考虑竖向地震作用的大跨隔震构造措施可靠性分析

滕晓飞,周林丽,曾玲玉,姚文花

(1.嘉应学院 土木工程学院，广东 梅州 514021；2.广州大学 工程抗震研究中心，广州 510000)

1 概述

结构抗震设计中，通常普遍重视水平地震作用的影响，对竖向地震的关注相对较少[1-2]。然而，随着社会经济的快速展，当前的结构体系较之过去有很大不同，出现了许多大跨度、超高层的隔震结构体系。我国抗震设计规范明确指出对于8度以上的部分结构应计算竖向地震作用，并对隔震体系应考虑的竖向地震作用最低限值做出了相关规定[3]。学者们这对隔震技术的推广和应用进行了大量的研究工作并取得丰硕的成果，杜永峰、李慧等[4]等建立了非比例阻尼多自由度隔震体系的时域动力响应工程算法；薛彦涛，巫振宏等[5]提出计算隔震结构地震响应的振型分解反应谱方法；党育，霍凯成[6]对多层隔震结构的竖向地震作用取值及竖向地作用效应进行了研究。Y.H.Liu，P.Tan等[7]利用边界条件将隔震装置和框剪结构的影响引入分布参数系统，推导了模态正交条件和各阶模态的等效阻尼比，并通过算例验证了求解隔震高层框剪结构地震反应的方法。Tena-Colunga,Arturo等[8]提出了低矮剪力墙基础隔震结构的简化混合设计方法。然而这些研究只是针对隔震结构的地震作用计算或抗力计算，针对抗震措施的研究还相对较少。

隔震设计的核心内容不仅包括地震作用计算和结构抗力计算[9]，同时还包括隔震构造措施[10]。对于仅考虑水平地震作用的情况，我国规范根据水平向减震系数对抗震措施的降低程度做出了规定；然而，隔震结构隔离竖向地震作用的能力相对有限，我国规范规定当隔震结构的水平向减震系数小于0.4时，可适当降低规范对非隔震建筑的抗震措施要求，烈度降低最多不超过一度，但不应降低与抵抗竖向地震作用相关的抗震构造措施(主要指钢筋混凝土结构的墙、柱轴压比等)。事实上，水平抗震构造措施的降低必然会影响到结构的竖向性能和设计结果。为了研究竖向地震作用下，抗震构造措施变化对整体可靠性的影响，笔者分析了隔震设计中的竖向地震和延性设计方法等问题，对某8度区大跨度结构进行隔震设计并结核动力弹塑性时程分析研究了构造措施对隔震体系可靠性的影响。

2 竖向地震下的隔震问题

建筑物在遭受地震时，相当于地震波在建筑基础部位施加了一个复杂多变且不稳定的力，这种地震力包括水平、竖向以及转动分量[11]。竖向分量通常与水平分量的震级及震中距相关，因此其重要性是不容忽视的。我国抗震设计规范明确指出8度以上的大跨度结构、长悬臂构件以及9度区的高层建筑应计算竖向地震作用，计算公式如下：

FEvk=αvmaxGeq

(1)

(2)

式中:

FEvk——结构总竖向地震作用标准值；

Fvi——第i个质点的竖向地震作用标准值；

αvmax——竖向地震影响系数最大值，通常取水平地震影响系数最大值的65%；

Geq——结构等效总重力荷载，通常取重力荷载代表值的75%。

同时还规定了隔震层以上结构构造措施的要求：当水平向减震系数大于0.40时不应降低非隔震时的有关要求；水平向减震系数不大于0.40时，可适当降低规范有关章节对非隔震建筑的要求，但烈度降低不得超过1度，与抵抗竖向地震作用有关的抗震构造措施不应降低。事实上，水平抗震构造措施与隔震结构的竖向性能直接相关，其降低程度必然影响到结构的竖向性能和设计结果。

3 延性隔震设计方法

相关文献研究表明[12]，结构体系的抗倒塌能力与其屈服机制密切相关。相较于柱端屈服型框架易形成连续倒塌机制，梁端屈服型框架有较大的内力重分布和耗能能力，极限侧向变形能力大，抗震性能较好。因而，隔震设计时可以通过人为调整梁柱端弯矩设计值关系以推迟塑性铰的出现时间：

∑Mc=ηc∑Mb

(3)

式中：

∑Mc——梁柱节点上下柱端截面的组合弯矩设计值之和；

∑Mb——梁柱节点左右梁端截面的组合弯矩设计值之和；

ηc——框架柱端弯矩增大系数。

对于隔震层以上的结构构件，常见破坏形式分为弯曲破坏和剪切破坏。其中，弯曲破坏通常属于延性破坏，一般会产生较大的非线性变形；而剪切破坏则伴随着刚度和强度的大幅度退化，属于一种对结构安全非常不利的脆性破坏模式。因而，隔震设计时可以通过在配筋设计时对不同延性要求的构件采用不同的剪力增强系数来实现“强剪弱弯”的延性设计模式。对框架梁或连梁构件、框架柱或框支柱的剪力设计值可采用如下调整：

(4)

(5)

式中：

Vb、Vc——梁、柱端截面组合的剪力设计值；

ln——梁的净跨；

Hn——柱子净高；

VGb——按简支梁且考虑竖向地震作用的截面剪力设计值；

ηvb、ηvc——为梁和端的剪力增强系数。

隔震结构的节点核心区部位则是保证整个隔震体系承载能力和抗倒塌设计的关键，为满足延性设计的要求，可在该部位按下式要求进行剪力设计值的调整：

(6)

式中：

Vj——梁柱节点核心区的剪力设计值；

hb、hb0——梁的截面高度和有效高度；

∑Mb——节点左右组合弯矩设计值之和；

ηj——正交梁的约束影响系数；

fc——混凝土受压强度设计值；

bj、hj——节点核心区的截面宽度和高度；

ηjb——强节点系数。

为合理控制结构构件的尺寸，提高结构的延性变形能力和抗倒塌能力，对梁柱构件的最小截面尺寸、最小配筋率、钢筋最小直径、最小锚固长度、箍筋的加密区的长度和间距、梁塑性铰区受拉钢筋的最大配筋率、柱的轴压比限值等不需要计算而必须采取的细部要求均属于抗震构造措施，《建筑抗震设计规范》对不同延性要求的结构均有相应的要求，这些都是加强结构整体性，提高建筑物抗震性能的重要因素。因而可知，延性隔震设计很大程度上是通过抗震措施的调整系数以及相应的构造措施来保证的。水平抗震构造措施与隔震结构的竖向性能直接相关，其降低程度必然影响到结构的竖向性能和设计结果

4 算例分析

为进一步研究水平抗震构造措施变化对隔震体系可靠性的影响，首先对某8度区大跨度结构进行隔震设计，结构模型如图1所示。该建筑功能主要用于烟草仓储和分拣，结构平面尺寸为72.0 m×92.1 m，结构层高为9.0 m，主要跨度为18.0 m×18.0 m的井字梁系；该建筑的抗震设防烈度为8度(0.2 g)，设防分类为丙类，设计地震分组为第2组，场地类别为Ⅱ类，特征周期0.4 s；根据工程的特点考虑水平和竖向地震作用进行隔震设计，共布置了37个隔震支座(如图2所示)。对隔震和非隔震模型在设防烈度下时程分析，得到水平减震系数β=0.32。

图1 大跨度隔震结构模型示意

图2 隔震支座平面布置示意

根据抗震设计规范的要求可知，上部结构最多可按降低1度进行设计，相应结构构件的水平抗震措施由1级降至2级。为进一步研究水平抗震构造措施变化对隔震体系可靠性的影响，分别按抗震措施不变K1和降1度K2两种情况进行设计，得到不同方向的楼层设计内力结果见图3；2层部分梁柱配筋结果见图4(其中梁柱对应位置参见图2)。

图3 K1和K2的楼层设计剪力示意

图4 K1和K2的单位面积用钢量示意

根据分析结果可知，K1和K2两种情况下的楼层设计内力和弹性设计层间位移角基本相同，这表明抗震构造措施的降低并不影响结构的内力计算。根据两种情况的单位面积用钢量配筋可知，K1情况对应的单位面积总用钢量为55.56 kg/m2，K2情况对应的单位面积总用钢量为50.67 kg/m2，抗震措施降低1度节省了8.8%的钢筋用量。这种配筋的变化对框架梁、柱等抵抗水平地震作用的关键构件影响较大，对只承担竖向荷载的楼板并没有影响。这说明抗震措施的降低可以减少部分工程造价，但也相应的影响了结构的延性设计性能。

为进一步研究抗震构造措施变化对隔震结构可靠性的影响，选择和抗震设计反应谱吻合较好的2条天然波和1条人工进行考虑竖向地震作用的动力弹塑性时程分析，3条地震波和设计反应谱的对比如图5所示；其中，分析所用的水平加速度峰值为400 gal，竖向加速度峰值取水平向峰值的65%，即260 gal。混凝土和钢筋的本构模型选用《混凝土结构设计规范》的塑性损伤模型，其中，钢筋屈服后的弹性模量折减系数取0.017 5。分析得到隔震层位移见表1所示，ChiChi波水平X向和Z向共同作用下屋面a点的竖向加速度如图6所示，1号支座竖向滞回曲线如图7所示。

图7 1号支座竖向滞回曲线示意(ChiChi_X)

表1 罕遇地震下的隔震层位移响应 mm

图5 3条地震波和设计反应谱对比示意

由分析结果可知，抗震措施降低一度K2的隔震层最大位移比抗震措施不变K1较小，这是由于在罕遇地震波持续的时域内，抗震措施越低，上部结构越容易进入非线性状态，而隔震层位移越小，隔震结构的等效刚度就越大，最终吸收了更多的地震能力，二者相互耦合共同影响着隔震结构的性能表现。但抗震措施降低一度K2的竖向加速度最大值略小于抗震措施不变K1的情况，且K2情况对应的1号支座比K1情况对应的1号支座受到了略大的轴线拉力，这是由于构造措施降低一度时上部结构更容易进入弹塑性状态，从而利用构件的滞回耗能吸收较多地震能量，但二者的差异并不明显。

图6 屋面a点竖向加速度响应示意(Chichi波)

5 结语

本文研究了隔震设计中竖向地震作用和延性设计方法的问题，对某8度区大跨度结构进行隔震设计并基于动力弹塑性时程分析研究了抗震构造措施变化对隔震体系可靠性的影响。研究表明：构造措施的降低并不影响结构设计的内力计算结果；但考虑竖向地震作用时，构造措施越低上部结构越容易进入弹塑性，隔震层和上部结构相互耦合共同影响隔震结构的性能表现。