周小燕

（甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州730030）

1 概述

隔震設(shè)計(jì)模塊主要有四部分：上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、隔震層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)預(yù)定隔震目標(biāo)確定計(jì)算模型，隔震層的設(shè)計(jì)是根據(jù)上部結(jié)構(gòu)布置隔震支座進(jìn)行隔震層設(shè)計(jì)，通過調(diào)整隔震支座的布置，確定隔震系數(shù)并驗(yàn)算隔震支座在罕遇地震下的水平位移及內(nèi)力是否滿足規(guī)范限值。下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)罕遇地震下各個(gè)支座的內(nèi)力進(jìn)行設(shè)計(jì)。我國《抗規(guī)》中對(duì)使用隔震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)做了較為嚴(yán)格的限制，限制了上部結(jié)構(gòu)的類型為多層砌體、鋼筋混凝土框架、剪力墻等，這樣限制目的是使隔震體系的受力明確，計(jì)算模型簡化，保證結(jié)構(gòu)以剪切變形為主。但是目前的隔震設(shè)計(jì)在以下方面還存在著分歧。

1.1 非比例阻尼的影響

目前的隔震設(shè)計(jì)中大多數(shù)采用鉛芯橡膠支座和普通橡膠支座混合搭配使用的，兩種支座的不同之處在于鉛芯橡膠支座中壓入了鉛芯，鉛芯具有良好的吸收耗散能量和塑形變形的功能，其剛度較普通橡膠支座的大。在地震作用下，鉛芯橡膠支座將發(fā)生很大的剪切變形，內(nèi)部鉛芯發(fā)生屈服現(xiàn)象，能夠很好的吸收地震能量，由于鉛芯具有良好的柔軟性，在地震的反復(fù)作用下，其性能也能很好的恢復(fù)。鉛芯的作用等同于一個(gè)阻尼器，其阻尼的影響是不能忽視的。正是由于上部結(jié)構(gòu)混凝土與隔震支座的材料特性不一樣，在結(jié)構(gòu)分析時(shí)便會(huì)出現(xiàn)非比例阻尼的問題，周云指出非比例阻尼是隨著結(jié)構(gòu)隔震層的變形而不斷變化的，并不是一個(gè)定值，由于這種不定性，目前隔震計(jì)算中還沒法實(shí)現(xiàn)對(duì)非比例阻尼的準(zhǔn)確模擬，現(xiàn)有規(guī)范的處理方式是將上部結(jié)構(gòu)簡化等效為單質(zhì)點(diǎn)模型，認(rèn)為地震作用下隔震層以上結(jié)構(gòu)整體平動(dòng)，且定義隔震層與整體結(jié)構(gòu)的阻尼比是相同的，即采用模態(tài)阻尼，忽略了非比例阻尼的影響，這種做法是偏于安全的。有限元通用軟件MIDAS-GEN可以通過對(duì)隔震層定義組阻尼比簡化處理非比例阻尼，將地震中非比例阻尼定義為一個(gè)定值，實(shí)現(xiàn)對(duì)隔震層及上部結(jié)構(gòu)的不同阻尼比的定義，但這種處理方式也僅是一種簡化處理方式。根據(jù)《抗規(guī)》12.2.4中第2條，隔震層的水平等效剛度和等效粘滯阻尼比可按下列公式計(jì)算：

式中：ζeq——隔震層等效粘滯阻尼比；

Kh——隔震層水平等效剛度；

ζj——j隔震支座由試驗(yàn)確定的等效粘滯阻尼比，設(shè)置阻尼裝置時(shí)，應(yīng)包括相應(yīng)阻尼比；

Kj——j隔震支座由試驗(yàn)確定的水平等效剛度。

本文采用MIDAS-GEN對(duì)考慮非比例阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)層剪力的影響做了對(duì)比分析，對(duì)某隔震結(jié)構(gòu)考慮非比例阻尼與不考慮非比例阻尼的樓層剪力做了對(duì)比分析，如圖1所示。從圖中可以看出，對(duì)考慮或不考慮結(jié)構(gòu)非比例阻尼，結(jié)構(gòu)樓層剪力在峰值處的差別還是比較明顯的，隨著地震作用的減小，非比例阻尼的影響越來越小，兩個(gè)曲線的吻合很好。

圖1 考慮非比例阻尼與不考慮非比例阻尼的樓層剪力對(duì)比圖

1.2 規(guī)范中重力荷載代表值的定義

《抗規(guī)》中12.2.3第3條中規(guī)定：橡膠隔震支座在重力荷載代表值的豎向壓應(yīng)力。甲類建筑不應(yīng)超過10MPa，乙類建筑不應(yīng)超過12MPa，丙類建筑不應(yīng)超過15MPa。對(duì)于本條中重力荷載代表值的定義目前還存在著一些分歧，大多數(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員將這里的重力荷載代表值按照規(guī)范中5.1.3中的定義取值，但是這樣計(jì)算確是偏于不安全的。在隔震設(shè)計(jì)中初步選定支座是根據(jù)豎向力的大小來選取支座的，如果把規(guī)范中定義的“D+0.5L”作為豎向力來選取支座的話，結(jié)果是偏小的。朱炳寅對(duì)于規(guī)范中的重力荷載代表值有不同的解釋，指出規(guī)范中的重力荷載代表值是廣義的，不僅指荷載效應(yīng)基本組合的設(shè)計(jì)值，也包括地震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合值。隔震支座壓應(yīng)力計(jì)算主要包括以下三種情況：（1）按一般永久荷載和可變荷載的基本組合計(jì)算；（2）當(dāng)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行傾覆計(jì)算時(shí)，作用在支座頂部的壓應(yīng)力應(yīng)包括水平地震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行計(jì)算；（3）對(duì)需進(jìn)行豎向地震作用計(jì)算的結(jié)構(gòu)，隔震支座壓應(yīng)力的計(jì)算還應(yīng)包括豎向地震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合?；谏鲜鋈N情況選取隔震支座，隔震支座在減小水平作用的同時(shí)也可以保證支座在豎向力作用下的承載力。通過上述三種情況的荷載效應(yīng)組合，在選取隔震支座時(shí)充分保證了豎向力的傳遞，隔震支座的選取才算是安全合理的。

1.3 隔震支座拉應(yīng)力的計(jì)算及控制方法

《抗規(guī)》第12.2.4條中規(guī)定，隔震層在罕遇地震下應(yīng)保持穩(wěn)定，不宜出現(xiàn)不可恢復(fù)的變形，其橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時(shí)作用下，拉應(yīng)力不應(yīng)大于1MPa。這里指出計(jì)算支座拉應(yīng)力時(shí)，其控制力為罕遇地震的水平與豎向同時(shí)作用下，但是規(guī)范并沒有具體指出其荷載的組合方法。在對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析時(shí)，計(jì)算支座的拉應(yīng)力主要由以下幾種：（1）將重力荷載代表值與時(shí)程非線性分析結(jié)果作為單獨(dú)的荷載工況進(jìn)行簡單的線性組合，沒有考慮隔震支座在受拉和受壓時(shí)的剛度是不同的；（2）目前許多的隔震設(shè)計(jì)中，僅將重力荷載代表值引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力作為時(shí)程分析的初始條件，但是未考慮支座的初始變形，當(dāng)結(jié)構(gòu)有傾覆力矩作用時(shí)，隔震支座的拉力過大，雖然計(jì)算結(jié)果是偏于安全的，但影響隔震支座的合理布置，與實(shí)際情況有偏差；（3）將重力荷載代表值引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形作為時(shí)程分析的初始狀態(tài)，從而得到支座準(zhǔn)確的內(nèi)力，這是一種非線性分析，在進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)有初始非零狀態(tài)，這種響應(yīng)與荷載不成正比，得到的內(nèi)力結(jié)果也不是簡單的疊加計(jì)算。對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)，重力荷載作用下的結(jié)構(gòu)真實(shí)的狀態(tài)始終是結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)，利用第三種計(jì)算方法顯然更為合理實(shí)際。

在很多隔震計(jì)算中，往往會(huì)由于隔震支座的拉力過大而影響了整體結(jié)構(gòu)的布置，尤其對(duì)于高寬比較大，易出現(xiàn)傾覆效應(yīng)的結(jié)構(gòu)，在外側(cè)邊緣的隔震支座易出現(xiàn)拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力也應(yīng)控制在規(guī)范允許值范圍內(nèi)，解決隔震支座的拉應(yīng)力應(yīng)從以下兩個(gè)方面解決：（1）優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)及隔震支座的布置，保持結(jié)構(gòu)總荷載基本不便，調(diào)整柱網(wǎng)布置，使隔震支座的受荷范圍增大，隔震支座直徑增大，抗水平作用變形能力提高。但在高層剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于剪力墻底部的傾覆力矩比框架大很多，位于邊緣剪力墻底部的隔震支座更容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，剪力墻的剛度越大反而會(huì)越來越增大隔震層支座的水平地震力，這種情況下只能通過對(duì)剪力墻開洞或者優(yōu)化分散布置剪力墻來改善隔震支座的拉力，對(duì)于周邊的剪力墻及梁柱可以適當(dāng)增加剛度，適當(dāng)削弱內(nèi)部構(gòu)件的剛度，減小由于高層建筑的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)帶來的支座拉應(yīng)力；（2）采用有抗拉能力的隔震支座。當(dāng)罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)邊緣個(gè)別少量隔震支座的拉應(yīng)力值超限時(shí)，通過第一種方法很難避免支座拉應(yīng)力超限時(shí)，可采用抗拉隔震支座，目前的高層結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)大多采用抗拉隔震支座與橡膠隔震支座混合使用，抗拉隔震支座具有 剛度比較小且抗拉能力比較強(qiáng)的特點(diǎn)，但由于其造價(jià)較高，很難被廣泛推廣使用。

1.4 隔震設(shè)計(jì)的分析方法

目前的隔震設(shè)計(jì)大多數(shù)采用規(guī)范推薦的時(shí)程分析法，時(shí)程分析法的優(yōu)點(diǎn)是可以比較準(zhǔn)確的模擬地震動(dòng)，可以記錄結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的整個(gè)過程，但是在選波過程中較難選到滿足規(guī)范要求的地震波，往往在選波過程中花費(fèi)時(shí)間，并且有時(shí)各條波的計(jì)算結(jié)果分散性較大。振型分解反應(yīng)譜法是一種擬靜力方法，能夠同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)各頻段振動(dòng)的振幅和頻譜，但忽略了地震作用的隨機(jī)性。薛彥濤通過采用能量法推導(dǎo)出隔震結(jié)構(gòu)的振型阻尼比，即將不同阻尼材料的結(jié)構(gòu)阻尼比采用應(yīng)變能加權(quán)平均的方法得到一個(gè)固定的振型阻尼，并采用振型分解反應(yīng)譜法對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算得到的基底剪力與時(shí)程分析的基本一致，但這種計(jì)算方法僅限于理論方面，目前振型分解反應(yīng)譜法還沒有用于進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)。本文對(duì)某已建宿舍樓進(jìn)行反應(yīng)譜分析，該宿舍樓位于8度區(qū)，已經(jīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行了隔震設(shè)計(jì)，且達(dá)到了預(yù)期減一度的目標(biāo)。

表1 各個(gè)軟件隔震與非隔震模型周期對(duì)比

表2 非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)X向樓層剪力比

表3 非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)Y向樓層剪力比

圖2 非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)X向樓層剪力

圖3 非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)Y向樓層剪力

本文采用 ETABS、MIDAS GEN、SAP2000 及設(shè)計(jì)軟件YJK對(duì)上述某已建隔震宿舍樓進(jìn)行振型分解反應(yīng)譜分析，從表1可以看出上述軟件周期計(jì)算結(jié)果接近，圖2、圖3為上述軟件的樓層剪力對(duì)比圖，可以看出上述軟件的計(jì)算結(jié)果吻合度較高。表2、表3為隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)的樓層剪力比，可以看出采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的樓層剪力偏大，計(jì)算的減震系數(shù)比時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果偏大，根據(jù)《抗規(guī)》12.2.5第2條計(jì)算隔震后的水平地震影響系數(shù)最大值，并不能達(dá)到預(yù)期的減震目標(biāo)。

2 結(jié)論

通過對(duì)隔震設(shè)計(jì)中遇到的有分歧的幾個(gè)問題進(jìn)行探討，可以得出：（1）非比例阻尼對(duì)隔震結(jié)構(gòu)在地震峰值時(shí)的影響比較明顯，在隔震設(shè)計(jì)中不可忽略；（2）計(jì)算隔震支座的壓應(yīng)力時(shí)，重力荷載代表值的為廣義的，隔震支座的選取應(yīng)保證支座在豎向力作用下的承載力；（3）計(jì)算隔震支座拉應(yīng)力時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的初始內(nèi)力及初始變形；（4）振型分解反應(yīng)譜法是一種擬靜力方法，計(jì)算隔震模型時(shí)，減震系數(shù)較時(shí)程分析的結(jié)果偏大。