从掉层结构的特性出发，针对布置在同一标高隔震层带来的问题，探索将隔震层布置在不同标高下掉层结构的隔震设计方案。

高烈度区；掉层结构；隔震设计

1 山地建筑结构与掉层结构

山地建筑结构的使用安全受环境因素影响大，建筑结构基层稳定性受岩石层的影响，如果采用普通建筑方法，即基层采用水平的修筑方法不但成本高，并且施工难度也很大。随着山区地形变化来进行结构设计，采用掉层的方法来进行建筑施工，不但能够节省大量的成本，在工程建设质量安全上也会有明显提升。山区建筑结构建设施工主要是受地形变化的影响，其难点也是基层建筑结构的选择，采用掉层结构可避免基层中出现这一问题，对后续施工建设也能起到防护的作用。

掉层结构的特征是基层中表现出的高度差，这样可以在基层建设中避免出现安全隐患，并可根据地形的变化来优化建筑结构，确保结构的使用功能不会因此而受到影响，同时也提升了空间利用的合理性。但并不是所有的山坡都适合建筑掉层结构，其中30%～60%之间的坡度最适合掉层结构建筑施工。坡度过大在材料运输上存在困难，建筑成本也会因此而增大。

2 掉层结构的隔震层效果

隔震结构通过在基础结构和上部结构之间设置隔震层，使上部结构与地震动的水平成分绝缘。隔震层中设置隔震支座和阻尼器等隔震装置，其中隔震支座能够稳定持续地支承建筑物重量，跟随建筑物的水平变形，并且具有适当弹性恢复力，同时阻尼器能够用于吸收地震输入能量。一般多层的钢筋混凝土建筑物周期都比较短，在地震力作用下，加速度反应大，位移较小。在设置了隔震装置以后，延长了建筑物的周期，地震作用下的加速度也变小，位移反应增加。如果在此基础上加大结构阻尼即设置隔震支座上的阻尼器，结构位移反应继续减小。由此可见，设置隔震装置，使隔震层上部结构发生平动，既能减小结构所受地震作用，同时也可以减小位移，保证了隔震层上部结构的安全，减少财产损失，保障生命安全。

2008年汶川发生了严重的地震，庐山县人民医院的门诊楼在灾后重建中澳门特别行政区对其进行援助，对掉层结构的基层与首层之间采用橡胶材质隔离层进行防护。门诊楼地上结构共6层，隔震层支柱直径为50 cm，个别部位也设置在60 cm。建设后投入使用稳定性也比较高。在2013年的雅安7.0级地震中，县医院的门诊楼表现良好，墙体等结构均能够正常使用，并没有在地震中出现明显的裂痕。采用普通设计理念建设的楼房却出现严重的结构损坏，已经不能满足正常使用，墙体裂缝明显，甚至出现掉落的现象。橡胶隔震层支柱具有很好的隔震效果，在隔震层的防护作用下，作用在地上结构中的剪切力有明显减小，从而实现对建筑物的安全防护。普通建筑结构在设计中，虽然也会这对墙体部分进行加固，但在抗震效果上却不明显，在地震中墙体以及承重结构仍然会受到影响。

3 高烈度区掉层结构的隔震设计探索

3.1 掉层隔震结构掉层部分结构布置方案的初步探索

经前文的分析比较，以掉二层掉两跨的实际工程案例可发现：掉层部分刚度的变化，对结构周期的变化影响程度比较小；各个模型在八度区多遇地震作用下，第一层及以上的各楼层的层间剪力、层最大位移、层间最大位移角数值变化不大，在罕遇地震作用下，层间最大位移角也在 1/1 000～1/2 000之间，保持弹性的工作状态[1]。

从掉层部分的动力特性来看，将隔震层分开布置以后，可以显著地减小掉层部分的层剪力，同时掉层部分也开始有位移，并且与上部结构的层间位移差值也不大。虽然掉层部分全框架布置的模型二比其余四个模型有更好的平动效应，但是在多遇地震作用下，模型二掉层部分的层间位移角值显著高于模型三到模型五，其数值已经超过了《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）中对框架-抗震墙的弹性位移角限值。构建结构选择中，第二层部分的受力距离增大，结构整体抗震能力也会因此增强。

从掉层部分刚度的变化规律来看，掉层部分刚度的增大，可以减小掉层部分的层间剪力，明显的减小掉层部分的层间位移角；从内力来看，掉层刚度变大以后，可以减小掉层部分柱轴力、柱弯矩值和柱剪力。对隔震层的动力分析结果可以看出，将隔震层分成标高不同的两个隔震层以后，隔震层仍能在罕遇地震作用下不超过叠层橡胶支座的水平极限变形；多遇地震作用下，两层隔震层不仅在各自平面内有较好的平动，两层之间的协同工作效果也较好；在罕遇地震作用下，隔震层在各自平面内平动效果减弱，上下隔震层的位移差值扩大到20 mm左右。掉层部分在 X方向刚度的加强，可以很明显地减小X方向上下隔震层位移差，但是在Y方向刚度加强以后，上下隔震层的位移差值不降反增。

由以上分析总结可以给出高烈度区掉层结构隔震设计的初步建议：对于上部结构为框架-抗震墙的结构，在掉层层数及跨数不大的情况下，可以将隔震层部分分开布置；掉层部分不宜做成纯框架的结构型式，抗震墙宜落至掉层底部；掉层部分刚度宜做适当的加强，以减少上下隔震层的位移差值。

3.2 掉层隔震结构水平向减震系数取值的问题

在我国，隔震结构的设计一般是设计单位在综合考虑结构的各个限制因素后，确定一个减震系数。这个系数再乘以工程所在地设防烈度下的水平地震影响系数，得到用于计算的水平地震影响系数，按照基础固接的模型，仍然采用传统的振型分解反应谱法进行结构构件的设计及调整和布置。设计过程仍按照规范对抗震结构的要求，控制各项参数指标。初步确定了上部的结构方案以后，再交由专门的隔震研究分析机构，由其估算隔震层质量、支座布置和效果验算等，并出具报告。以八度区减震系数 0.5为例，本质上就是将八度区的隔震结构放至七度区，按抗震结构设计、验算。虽然这样的设计习惯缩短了设计周期，但是从后文内容来看，也有它不利的一方面，本小节以现有上部隔震设计思路来讨论掉层隔震结构的上部结构设计[2]。

3.3 掉层隔震结构隔震层上部结构的设计问题

传统的抗震房屋如果不设地下室，底层地面一般只需素土夯实，做素混凝土的楼板即可，但隔震房屋由于设置了隔震层，隔震层以上的结构构件要与隔震层以下的构件完全断开，因此，隔震层顶部还需要设置一层楼板，并且为了使隔震层能整体协同工作，从构造方面要求增加隔震层顶部梁板的配筋及截面，以保证其在平面内的刚度足够大[3]。

从图1、图2可以看出，除隔震支座处和隔震层顶部梁板外，隔震房屋上部结构其他部分与传统的抗震结构完全相同。从支座的受力来看，隔震支座能传递上部结构的轴力和水平向的剪力，但不承担上部结构传来的弯矩，因为设计时取隔震层顶部的梁板刚度大于一般层梁板，就是为了底层柱弯矩基本由隔震层顶部梁来分担。从支座的变形来分析，隔震支座竖向变形很小，近似为刚性，但在水平方向可发生较大位移，但位移值有一定的限制。在MIDAS Gen中，铰支座的模拟通过一般支承定义，通过约束全局坐标系下的Z方向位移和绕 Z轴的弯矩来实现，即认为支座可以在平面两个方向运动，而不能抵抗弯矩。按调整以后的地震影响系数最大值来计算掉层抗震结构[4]。

除掉层的上部结构在设计时所用的剪力要远比隔震结构实际所承受的剪力要大，比值已经超过2倍，也就是说掉层隔震结构在遭遇到设防烈度地震时，所设计出来的构件是大于实际需要，设计偏保守。如此而来，增加了竖向构件的尺寸和配筋，同时也造成了材料的浪费。

图2 隔震结构模型

观察掉层部分剪力的比值，实际的隔震结构是设计时抗震结构的1～3倍。如果按现有设计流程设计隔震结构的上部结构，掉层部分竖向构件明显存在着抗力不足的问题，八度区的掉层隔震结构在遭遇多遇地震时，掉层部分的竖向构件很可能就已经破坏，掉层部分竖向构件的破坏，随之而来也影响上部结构的安全。因此，掉层隔震结构上部结构的设计，不应该仅仅局限在按减震以后的地震作用计算，更应该考虑隔震结构实际的受力情况，隔震层的设计与上部结构的设计不能完全脱开。

4 结论

（1）设置标高不同的两个隔震层，可以有效减少掉层部分的层间剪力，在多遇地震和罕遇地震下，上部结构的层间变形和最大层间剪力值变化很小，也就是隔震层分开设置对上部结构隔震效果影响较小。

（2）掉层部分全框架的设计，可以较明显地减小结构整体扭转的影响，但是掉层部分框架的层间变形也变得很大，甚至超过规范限值。

（3）上下隔震层在多遇地震和罕遇地震都可以很好地屈服耗能，且叠层橡胶支座的变形值仍处于极限变形值范围内。

（4）在多遇地震作用下，上下隔震层不仅能在各自平面内整体平动效果好，还能保持较好的协同减震效果，两层的相对位移变形较小，同步性高；罕遇地震作用下，两隔震层在各自平面内出现一定的不规则变形，且上下隔震层的极限位移差增加明显。

（5）掉层部分刚度的增加，可以有效地减少掉层部分柱轴力，减少掉层部分所受弯矩和剪力。但是掉层全框架的布置，会使上接地层部分和掉层部分的剪力增大，与其他模型差距悬殊，不宜采用。

[1]陈淼.典型山地RC框架结构强震破坏模式及易损性分析[D].重庆：重庆大学,2015．

[2]蒋代波.山区多层接地消能建筑框架结构的抗震性能研究[D].重庆:重庆大学,2012.

[3]周兆静.山区倾斜基岩上土-隔震框架结构相互作用研究[D].重庆:重庆大学,2012.

[4]李亚琼.基于土-结构相互作用的坡地建筑的抗震性能分析[D].成都:西南交通大学,2012.

TU973.3+1

A

1009-7716（2017）09-0185-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.056

2017-05-02

袁昆（1977-），男，山东菏泽人，总工程师，一级注册结构工程师，从事建筑工程设计工作。