某框架结构的隔震与非隔震结构方案研究★

张宗义，钮祥军，2

(1.新疆大学建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047； 2.新疆建筑设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830047)

随着隔震技术诞生以来，隔震设计经历了飞速发展。特别是吸取了几次大型地震的惨痛教训后，各国都在大力推进隔震设计，我国更是在汶川地震后，积极推广鼓励隔震技术在建筑工程领域的运用。随着国务院常务会议通过《建设工程抗震管理条例》，标志着国内隔震行业在国家政策层面正式由鼓励向强制性转变。隔震设计将是未来的主流抗震设计方法之一。

对比传统抗震设计，隔震设计具有隔震有效性强，技术经济效果强的优点。GB 50011―2010建筑抗震设计规范[1]中的隔震设计方法是目前隔震建筑设计的主要依据。近年来，随着大量隔震工程的经验积累以及大量学者的相关理论研究，隔震技术已经逐渐成熟，隔震设计方法也跟着逐步的发展与完善，然后形成了《建筑隔震设计标准》[2]。

不少学者与专家做了对于传统抗震设计方法和两种规范隔震设计方法的对比[3]，但是用实际工程作比较分析的研究还比较少。本文以一个实际工程案例为背景，对比分析了基于两种规范设计与传统抗震设计的结构的地震响应的异同。以材料用量作为评价标准，量化分析了基于两种规范设计与传统抗震设计的结构的经济性。

1 结构体系

1.1 案例概况

本工程位于新疆自治区乌鲁木齐市。地上5层，建筑结构主体高度21.3 m，宽21.2 m，高宽比1.0。隔震支座设置在基础顶，上部结构采用现浇框架结构，基础采用独立基础形式。结构设计年限为50 a。主要设计依据：

1)抗震设防烈度8度，设计基本加速度峰值为0.2g。2)设计地震分组为第二组，Ⅱ类场地无液化，场地特征周期0.4 s。3)基本风压按50 a一遇采用，取0.6 kN/m2，地面粗糙度类别为B类。

1.2 对比分析原则

与抗规的设计方法相比，隔标的设计方法做了较大的改动。例如反应谱的改变，对于降一度设计标准的改变，更严格的层间位移角限制，整体设计方法代替了分步设计方法以及在计算方法中引进了复振型分解法等。

为了尽可能的做到保证三种设计方法的对比，本文基于以下几点的原则进行设计分析[4]：

1)为了保证计算过程的准确性，三种方案的中震和大震设计都采用时程分析法进行验算。2)为了符合各设计方法的原则和对比原则，传统抗震设计增加了中震下的时程分析，《建筑隔震设计标准》不做小震分析。3)基于《建筑抗震设计规范》和《建筑隔震设计标准》的方案都要满足降低一度的标准。控制基于抗规方案的减震系数小于0.4，基于隔标方案的底部剪力比小于0.5。4)隔震支座在大震下的验算采用隔标推荐的组合值进行分析。

1.3 模型分析

采用YJK软件分别对传统抗震设计和基于抗规和隔标设计建立了两个模型(见图1)，隔震支座布置图见图2。

2 合理性检验

本文采用了建模软件YJK进行小震分析及配筋设计，采用有限元软件SAUSAGE进行时程分析。两款软件的质量与周期对比见表1，表2。

表1 非隔震结构质量对比

表2 非隔震结构周期对比

不同软件周期对比时会不考虑钢筋质量以及边梁放大问题，结构隔震前后周期对比采用的是软件SAUSAGE的逻辑，所以会有些许不同(见表3，表4)。

表3 隔震支座参数

表4 结构隔震前后周期对比

为了直观的表示出这三种设计方法上部结构的不同，现将这三种设计方法的构件尺寸整理起来，见表5。

表5 构件尺寸

2.1 地震波选取

本文按照抗规的要求选取了7条波(5条天然波，2条人工波)(见图3)。取时程分析结果的平均值进行对比。

2.2 水平减震系数

水平向减震系数是抗规中隔震设计判断上部结构是否能降度设计的重要指数。抗规规定，水平向减震系数低于0.4时(设置阻尼器时为0.38)，上部结构可降1度进行设计。

在设防地震作用下，隔震结构与非隔震结构弹性计算所得层间剪力之比见表6。故此，结构的水平向减震系数可取0.38，表明隔震效果良好。根据抗震规范，本工程抗震构造措施可按降低1度考虑。即按7度(0.1g)设防考虑，框架抗震等级为1级。

表6 水平减震系数

2.3 底部剪力比

底部剪力比是隔标中引入的判定上部结构是否能采用降度设计的一个重要指数。隔标中规定，当底部剪力比小于0.5时，上部结构可降1度进行结构设计。

在设防地震作用下，隔震结构与非隔震结构弹性计算所得底部剪力之比见表6。故此，结构的底部剪力比值最大为0.41，表明隔震效果良好。根据隔标规定，本工程抗震构造措施可按降低1度考虑。即按7度(0.1g)设防考虑，框架抗震等级为1级。

3 时程分析

3.1 中震下结构动力特征

无论是抗规中的隔震设计方法还是隔标中的隔震设计方法，设防地震作用下的结构响应分析都是十分重要的。基于传统抗震设计方法是不考虑设防地震下的分析，本文为了作对分析，也对传统抗震案例做了中震下的时程分析。选取了层间位移角，层间剪力和倾覆力矩作为关键指标做对比分析，分析结果如表7所示。

表7 中震下结构动力响应的关键指标

由表7可以看出，在设防地震作用下，无论是基于抗规还是基于隔标的上部结构的层间位移角，层间剪力和倾覆力矩都远小于传统抗震结构的层间位移角，层间剪力和倾覆力矩。在上部结构第一层基于隔标的案例比抗规的案例基底剪力和倾覆力矩要大，但是随着楼层数的增加，隔标的数据超过了抗规的数据。说明虽然采用隔标设计的上部结构比采用抗规设计的上部结构降低了地震作用，这是由于隔标中反应谱采用三段式，取消了抗规中的直线下降段，使得地震作用下降明显。但是层间位移角方面，隔标显然要比抗规的大，这说明上部结构的刚度下降程度要大于地震力的下降程度。

3.2 大震下结构动力特征

当结构受到罕遇地震作用时，结构一般会进入弹塑性状态。因此，本文将这三种设计方法的结构案例进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。为了比较分析这三种设计方法的不同，采用和中震作用下一样的层间位移角，层间剪力和倾覆力矩这三个关键指标进行对比分析且地震波选取也相同(见表8)。

表8 大震下结构动力响应的关键指标

由表8可以看出隔震结构在罕遇地震作用下的层间位移角相比于传统的抗震结构减小不是很明显，这说明上部结构已经出现了损伤，部分构件已经进入了塑性状态。因此结构的刚度退化明显，层间位移角因此增大。但是层间剪力和倾覆力矩的减小还是很明显的，进一步说明了隔震结构对于上部结构的地震作用具有很好的削弱作用。

4 经济性分析

由于基于抗规和隔标设计的模型构件尺寸是相同截面的。因此混凝土用量也是基本一致的，区别在于钢筋的用量。所以本文只从钢筋用量考虑经济性，混凝土用量只供大家参考。从前文的分析来看，基于隔标设计的上部结构受到的地震作用会小一些，因此设计时可考虑更小截面，相应的混凝土用量也会减小。由于篇幅有限，本文不再做进一步分析。

4.1 上部结构混凝土用量

隔震设计方案和传统设计方案的主体结构混凝土用量见表9。可以看出隔震结构的混凝土用量明显小于传统抗震设计结构的混凝土用量。

表9 混凝土用量 m3

4.2 上部结构钢筋用量

三种设计方案的上部结构钢筋用量见表10。

表10 钢筋用量

可以看出，非隔震结构的钢筋用量明显高于隔震结构的钢筋用量。基于隔标设计的上部结构的钢筋用量低于基于抗规设计的上部结构的钢筋用量。这是由于反应谱的不同造成计算时所承受的地震力不同，隔标的反应谱下降更快，因此地震力偏小。

5 结论与展望

本文以一个实际工程案例为背景，对比分析了基于两种规范设计与传统抗震设计的结构的地震作用和经济性的差异。研究结论如下：1)由于隔标反应谱的改变，下降段不采用抗规的两段式，直接变成了一段直接下降，这就导致了基于隔标设计的上部结构地震力变小。2)隔标采用直接分析法，因此把抗规的水平向减震系数改成了底部剪力比。本质上没什么区别，但是隔标有所放宽。3)隔震结构的混凝土用量和钢筋用量都比传统抗震结构有所减少。基于隔标设计的上部结构钢筋用量小于基于抗规设计的上部结构的钢筋用量，但是随着楼层增高，钢筋用量逐渐持平。4)由于隔标反应谱的改变，基于隔标设计的上部结构受到的地震力减小，因此基于隔标的能否采用更小的截面设计还有待进一步研究。5)隔标中还引入了极罕遇地震的概念，还需进一步研究。