袁昆

（菏澤城建建筑設計研究院有限公司，山東 菏澤 274000）

關于高烈度區(qū)掉層結(jié)構(gòu)的隔震設計分析

袁昆

（菏澤城建建筑設計研究院有限公司，山東 菏澤 274000）

我國三分之二以上的國土面積為山地地形，尤其對于西部地區(qū)，而這些地區(qū)處于地震多發(fā)的高烈度區(qū)。掉層結(jié)構(gòu)是山地建筑具有代表性的結(jié)構(gòu)型式，指的是同一棟建筑的底界面放置在不同標高的場地基面上，且最高接地點以下按層高設置樓面的接地結(jié)構(gòu)。當高烈度區(qū)的掉層結(jié)構(gòu)有隔震要求時，工程經(jīng)驗是在掉層部分設置剛度很大的地下室，布置同一標高的隔震層。這樣的方案不但會導致材料浪費，還會導致掉層部分空間使用效果不理想等問題。以四川廬山縣人民醫(yī)院門診樓項目為基礎，從掉層結(jié)構(gòu)的特性出發(fā)，針對布置在同一標高隔震層帶來的問題，探索將隔震層布置在不同標高下掉層結(jié)構(gòu)的隔震設計方案。

高烈度區(qū)；掉層結(jié)構(gòu)；隔震設計

1 山地建筑結(jié)構(gòu)與掉層結(jié)構(gòu)

山地建筑結(jié)構(gòu)的使用安全受環(huán)境因素影響大，建筑結(jié)構(gòu)基層穩(wěn)定性受巖石層的影響，如果采用普通建筑方法，即基層采用水平的修筑方法不但成本高，并且施工難度也很大。隨著山區(qū)地形變化來進行結(jié)構(gòu)設計，采用掉層的方法來進行建筑施工，不但能夠節(jié)省大量的成本，在工程建設質(zhì)量安全上也會有明顯提升。山區(qū)建筑結(jié)構(gòu)建設施工主要是受地形變化的影響，其難點也是基層建筑結(jié)構(gòu)的選擇，采用掉層結(jié)構(gòu)可避免基層中出現(xiàn)這一問題，對后續(xù)施工建設也能起到防護的作用。

掉層結(jié)構(gòu)的特征是基層中表現(xiàn)出的高度差，這樣可以在基層建設中避免出現(xiàn)安全隱患，并可根據(jù)地形的變化來優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)，確保結(jié)構(gòu)的使用功能不會因此而受到影響，同時也提升了空間利用的合理性。但并不是所有的山坡都適合建筑掉層結(jié)構(gòu)，其中30%～60%之間的坡度最適合掉層結(jié)構(gòu)建筑施工。坡度過大在材料運輸上存在困難，建筑成本也會因此而增大。

2 掉層結(jié)構(gòu)的隔震層效果

隔震結(jié)構(gòu)通過在基礎結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)之間設置隔震層，使上部結(jié)構(gòu)與地震動的水平成分絕緣。隔震層中設置隔震支座和阻尼器等隔震裝置，其中隔震支座能夠穩(wěn)定持續(xù)地支承建筑物重量，跟隨建筑物的水平變形，并且具有適當彈性恢復力，同時阻尼器能夠用于吸收地震輸入能量。一般多層的鋼筋混凝土建筑物周期都比較短，在地震力作用下，加速度反應大，位移較小。在設置了隔震裝置以后，延長了建筑物的周期，地震作用下的加速度也變小，位移反應增加。如果在此基礎上加大結(jié)構(gòu)阻尼即設置隔震支座上的阻尼器，結(jié)構(gòu)位移反應繼續(xù)減小。由此可見，設置隔震裝置，使隔震層上部結(jié)構(gòu)發(fā)生平動，既能減小結(jié)構(gòu)所受地震作用，同時也可以減小位移，保證了隔震層上部結(jié)構(gòu)的安全，減少財產(chǎn)損失，保障生命安全。

2008年汶川發(fā)生了嚴重的地震，廬山縣人民醫(yī)院的門診樓在災后重建中澳門特別行政區(qū)對其進行援助，對掉層結(jié)構(gòu)的基層與首層之間采用橡膠材質(zhì)隔離層進行防護。門診樓地上結(jié)構(gòu)共6層，隔震層支柱直徑為50 cm，個別部位也設置在60 cm。建設后投入使用穩(wěn)定性也比較高。在2013年的雅安7.0級地震中，縣醫(yī)院的門診樓表現(xiàn)良好，墻體等結(jié)構(gòu)均能夠正常使用，并沒有在地震中出現(xiàn)明顯的裂痕。采用普通設計理念建設的樓房卻出現(xiàn)嚴重的結(jié)構(gòu)損壞，已經(jīng)不能滿足正常使用，墻體裂縫明顯，甚至出現(xiàn)掉落的現(xiàn)象。橡膠隔震層支柱具有很好的隔震效果，在隔震層的防護作用下，作用在地上結(jié)構(gòu)中的剪切力有明顯減小，從而實現(xiàn)對建筑物的安全防護。普通建筑結(jié)構(gòu)在設計中，雖然也會這對墻體部分進行加固，但在抗震效果上卻不明顯，在地震中墻體以及承重結(jié)構(gòu)仍然會受到影響。

3 高烈度區(qū)掉層結(jié)構(gòu)的隔震設計探索

3.1 掉層隔震結(jié)構(gòu)掉層部分結(jié)構(gòu)布置方案的初步探索

經(jīng)前文的分析比較，以掉二層掉兩跨的實際工程案例可發(fā)現(xiàn)：掉層部分剛度的變化，對結(jié)構(gòu)周期的變化影響程度比較?。桓鱾€模型在八度區(qū)多遇地震作用下，第一層及以上的各樓層的層間剪力、層最大位移、層間最大位移角數(shù)值變化不大，在罕遇地震作用下，層間最大位移角也在 1/1 000～1/2 000之間，保持彈性的工作狀態(tài)[1]。

從掉層部分的動力特性來看，將隔震層分開布置以后，可以顯著地減小掉層部分的層剪力，同時掉層部分也開始有位移，并且與上部結(jié)構(gòu)的層間位移差值也不大。雖然掉層部分全框架布置的模型二比其余四個模型有更好的平動效應，但是在多遇地震作用下，模型二掉層部分的層間位移角值顯著高于模型三到模型五，其數(shù)值已經(jīng)超過了《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）中對框架-抗震墻的彈性位移角限值。構(gòu)建結(jié)構(gòu)選擇中，第二層部分的受力距離增大，結(jié)構(gòu)整體抗震能力也會因此增強。

從掉層部分剛度的變化規(guī)律來看，掉層部分剛度的增大，可以減小掉層部分的層間剪力，明顯的減小掉層部分的層間位移角；從內(nèi)力來看，掉層剛度變大以后，可以減小掉層部分柱軸力、柱彎矩值和柱剪力。對隔震層的動力分析結(jié)果可以看出，將隔震層分成標高不同的兩個隔震層以后，隔震層仍能在罕遇地震作用下不超過疊層橡膠支座的水平極限變形；多遇地震作用下，兩層隔震層不僅在各自平面內(nèi)有較好的平動，兩層之間的協(xié)同工作效果也較好；在罕遇地震作用下，隔震層在各自平面內(nèi)平動效果減弱，上下隔震層的位移差值擴大到20 mm左右。掉層部分在 X方向剛度的加強，可以很明顯地減小X方向上下隔震層位移差，但是在Y方向剛度加強以后，上下隔震層的位移差值不降反增。

由以上分析總結(jié)可以給出高烈度區(qū)掉層結(jié)構(gòu)隔震設計的初步建議：對于上部結(jié)構(gòu)為框架-抗震墻的結(jié)構(gòu)，在掉層層數(shù)及跨數(shù)不大的情況下，可以將隔震層部分分開布置；掉層部分不宜做成純框架的結(jié)構(gòu)型式，抗震墻宜落至掉層底部；掉層部分剛度宜做適當?shù)募訌姡詼p少上下隔震層的位移差值。

3.2 掉層隔震結(jié)構(gòu)水平向減震系數(shù)取值的問題

在我國，隔震結(jié)構(gòu)的設計一般是設計單位在綜合考慮結(jié)構(gòu)的各個限制因素后，確定一個減震系數(shù)。這個系數(shù)再乘以工程所在地設防烈度下的水平地震影響系數(shù)，得到用于計算的水平地震影響系數(shù)，按照基礎固接的模型，仍然采用傳統(tǒng)的振型分解反應譜法進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設計及調(diào)整和布置。設計過程仍按照規(guī)范對抗震結(jié)構(gòu)的要求，控制各項參數(shù)指標。初步確定了上部的結(jié)構(gòu)方案以后，再交由專門的隔震研究分析機構(gòu)，由其估算隔震層質(zhì)量、支座布置和效果驗算等，并出具報告。以八度區(qū)減震系數(shù) 0.5為例，本質(zhì)上就是將八度區(qū)的隔震結(jié)構(gòu)放至七度區(qū)，按抗震結(jié)構(gòu)設計、驗算。雖然這樣的設計習慣縮短了設計周期，但是從后文內(nèi)容來看，也有它不利的一方面，本小節(jié)以現(xiàn)有上部隔震設計思路來討論掉層隔震結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)設計[2]。

3.3 掉層隔震結(jié)構(gòu)隔震層上部結(jié)構(gòu)的設計問題

傳統(tǒng)的抗震房屋如果不設地下室，底層地面一般只需素土夯實，做素混凝土的樓板即可，但隔震房屋由于設置了隔震層，隔震層以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件要與隔震層以下的構(gòu)件完全斷開，因此，隔震層頂部還需要設置一層樓板，并且為了使隔震層能整體協(xié)同工作，從構(gòu)造方面要求增加隔震層頂部梁板的配筋及截面，以保證其在平面內(nèi)的剛度足夠大[3]。

從圖1、圖2可以看出，除隔震支座處和隔震層頂部梁板外，隔震房屋上部結(jié)構(gòu)其他部分與傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)完全相同。從支座的受力來看，隔震支座能傳遞上部結(jié)構(gòu)的軸力和水平向的剪力，但不承擔上部結(jié)構(gòu)傳來的彎矩，因為設計時取隔震層頂部的梁板剛度大于一般層梁板，就是為了底層柱彎矩基本由隔震層頂部梁來分擔。從支座的變形來分析，隔震支座豎向變形很小，近似為剛性，但在水平方向可發(fā)生較大位移，但位移值有一定的限制。在MIDAS Gen中，鉸支座的模擬通過一般支承定義，通過約束全局坐標系下的Z方向位移和繞 Z軸的彎矩來實現(xiàn)，即認為支座可以在平面兩個方向運動，而不能抵抗彎矩。按調(diào)整以后的地震影響系數(shù)最大值來計算掉層抗震結(jié)構(gòu)[4]。

除掉層的上部結(jié)構(gòu)在設計時所用的剪力要遠比隔震結(jié)構(gòu)實際所承受的剪力要大，比值已經(jīng)超過2倍，也就是說掉層隔震結(jié)構(gòu)在遭遇到設防烈度地震時，所設計出來的構(gòu)件是大于實際需要，設計偏保守。如此而來，增加了豎向構(gòu)件的尺寸和配筋，同時也造成了材料的浪費。

圖2 隔震結(jié)構(gòu)模型

觀察掉層部分剪力的比值，實際的隔震結(jié)構(gòu)是設計時抗震結(jié)構(gòu)的1～3倍。如果按現(xiàn)有設計流程設計隔震結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)，掉層部分豎向構(gòu)件明顯存在著抗力不足的問題，八度區(qū)的掉層隔震結(jié)構(gòu)在遭遇多遇地震時，掉層部分的豎向構(gòu)件很可能就已經(jīng)破壞，掉層部分豎向構(gòu)件的破壞，隨之而來也影響上部結(jié)構(gòu)的安全。因此，掉層隔震結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)的設計，不應該僅僅局限在按減震以后的地震作用計算，更應該考慮隔震結(jié)構(gòu)實際的受力情況，隔震層的設計與上部結(jié)構(gòu)的設計不能完全脫開。

4 結(jié)論

（1）設置標高不同的兩個隔震層，可以有效減少掉層部分的層間剪力，在多遇地震和罕遇地震下，上部結(jié)構(gòu)的層間變形和最大層間剪力值變化很小，也就是隔震層分開設置對上部結(jié)構(gòu)隔震效果影響較小。

（2）掉層部分全框架的設計，可以較明顯地減小結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)的影響，但是掉層部分框架的層間變形也變得很大，甚至超過規(guī)范限值。

（3）上下隔震層在多遇地震和罕遇地震都可以很好地屈服耗能，且疊層橡膠支座的變形值仍處于極限變形值范圍內(nèi)。

（4）在多遇地震作用下，上下隔震層不僅能在各自平面內(nèi)整體平動效果好，還能保持較好的協(xié)同減震效果，兩層的相對位移變形較小，同步性高；罕遇地震作用下，兩隔震層在各自平面內(nèi)出現(xiàn)一定的不規(guī)則變形，且上下隔震層的極限位移差增加明顯。

（5）掉層部分剛度的增加，可以有效地減少掉層部分柱軸力，減少掉層部分所受彎矩和剪力。但是掉層全框架的布置，會使上接地層部分和掉層部分的剪力增大，與其他模型差距懸殊，不宜采用。

[1]陳淼.典型山地RC框架結(jié)構(gòu)強震破壞模式及易損性分析[D].重慶：重慶大學,2015．

[2]蔣代波.山區(qū)多層接地消能建筑框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究[D].重慶:重慶大學,2012.

[3]周兆靜.山區(qū)傾斜基巖上土-隔震框架結(jié)構(gòu)相互作用研究[D].重慶:重慶大學,2012.

[4]李亞瓊.基于土-結(jié)構(gòu)相互作用的坡地建筑的抗震性能分析[D].成都:西南交通大學,2012.

TU973.3+1

A

1009-7716（2017）09-0185-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.056

2017-05-02

袁昆（1977-），男，山東菏澤人，總工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，從事建筑工程設計工作。