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摘要:隔震设计是建筑框架结构总体设计工作中的重要组成部分，对保障建筑的整体质量具有重要意义。本文结合工程实例，在介绍框架结构减震方案的基础上，围绕模型的建立、支座的选择、减震系数计算和柱子设计等方面分析了建筑框架结构隔震设计要点，以供参考。
关键词:框架结构；隔震设计；减震系数；位移验算
中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：
随着我国社会经济建设步伐的加快，城市规模不断扩大，房屋、住宅、高层建筑等建筑物数量日益增加，对建筑的抗震设计要求也有所提高。传统的抗震設计方法虽然在很多情况下是有效的，但容易出现主体结构破坏后难以恢复、承重构件进行非弹性状态等问题，已无法满足当前城市建筑物抗震的需要，因此隔震设计方法应运而生。隔震设计方法是一项新型的建筑结构耐震形式，不仅能够保护建筑框架结构，而且还能保护建筑内部结构的重要设备在强震的情况下免遭破坏，大大简化了建筑框架结构的设计与施工，具有良好的发展前景。本文通过分析建筑框架结构隔震设计要点，以期完善隔震设计方法。
1 工程概况
该工程为4层钢筋混凝土框架结构。建筑总高度为15.8m，首层层高4.8m。建筑抗震设防烈度7度(0.10g)；场地类别Ⅱ类，特征周期0.35s；基本风压0.80kN/m2，楼面永久荷载5.0kN/m2，楼面可变荷载2.5－3.5kN/m2；梁、柱混凝土强度等级均为C30。
2 结构减震方案
本工程首层层高较高，而上部三层填充墙多且层高低，结构经计算，首层为薄弱层。根据相关的研究，由于结构薄弱层的存在，薄弱层层间位移角将急剧增大。震害经验也表明，在强烈地震作用下首层薄弱层破坏严重，甚至引起整座建筑物倒塌，但薄弱层以上楼层的震害轻微。本工程考虑到非隔震结构经初步计算基本周期为0.73s且场地地质条件良好，决定采用隔震设计。
该建筑首层为薄弱层，若采用基础隔震体系，虽然达到了减小地震地面运动对结构的作用，但在超烈度的地震作用下，其首层仍将率先出现较大的弹塑性变形甚至破坏。首层薄弱层结构如果采用层间隔震，将隔震层位置上移至首层柱顶形成首层柱顶隔震体系，则地坪处不需要设置隔震沟，简化了隔震构造措施，降低了施工难度，节省工程造价。同时对于首层柱顶这种低位隔震结构，目前理论分析及试验研究均表明其减震机理基本接近于基础隔震，经综合分析，本工程采用首层柱顶隔震体系的设计方案。
3 结构隔震分析
3.1 结构计算模型的建立
应用有限元分析软件ETABS建立该别墅的三维分析模型，其中梁柱构件采用空间杆系单元模拟，混凝土楼板采用膜单元模拟，隔震支座采用连接单元模拟。
3.2 隔震支座初步选取及布置
根据相关规定:对于丙类建筑，橡胶隔震支座在重力荷载代表值的竖向压应力不应超过15MPa。通过计算分析，初步确定支座的直径均为Φ400，支座布置如(图1)所示。其中天然橡胶支座称为LNR，铅芯橡胶支座称为LRB。在结构外围布置铅芯支座可以增加结构抗扭能力。
图1 隔震支座布置图
3.3 验证时程分析所选的三条波的有效性
文献相关规定:弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结果底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。现验证所选的ELCENTRO波、TAFT波和人工波的有效性。计算结果见(表1)。
表1 时程法与反应谱法所得的非隔震结构底部剪力比较
从表2可以看出每条地震波时程分析计算所得的结构底部剪力均大于反应谱法计算的65%，3条地震波时程分析计算所得的结构底部剪力平均值大于反应谱法计算结果的80%，满足要求。
3.4 水平向减震系数计算
本工程采用时程分析法计算出隔震结构和非隔震结构在7度多遇地震下(地震加速度时程的最大值调整到35cm/s2)的层间剪力。三条地震波作用下隔震与非隔震结构的层间剪力包络值及层间剪力比见(表2)。
表2 隔震与非隔震结构的最大层间剪力及层间剪力比
相关规定:水平向减震系数，对于多层建筑，为按弹性计算所得的隔震和非隔震各层层间剪力的最大比值。从表3看出最大层间剪力比为0.26，故减震系数为0.26，满足文献[4]规定的上部结构降一度设计的要求。但为使本结构在地震作用下有更大的安全度，上部结构设计仍按照7度(0.1g)设计。
3.5 罕遇地震下的隔震层的位移验算
本工程还进行了隔震结构在7度罕遇地震(地震加速度时程的最大值调整到220cm/s2)作用下的动力时程分析，隔震的层的最大位移见表3。
表3 地震下隔震层位移验算
从表4可以看出，7度罕遇地震作用下隔震层的最大位移为157mm，小于隔震层位移220mm，可见罕遇地震作用下，隔震层的最大位移满足文献[4]的要求。
3.6 首层柱子的设计
根据相关规定:隔震层支墩、支柱即相连构件，应采用隔震结构罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩进行承载力验算。
本工程采用的隔震支座的直径均为400mm，根据隔震支座安装上的要求，首层柱子截面统一取为600mm×600mm。首层柱子混凝土强度等级为C30。
首层柱子计算简图为一悬臂柱，计算长度取至基础顶面。利用ETABS软件计算所得的首层柱子内力进行截面验算，结果表明600mm×600mm的柱子满足要求。
3.7 7度和8度罕遇地震下层间位移角计算
将三条地震波峰值分别调整至220cm/s2(7度罕遇)和400cm/s2(8度罕遇)，输入隔震结构和非隔震结构，计算出两种结构的层间位移角。计算结果见(表4)。
表4 7度罕遇地震下层间位移角对比
根据相关规定:隔震层以下地面以上的结构在罕遇地震下的层间位移角限值应满足表12.2.9要求。查表12.2.9得，罕遇地震下钢筋混凝土框架结构隔震层下的楼层层间位移角限值为1/100。从表5和表6可以看出在7度和8度罕遇地震下，隔震结构的首层的最大层间位移角分别为1/546和1/300。在7度罕遇地震下，隔震结构首层层层间位移角接近弹性层间位移角限值1/550，远远满足1/100的要求。在超烈度8度罕遇地震下，隔震结构的首层的层间位移角仍小于1/100，因此按照7度罕遇地震下的内力设计的首层柱子具有足够的刚度。对于非隔震结构，在7度和8度罕遇地震下首层的层间位移角分别为1/72和1/40。7度罕遇地震下非隔震结构的首层的层间位移角虽然满足弹塑性层间位移角限值1/50的要求，但是如果考虑薄弱层效应，结构有可能发生倒塌。在8度罕遇地震下，非隔震结构首层的层间位移角为1/40，不满足弹塑性层间位移角限值1/50的要求，结构发生倒塌。同时从表5和表6可以看出，在7度和8度罕遇地震下，隔震层以上各层的层间位移角远远小于非隔震结构，其中7度罕遇地震下，隔震层上部结构的层间位移角接近弹性层间位移角限值1/550。因此，该别墅施加隔震技术后，在地震下结构的安全度大大提高，表现出了良好的工作性能。
3.8 风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力验算
根据相关规定:风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过总重力的10%。为了保证隔震结构在风荷载和其他非地震作用的水平荷载作用下发生较大的位移，进行此项验算。验算结果见(表5)。
表5 总水平力力验算
从表7可以看出，风荷载和其他非地震作用的水平荷载产生的总水平力没有超过总重力的10%，满足上述要求。
4 结论
通过分析建筑框架结构隔震设计要点，可以得出以下几点结论：①通过时程分析法计算出隔震结构和非隔震结构在地震下的层间剪力，结果满足上部结构降一度设计的要求；②通过对首层柱子的内力进行强度设计，结果表明首层柱子具有良好的强度和刚度；③当风荷载和其他非地震作用下的水平荷载所产生的总水平力低于总重力的10%，则隔震结构在常规状态下不会发生影响正常使用功能的位移。
参考文献
[1] 周厚玲.浅析框架结构房屋的隔震设计[J].中国新技术新产品.2012年第02期
[2] 师兴刚；赵牧；江昆.多层框架结构隔震设计研究[J].建筑知识：学术刊.2012年第B08期
关键词:框架结构；隔震设计；减震系数；位移验算
中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：
随着我国社会经济建设步伐的加快，城市规模不断扩大，房屋、住宅、高层建筑等建筑物数量日益增加，对建筑的抗震设计要求也有所提高。传统的抗震設计方法虽然在很多情况下是有效的，但容易出现主体结构破坏后难以恢复、承重构件进行非弹性状态等问题，已无法满足当前城市建筑物抗震的需要，因此隔震设计方法应运而生。隔震设计方法是一项新型的建筑结构耐震形式，不仅能够保护建筑框架结构，而且还能保护建筑内部结构的重要设备在强震的情况下免遭破坏，大大简化了建筑框架结构的设计与施工，具有良好的发展前景。本文通过分析建筑框架结构隔震设计要点，以期完善隔震设计方法。
1 工程概况
该工程为4层钢筋混凝土框架结构。建筑总高度为15.8m，首层层高4.8m。建筑抗震设防烈度7度(0.10g)；场地类别Ⅱ类，特征周期0.35s；基本风压0.80kN/m2，楼面永久荷载5.0kN/m2，楼面可变荷载2.5－3.5kN/m2；梁、柱混凝土强度等级均为C30。
2 结构减震方案
本工程首层层高较高，而上部三层填充墙多且层高低，结构经计算，首层为薄弱层。根据相关的研究，由于结构薄弱层的存在，薄弱层层间位移角将急剧增大。震害经验也表明，在强烈地震作用下首层薄弱层破坏严重，甚至引起整座建筑物倒塌，但薄弱层以上楼层的震害轻微。本工程考虑到非隔震结构经初步计算基本周期为0.73s且场地地质条件良好，决定采用隔震设计。
该建筑首层为薄弱层，若采用基础隔震体系，虽然达到了减小地震地面运动对结构的作用，但在超烈度的地震作用下，其首层仍将率先出现较大的弹塑性变形甚至破坏。首层薄弱层结构如果采用层间隔震，将隔震层位置上移至首层柱顶形成首层柱顶隔震体系，则地坪处不需要设置隔震沟，简化了隔震构造措施，降低了施工难度，节省工程造价。同时对于首层柱顶这种低位隔震结构，目前理论分析及试验研究均表明其减震机理基本接近于基础隔震，经综合分析，本工程采用首层柱顶隔震体系的设计方案。
3 结构隔震分析
3.1 结构计算模型的建立
应用有限元分析软件ETABS建立该别墅的三维分析模型，其中梁柱构件采用空间杆系单元模拟，混凝土楼板采用膜单元模拟，隔震支座采用连接单元模拟。
3.2 隔震支座初步选取及布置
根据相关规定:对于丙类建筑，橡胶隔震支座在重力荷载代表值的竖向压应力不应超过15MPa。通过计算分析，初步确定支座的直径均为Φ400，支座布置如(图1)所示。其中天然橡胶支座称为LNR，铅芯橡胶支座称为LRB。在结构外围布置铅芯支座可以增加结构抗扭能力。
图1 隔震支座布置图
3.3 验证时程分析所选的三条波的有效性
文献相关规定:弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结果底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。现验证所选的ELCENTRO波、TAFT波和人工波的有效性。计算结果见(表1)。
表1 时程法与反应谱法所得的非隔震结构底部剪力比较
从表2可以看出每条地震波时程分析计算所得的结构底部剪力均大于反应谱法计算的65%，3条地震波时程分析计算所得的结构底部剪力平均值大于反应谱法计算结果的80%，满足要求。
3.4 水平向减震系数计算
本工程采用时程分析法计算出隔震结构和非隔震结构在7度多遇地震下(地震加速度时程的最大值调整到35cm/s2)的层间剪力。三条地震波作用下隔震与非隔震结构的层间剪力包络值及层间剪力比见(表2)。
表2 隔震与非隔震结构的最大层间剪力及层间剪力比
相关规定:水平向减震系数，对于多层建筑，为按弹性计算所得的隔震和非隔震各层层间剪力的最大比值。从表3看出最大层间剪力比为0.26，故减震系数为0.26，满足文献[4]规定的上部结构降一度设计的要求。但为使本结构在地震作用下有更大的安全度，上部结构设计仍按照7度(0.1g)设计。
3.5 罕遇地震下的隔震层的位移验算
本工程还进行了隔震结构在7度罕遇地震(地震加速度时程的最大值调整到220cm/s2)作用下的动力时程分析，隔震的层的最大位移见表3。
表3 地震下隔震层位移验算
从表4可以看出，7度罕遇地震作用下隔震层的最大位移为157mm，小于隔震层位移220mm，可见罕遇地震作用下，隔震层的最大位移满足文献[4]的要求。
3.6 首层柱子的设计
根据相关规定:隔震层支墩、支柱即相连构件，应采用隔震结构罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩进行承载力验算。
本工程采用的隔震支座的直径均为400mm，根据隔震支座安装上的要求，首层柱子截面统一取为600mm×600mm。首层柱子混凝土强度等级为C30。
首层柱子计算简图为一悬臂柱，计算长度取至基础顶面。利用ETABS软件计算所得的首层柱子内力进行截面验算，结果表明600mm×600mm的柱子满足要求。
3.7 7度和8度罕遇地震下层间位移角计算
将三条地震波峰值分别调整至220cm/s2(7度罕遇)和400cm/s2(8度罕遇)，输入隔震结构和非隔震结构，计算出两种结构的层间位移角。计算结果见(表4)。
表4 7度罕遇地震下层间位移角对比
根据相关规定:隔震层以下地面以上的结构在罕遇地震下的层间位移角限值应满足表12.2.9要求。查表12.2.9得，罕遇地震下钢筋混凝土框架结构隔震层下的楼层层间位移角限值为1/100。从表5和表6可以看出在7度和8度罕遇地震下，隔震结构的首层的最大层间位移角分别为1/546和1/300。在7度罕遇地震下，隔震结构首层层层间位移角接近弹性层间位移角限值1/550，远远满足1/100的要求。在超烈度8度罕遇地震下，隔震结构的首层的层间位移角仍小于1/100，因此按照7度罕遇地震下的内力设计的首层柱子具有足够的刚度。对于非隔震结构，在7度和8度罕遇地震下首层的层间位移角分别为1/72和1/40。7度罕遇地震下非隔震结构的首层的层间位移角虽然满足弹塑性层间位移角限值1/50的要求，但是如果考虑薄弱层效应，结构有可能发生倒塌。在8度罕遇地震下，非隔震结构首层的层间位移角为1/40，不满足弹塑性层间位移角限值1/50的要求，结构发生倒塌。同时从表5和表6可以看出，在7度和8度罕遇地震下，隔震层以上各层的层间位移角远远小于非隔震结构，其中7度罕遇地震下，隔震层上部结构的层间位移角接近弹性层间位移角限值1/550。因此，该别墅施加隔震技术后，在地震下结构的安全度大大提高，表现出了良好的工作性能。
3.8 风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力验算
根据相关规定:风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过总重力的10%。为了保证隔震结构在风荷载和其他非地震作用的水平荷载作用下发生较大的位移，进行此项验算。验算结果见(表5)。
表5 总水平力力验算
从表7可以看出，风荷载和其他非地震作用的水平荷载产生的总水平力没有超过总重力的10%，满足上述要求。
4 结论
通过分析建筑框架结构隔震设计要点，可以得出以下几点结论：①通过时程分析法计算出隔震结构和非隔震结构在地震下的层间剪力，结果满足上部结构降一度设计的要求；②通过对首层柱子的内力进行强度设计，结果表明首层柱子具有良好的强度和刚度；③当风荷载和其他非地震作用下的水平荷载所产生的总水平力低于总重力的10%，则隔震结构在常规状态下不会发生影响正常使用功能的位移。
参考文献
[1] 周厚玲.浅析框架结构房屋的隔震设计[J].中国新技术新产品.2012年第02期
[2] 师兴刚；赵牧；江昆.多层框架结构隔震设计研究[J].建筑知识：学术刊.2012年第B08期