标准化规范背景下建筑设计剪力墙结构隔震设计对比研究

李 斌

（甘肃省建筑科学研究院（集团）有限公司，甘肃 兰州 730070）

剪力墙隔震设计工作的开展中，需要针对性地设置隔震层结构，并且结合具体的隔震长度要求采取针对性的措施进行隔震结构的模型构建与数据计算，以便结合不同的抗震要求对隔震设计的效果以及隔震结构进行分析，研究最终对比分析隔震设计背景下，地震响应参照因素的变化情况。

1 专业设计规范的设计方法介绍

1.1 《建筑抗震设计规范》的设计方法简介

《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）中对建筑隔震和消能减震设计做出了非常明确的要求。这标志着隔震技术开始逐步推广应用，在相关的基础规范中，将隔震技术的适用抗震度进行了明确规定，指出隔震技术适应于8度到9度的地震。并且要求结构形状规则，自振周期小于1s。计算时，将X与Y向采用底部剪力法进行数据计算。此规范的设计方法主要以分部设计法为典型代表。分部设计方法主要是指在隔震结构的设计中，需要设置典型的非比例阻尼系统。因此，与常规的抗震设计相比存在一定的差异，在具体的设计工作开展中，需要对减震技术指标震后结构水平状态进行针对性的把握。关于隔震设计的核心数据指标，主要是指隔震前水平地震最大响应系数αmax。随后，再应用反应谱分析的方法，对配筋设计的方式进行针对性分析，评估建筑是否能够达到相应的抗震等级层次要求。隔震后水平地震影响系数的最大值计算方法如下。

在此公式中，αmax1代表隔震后水平地震影响系数的最大值。

β代表水平方向的减震系数。

αmax代表非隔震下的水平结构地震影响系数最大值。

Ψ代表调整系数指标。

1.2 《建筑隔震技术标准》设计方法简介

《建筑隔震设计标准》将应用隔震和减震的领域进行了规范。其中，新建公共建筑、存量公共建筑、装配式建筑、农村住房以及老旧房屋改造的过程中，都适用这一标准。基本设防目标为：当遭受相当于本地区的基本烈度的设防地震时，建筑主体结构基本不受损坏或不需要修理可继续使用。当遇到罕遇地震时，结构可能发生损坏，但要求修复后可继续使用。在文章探讨的设计实践中，主要以直接设计法为典型代表，在隔震层的设计过程中等效刚度数值是隔震设计中需要关注的重点指标，结合实际的工程案例进行地震作用下隔震层的针对性设计时，通常剪切变形位移不能达到100%的状态。因此，计算出等效高度与等效阻尼比的数据值的过程中准确性就会受到影响。因此，需要在设计的过程中先进行隔震层位移数值的假设，随后再通过反复迭代的方式将位移指标作为抗震设计的参照指标，待位移不发生变动时，对等效高度等效阻尼的比值进行确认。在设计工作的开展中，还需要对隔震支座剪切变形的刚度指标进行针对性确认。并且要适当忽略隔震支座细微区别背景下产生的偏差性位移。在隔震结构迭代计算的方式方法方面，可通过以下两个公式计算得出等效刚度指标以及等效阻尼比指标。

此公式中，Keq代表隔震支座等效刚度指标。

K0代表铅芯橡胶隔震支座的屈服前刚度指标。

Ky代表铅芯橡胶隔震支座的屈服后刚度指标。

D代表隔离层的位移指标。

Dy代表铅芯橡胶隔震支座的屈服位移指标。

2 剪力墙隔震结构设计对比分析

2.1 隔震层设计分析

隔震层在剪力墙结构中与平面尺寸指标有非常紧密的关系。在确定平面尺寸后，可有效减低设计荷载的变化。同时，也能减低抗规和隔离设计结构对设计效果的影响。因此，在隔震设计方案的选择和支座号的选择上也保持一致性，在隔震层的装置选择方面，常规情况下会选用普通的橡胶支座和铅芯橡胶支座两种类型。其中铅芯橡胶支座是在常规橡胶支座内部放入铅芯，结构就是橡胶支座，形成阻尼效应，达到提供风荷载的目标。能够确保在地震发生时，装置的水平抗力和弹性恢复力保持稳定。在布置隔震支座时，需要把握以下几个原则。一是橡胶制作的承受力，在竖向角度上应当尽可能保持在均匀状态。二是要保证长期面压指标处在规范要求的标准范围内。三是针对隔震层的偏心率进行有效的计算，根据相关规范要求，隔震层的偏心率指标不得大于3%，超过此规范要求会导致上层结构发生扭转变化，对抗震效果产生不利影响。具体来说，偏心率计算公式需要依据重心和刚性两方面侧重点进行数据计算，具体计算公式如下。

②刚心计算公式：

在此公式中，为隔震位移达到既定数值时对应的等效刚度指标。

2.2 地震波选取设计分析

地震波的选取需要通过弹性时成指标的分析作为参照，选取地震波时应当将人工波和天然波相结合进行混合，选取地震波形与地震加速反应谱，结合规范设计谱进行对比，通过对比观察可知地震波与规范谱在统计意义上具有较高的符合性，可满足隔震前后周期点位上单条地震波的反应谱与规范谱的误差要求。同时，平均地震波反应谱与规范谱的误差也符合预期的要求。

在地震波选取完成后，可进入防烈度地震下弹性验算环节。此验算环节包括水平方向的减震系数验算以及层间位移角验算。

3 设计控制因素与地震响应对比分析

3.1 减震系数的对比分析

在抗规的相关规定中，将水平方向的减震系数作为抗规中衡量减震效果的主要指标。规范中明确提出了基底剪力比的概念。但在隔震设计中，两项指标具有同等重要的地位，是隔震设计效果的典型反应指标。通过对比分析可知，隔规设计的结构在X方向和Y方向上的基底剪力对比结果较之抗规设计的减震系数相对更大。增长比例分别达到了29%和23%，抗规减震系数确定为0.40。因此，在设计工作中要求在满足抗规要求的基础上，将减震系数控制在不大于0.4的状态下，基于此实施降一度设计的模式。

3.2 层间位移角对比分析

层间位移角，主要反映隔震结构的变形性能是观察隔震结构，变形性能的关键指标。通过对比观察，可直观地看出不同设计方法背景下抗震性能的典型差异。在对比观察中，不同的地震强度也会基于不同的设计方法显示出差异显著的位移角状态。

4 基于规范性要求的隔震结构设计经济性分析

4.1 隔震结构经济性宏观分析

隔震结构有非常显著的实际特点，主要是指在建筑受到地震作用的破坏时，可大幅度降低其结构破坏的程度。性能较好的隔震结构还可保障建筑实体处在弹性状态墙体与内部装饰物品，尽可能保持在轻微损坏或不发生损坏的状态下，此种结构设计在安全系数上，较之非隔震结构有非常明显的优势。另外，抗震力不足的建筑物在地震后有可能出现倒塌的风险，这会造成非常严重的经济损失和生命安全损失。在相关的研究数据中显示，隔震技术对于减低建筑物的直接损失率具有非常显著的促进作用。较之未设计隔振结构的建筑，在损失率上高出30%。关于经济性分析的指标主要包括以下三个方面。①直接建设费用。②使用期间维护费用。③失效损失费用。在相关研究中显示，隔震结构设计在实践中显示出隔震建筑较之非隔震建筑直接建设费会增加最大10%的幅度。同时，建筑高度也会影响到建设费用。通常情况下，当建筑高度小于25米时，直接建设费用中的隔震结构比抗震结构的费用会上涨5%左右。若建筑高度更进一步的提高到30米左右，两种结构的建设费用可保持持平状态。而若建筑高度大于30米，隔震费用则会有所降低，降低幅度也维持在5%左右。关于维护费用和失效损失费用，主要是指当结构发生损伤需要维护时，通过维护费用的使用促使损伤结构恢复到原始的使用功能和安全状态下，这时会产生一部分补偿费用。而失效损失费用则主要是指发生直接损失和间接损失后，费用也会随时发生变化。损坏程度建筑结构的原始类型以及维修方式都会影响到这部分费用的支出额度。而对于失效费用和损失费用的具体细分，又可结合结构损失进行针对性的细分。例如，将其按照层间位移造成的损失费用进行细分，或者依据各楼层之间的惯性力对层间加速度的影响进行损失费用额度的分析。

4.2 材料用量的对比分析

原材料的用量对于经济支出额度会产生非常直接的影响，因此需结合不同原材料的用量进行设计维度的对比分析，以便确认材料用量，对经济成本的影响具体来说，材料用量对比可从以下几方面进行观察分析。

4.2.1 混凝土用量对比

其中混凝土用量的对比过程中，抗震结构与基于标准化规范设计的隔震结构，在混凝土用量上具有较为显著的差异观察，可知和正结构的剪力墙混凝土用量较之抗震结构的用量降低额度达到10%以上，而楼板与连梁铜的用量中隔震结构的用量相对更低，最低可降低10%以上。且通过分析观察可知格归设计过程中，上部结构的断面相对会更小。因此，意味着混凝土用量会更进一步减少低于抗规设计方案的规范性要求。

4.2.2 钢筋用量对比

钢筋用量的对比中需对基础的地震等级进行针对性的设置。在上面的分析中可知标准化规范背景下的减震系数指标需达到0.4的状态。因此，可结合建筑上部结构的实际情况，按照降一度的地震水平进行相应的钢筋用量分析。为了针对性地把握配筋时的上部结构基底剪力墙，以为进一步的钢筋用量对比结果提供参照，需要针对配筋设计的基底剪力以及其增量指标进行分析。另外，钢筋用量还与地震规模和强度的大小有直接关系。文章探讨的隔震设计规则适用于降度后的中地震设计要求。

4.3 基于全寿命费用的隔震设计造价计算

全寿命费用造价计算需结合初始造价、维护费用和失效损失费用三方面指标进行针对性计算。具体计算公式如下：

在此公式中，C1代表初始造价。

CM代表维护费用。

CL代表失效费用。

5 结束语

通过分析可知，在抗震设计的过程中，隔震设计更加具有清晰性，且设计工作中有非常充足的数据参照的抗震设计模式。在相关的标准化规范设计要求背景下，抗震规范和构建规范的提出是最终取得良好的抗震设计效果的重要条件。对于具体的抗震设计工作来讲，也需要技术人员基于原材料的价格、抗震设计的效果等多方面因素进行综合分析，基于剪力墙结构筛选适当的隔震设计方案，促使隔震设计发挥出良好的地震防御作用。