高烈度地区高层框架结构隔震设计与分析

陈柏宇 杨群京

【摘要】隔震技术在云南省高烈度地区广泛应用。以云南省普洱市一高层框架结构工程为例，介绍分析了隔震设计的相关问题，包括隔震设计方法、流程及设计过程中的要点等。采取隔震设计后，延长了整个结构体系的自振周期，减少了输入上部结构的水平地震作用，达到预期防震要求。

【关键词】高层隔震;隔震设计方法及流程;隔震设计要点

隔震技术是种有效的“隔离地震”的技术，通过在建筑的某一层设置隔震橡胶支座的隔震层，改变结构体系振动特性，延长结构自振周期，通过隔震层的大变形耗散了输入结构的大部分地震作用，有效地降低上部结构的地震反应，减少上部层间剪力与层间相对变形。通常隔震结构的楼层间位移角只有非隔震结构的1/8～1/5[1]。近10年来，隔震技术在云南省高烈度区得到了较大规模的运用。

1、工程概况

本文的工程案例位于云南省普洱市，为一商业综合体的4#栋号，地上12层商住楼，二层全埋地下室组成，建筑结构高度34.2m，宽15.7m，高宽比2.2。结构平面尺寸为46.2x15.7m，采用了钢筋砼框架结构。普洱市抗震设防烈度为8度，地震加速度0.2g，设计分组为第三组，场地类别Ⅱ类，场地特征周期Tg=0.45s。结构安全等级为二级，结构设计基准期50年，结构使用年限50年，标准设防类。商业综合体如图1。

2、隔震设计方法

目前，我国隔震设计一般采用分部设计法，分为四部分：上部结构设计、隔震层设计、下部结构设计和基础设计。简要概括如下：

（1）上部结构：水平地震作用采用隔震以后的地震作用标准，本工程的隔震后的减震系数β为0.38，隔震后αmax降低为0.072，即按7度（0.1g）设计;隔震支座不能隔离竖向地震作用，所以与竖向地震作用相关的要求不降低（如轴压比等）。

（2）隔震层：首先，应按竖向荷载作用下压应力要求及隔震目标初步选择隔震支座，并验算应满足罕遇地震下支座的压应力、拉应力、位移及抗风承载力要求;其次，隔震层在地震作用下应具有足够的承载力能力，因此应提高该层的刚度及承载力，且应控制隔震层刚度中心与质量中心的偏心率，其原因是隔震后上部结构按弹性设计，上部构件局部塑性化而带来的扭转振动扩大的现象不会发生，即使上部有偏心的建筑物，扭转振动产生的影响也很小，但隔震层刚度中心与质量中心的偏心，会引起隔震结构整体的扭转振动，隔震端部

的隔震装置会产生很大的水平变形[2]，因此偏心率不大于3%即将列入隔震规范要求[3];最后，隔震层还应保证足够的水平和竖向净空空间，穿越隔震层的设备管道、楼电梯、坡道、室外出入口等均应适应地震作用下隔震层较大的水平变形要求。

（3）下部结构：本工程的下部结构即为直接支撑隔震支座的全埋地下室，按规范要求要进行设防地震的抗震承载力验算，并按罕遇地震进行抗剪承载力验算。

（4）基础：地基基础的抗震验算不考虑隔震产生的减震效应，按本地区设防烈度进行设计，本工程即按8度（0.2g）进行基础抗震验算。

3、隔震设计流程及目标

以本工程为例，隔震设计的一般流程为：确定隔震层位置→初定隔震目标→上部结构设计→ETABS模型验证（质量、周期、剪力）→布置隔震支座选择地震动→水平减震系数计算（中震）→隔震支座剪力、轴力、位移计算（大震）→下部结构设计→基础设计。

为不影响地下室的使用功能，本工程将隔震层设置于上部结构以下，地下室以上，高度为1.70m，这样的结构形式概念清晰，上下均为完整的刚体中间为柔性的隔震夹层。隔震设计目标可将隔震后的水平地震作用大致归纳为比非隔震时降低半度、一度和一度半三个档次，可以根据当地的设防烈度、场地条件、上部结构规则性以及质量和刚度分布均匀性来初步确定上部结构计算所采用的水平地震作用。本工程初定隔震目标为降低一度。

4、隔震设计要点

4.1 隔震分析手段

隔震设计分析一般为小、中、大震三阶段的分析。以本工程为例，该三阶段的分析均可用ETABS软件实现。对于带铅芯橡胶支座（LRB）具有非线性特质，常用的恢复力模型有双线性模型和Wen-Bone滞回模型，ETABS中可用“Isolator1”及“Gap”单元分别模拟隔震支座的水平及竖向刚度。采用隔震后的上部结构为处于弹性状态，橡胶支座为非线性状态，此时可采用FNA 方法（Fast Nonlinear Analysis，快速非线性分析方法），此方法适用于含有有限数量的非线性单元但结构主体保持弹性的时程分析，其计算速度快，计算结果精度可信。

4.2 隔震支座型号选择

本工程结构属于丙类建筑，按《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗规》）第12.2.3条，橡胶隔震支座压应力限值15Mpa。先按单柱下的竖向轴力值可初步估算隔震支座的大小，然后再按《抗规》规范复核隔震支座在罕遇地震作用下，隔震支座不宜出现拉应力，当少数隔震支座出现拉应力时，其拉应力不应大于1MPa及支座水平位移限值应小于其有效直径的0.55倍和各橡胶层总厚度3倍二者的较小值。本工程共使用了49个支座（10套LRB500、25套LRB600、14套LNR500），支座平面布置详图2。

4.3 地震波的选取（小震）

地震波可按《抗规》5.1.2条在小震下进行合理地选择，并满足一定的统计要求，本工程选取了2条人工波及5条自然波。图3给出了7条时程曲线及平均拟合反应谱与规范反应谱对比的结果。

4.4 减震系数计算（中震）

水平向减震系数β反应了隔震建筑上部结构地震作用的降低程度，可按《抗规》第12.2.5条计算确定，另按《建筑抗震设计规范理解与应用》P176页关于减震系数计算的说明“计算隔震与非隔震两种情况的层间剪力，宜采用基本设防水准下地震作用进行时程分析”。本工程采用FNA法，在中震下对隔震与非隔震结构输入地震波，进行时程分析。由分析结果可知，首先，隔震后相比非隔震的自振周期明显延长，比对详表1，且X、Y向两个方向基本周期差值較小，满足《叠层橡胶支座隔震技术规程》相关规定;其次，隔震后的上部结构的最大楼层剪力只有非隔震结构的30%左右。上部结构层间剪力比最大值为0.380，层倾覆力矩比最大值为0.321，由此取水平向减震系数β为0.380，计算得隔震后水平地震影响系数最大值αmax1为0.072，即上部结构可按7度（0.1g）进行设计。

4.5 隔震支座设计（大震）

如前4.2节所述，首先应复核在大震下隔震支座的拉应力及水平位移值，并满足《抗规》相关规定要求。本工程大震下支座的最大拉应力0.16Mpa，均小于1Mpa。大震下支座最大水平位移X，Y向分别为235，231mm，均小于0.55D=275mm（D为最小隔震支座直径，本工程采用隔震支座最小直径为500mm）及3Tr=276mm（Tr为最小隔震支座的橡胶层总厚度）中的较小值，满足《抗规》要求。

其次根据《抗规》12.1.3条，采用隔震的结构风荷载的产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%，本结构风荷载的产生的总水平力为4109KN，总重力为110527kN，满足要求。

最后本工程经计算的隔震层偏心率X向为1.01%，Y向为0.86%，均小于3%，隔震层不会有过大的扭转。

5、隔震构造要求

隔震层还应保证足够的水平和竖向净空空间，应能保证适应大震作用下隔震层较大的水平变形要求，设计采取了如下措施：

1）上部结构及电梯井等位置周边设置了竖向隔离缝，缝宽为400mm，隔离缝的盖板采用可滑移做法。2）上部结构和下部结构之间，应设置完全贯通的水平隔离缝，缝高取20mm，并用柔性材料填充。3）隔震层设备管线采用柔性连接，保证有一定的变形能力。

结语：

本文通过一高烈度区隔震工程实例，简要介绍了隔震设计的方法、流程及设计注意要点。案例工程采取隔震技术后，实现了延长了整个结构体系的自振周期，减少了层间剪力与层间相对变形的目标，达到预期防震要求，隔震技术在高烈度地区具有良好的运用前景。本文介绍的隔震设计方法可供类似设计参考。

参考文献：

[1]薛彦涛，常兆，高杰.隔震建筑设计指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2016.12.

[2]周福霖等.建筑隔震设计标准（征求意见稿）[s]

[3]日本建筑学会.隔震结构设计[M].北京，地震出版社，2006.

作者简介：

陈柏宇，高级工程师，一级注册结构工程师。