孟盛世（蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隔震設(shè)計(jì)本質(zhì)主要是通過在建筑物或其特定部分（如設(shè)備或機(jī)器）上設(shè)置隔震裝置，以減少地震或其他震動源對建筑物或其特定部分的影響，由實(shí)際工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)結(jié)果可知，建筑結(jié)構(gòu)融入抗震結(jié)構(gòu)后，在面對地震加速度時(shí)可使相應(yīng)反映降低60%左右，由此對建筑隔震設(shè)計(jì)進(jìn)行探究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。本文研究中將首先對混凝土框架結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)情況進(jìn)行概括分析，隨后結(jié)合實(shí)際案例，分析摩擦擺隔震支座在建筑中應(yīng)用的實(shí)際成效。本文研究中主要通過實(shí)踐案例分析摩擦擺隔震支座在實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如模型構(gòu)建、平面布局設(shè)計(jì)等，隨后總結(jié)其具體應(yīng)用成效，明確其是否具備推廣價(jià)值。

1 混凝土框架結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)分析

1.1 隔震方案設(shè)計(jì)

在混凝土框架結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)中，首先要根據(jù)建筑物的使用功能、結(jié)構(gòu)類型、荷載大小等因素，確定隔震方案。常見的隔震方案包括基礎(chǔ)隔震、層間隔震和懸掛隔震等[1]。

1.2 結(jié)構(gòu)模型建立

在隔震方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立結(jié)構(gòu)模型，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析和計(jì)算。結(jié)構(gòu)模型應(yīng)考慮建筑物的實(shí)際尺寸、荷載分布、邊界條件等因素，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[2]。

1.3 隔震材料選擇

根據(jù)隔震方案和結(jié)構(gòu)模型，選擇合適的隔震材料。常見隔震材料包括橡膠隔震支座、彈簧隔震器、阻尼材料等。選擇隔震材料時(shí)，應(yīng)考慮其力學(xué)性能、穩(wěn)定性、耐久性等因素，以確保隔震效果和結(jié)構(gòu)安全[3]。

2 工程案例概況

案例建筑設(shè)計(jì)防震標(biāo)準(zhǔn)為8度，基本地震動加速度為0.30g。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將場地分為第二組，場地類別為III類場地，場地土特征周期為0.55s。考慮到工程的重要性，抗震設(shè)防類別為乙類，并且考慮地震動近場效應(yīng)，地震動參數(shù)增大系數(shù)為1.25。通過多遇、設(shè)防和罕遇地震時(shí)程分析，確定加速度峰值分別為137.5gal、375gal和637.5gal。

案例工程共有五層，建筑高度為21.3m，建筑寬度為20m，結(jié)構(gòu)高寬比為1.1。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)變形為剪切變形，符合隔震設(shè)計(jì)規(guī)范要求。為滿足抗震和抗風(fēng)等要求，需要合理布置隔震支座。隔震層使結(jié)構(gòu)具備較大的豎向承載力、可變的水平剛度和水平彈性恢復(fù)力。

3 隔震模型設(shè)計(jì)

從工程建設(shè)實(shí)際角度分析，開展結(jié)構(gòu)靜、動力分析過程中需要構(gòu)建起可靠的分析模型作為基礎(chǔ)，其可對結(jié)構(gòu)動力特性進(jìn)行直觀、準(zhǔn)確的反映，同時(shí)也可為結(jié)構(gòu)彈性以及彈塑性階段動力響應(yīng)分析提供必要支持[4]。案例工程開展中，基于ETABS 軟件構(gòu)建出相應(yīng)彈性以及非彈性隔震結(jié)構(gòu)有限元模型。

3.1 構(gòu)建隔震模型

隔震結(jié)構(gòu)模型需要在非隔震結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)建。案例工程中隔震設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)隔震工程，在構(gòu)建相應(yīng)模型過程中，技術(shù)人員決定增設(shè)隔震支座，并將相應(yīng)參數(shù)輸入至模型中[5]。技術(shù)人員在設(shè)計(jì)中基于工程實(shí)際情況選擇摩擦擺隔震支座，其實(shí)際應(yīng)用中可通過球形滑動表面運(yùn)動使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單擺運(yùn)動，利用滑動表面曲率半徑調(diào)整方式對隔震系統(tǒng)周期及剛度進(jìn)行控制，同時(shí)通過動摩擦系數(shù)對阻尼進(jìn)行控制。摩擦擺隔震支座的特點(diǎn)主要包括：①具有隔震能力，效果類似于橡膠隔震支座；②具有穩(wěn)定的滯回性能和優(yōu)異的耐久性；③在溫度、長期載荷等影響因素下，具有較高可靠性；④能自行調(diào)整側(cè)向剛度和自行復(fù)位；⑤震動周期與結(jié)構(gòu)所載質(zhì)量無關(guān)。與其他隔震支座相比，摩擦擺隔震支座的優(yōu)勢主要有：①豎向承載能力較高；②水平位移變形能力較大；③具有自動復(fù)位能力；④具有阻尼耗能能力。相關(guān)特點(diǎn)和優(yōu)勢使得摩擦擺隔震支座在地震防護(hù)方面具有較好的效果。摩擦擺隔震支座如圖1所示。

圖1 摩擦擺隔震支座FPS構(gòu)成示意圖

3.2 隔震支座平面布局設(shè)計(jì)

為達(dá)成提升建筑抗震性能目標(biāo)，需要將摩擦擺隔震支座合理設(shè)置于隔震層部分中，提升隔震結(jié)構(gòu)豎向承載力、可變水平剛度、水平彈性力等性能，同時(shí)充分滿足建筑設(shè)計(jì)中抗震、抗風(fēng)等性能要求[6]。

案例工程設(shè)計(jì)中布局在隔震層部分設(shè)置有64個(gè)摩擦擺支座，摩擦材料選用PTFE 材料，各隔震支座長期面壓控制在25MPa 以下，摩擦擺隔震支座相關(guān)參數(shù)見表1、表2。

表1 摩擦擺隔震支座計(jì)算參數(shù)

表2 抗拉摩擦擺隔震支座計(jì)算參數(shù)

3.3 隔震層恢復(fù)力計(jì)算方式

由技術(shù)角度分析，摩擦擺支座直接構(gòu)成隔震層水平恢復(fù)力，為切實(shí)保障隔震支座在經(jīng)過多次地震作用影響后依然具備較強(qiáng)復(fù)位能力，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中需要計(jì)算得出隔震支座彈性水平恢復(fù)力，其主要由摩擦擺隔震支座組成，如圖2所示，具體計(jì)算公式如下：

圖2 結(jié)構(gòu)恢復(fù)力曲線

式中F表示摩擦擺支座水平恢復(fù)力；R表示支座板圓弧面半徑；W表示摩擦擺支座豎向承載重量；D表示滑塊水平位移量；μ表示滑塊動摩擦系數(shù)。

4 地震波選取

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，時(shí)程分析時(shí)需要選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的地震加速度時(shí)程曲線，數(shù)量不小于總數(shù)的2/3。案例工程中，選擇5條天然波和2條人工波進(jìn)行時(shí)程分析，并取三條時(shí)程法的包絡(luò)值作為最終計(jì)算結(jié)果。

案例工程的抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.30g。由于考慮到近場地震效應(yīng)，隔震分析采用的設(shè)計(jì)基本地震加速度最大值為375cm/s2，罕遇地震下地震加速度最大值為637.5cm/s2。

由計(jì)算結(jié)果可知，每組時(shí)程曲線計(jì)算得到的底部剪力都超過反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的65%以上，而且7組時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部地震剪力的平均值大于反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。此外，每組時(shí)程結(jié)果都不超過反應(yīng)譜結(jié)果的135%，7 組時(shí)程平均結(jié)果也不超過反應(yīng)譜結(jié)果的120%，此結(jié)果充分滿足相關(guān)規(guī)范要求。最終時(shí)程分析計(jì)算值采用7 組時(shí)程曲線作用下的最大地震響應(yīng)值，表3 和表4 分別展示非隔震結(jié)構(gòu)在8 度（0.3g）多遇地震下基底剪力的時(shí)程分析和反應(yīng)譜分析結(jié)果。

表3 多遇地震下結(jié)構(gòu)基底剪力時(shí)程分析結(jié)果/kN

表4 多遇地震下結(jié)構(gòu)基底剪力反應(yīng)譜分析結(jié)果/kN

由表中數(shù)據(jù)分析得出，非隔震結(jié)構(gòu)在時(shí)程分析下的基底剪力滿足規(guī)范中對地震波的要求，由此所選取7條地震波可用于對隔震效果進(jìn)行分析。

5 混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)成效分析

5.1 隔震結(jié)構(gòu)及非隔震結(jié)構(gòu)周期變化

通過對非隔震結(jié)構(gòu)以及隔震結(jié)構(gòu)前6 階周期變化情況進(jìn)行計(jì)算分析后可得出如表5所示結(jié)果。

表5 非隔震結(jié)構(gòu)以及隔震結(jié)構(gòu)前6階周期/s

由表5數(shù)據(jù)可知，隔震體系結(jié)構(gòu)較原結(jié)構(gòu)有明顯提升，基本周期由0.93s提升至2.13s。

5.2 中震下結(jié)構(gòu)減震系數(shù)及結(jié)構(gòu)位移情況

由實(shí)際計(jì)算結(jié)果可知，在隔震結(jié)構(gòu)抗震響應(yīng)中，當(dāng)?shù)卣鹆叶仍谠O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)8度（0.3g）條件下，結(jié)構(gòu)中X向以及Y 向地震剪力平均值分別為非隔震結(jié)構(gòu)的0.318 倍以及0.310倍，此結(jié)果充分說明案例工程中所設(shè)計(jì)隔震結(jié)構(gòu)具備良好成效，結(jié)構(gòu)減震系數(shù)可達(dá)到0.318。此外，由計(jì)算結(jié)果可知，在中震條件下，隔震結(jié)構(gòu)層間位移角為1/429，其彈性基本得以保持，安全儲備相對較強(qiáng)。

5.3 大震條件下結(jié)構(gòu)位移情況

在罕震條件下對隔震層位移情況進(jìn)行計(jì)算分析后可得出如表6所示結(jié)果。

表6 罕震條件下隔震層位移

由表6數(shù)據(jù)可知，在罕震條件下隔震層最大平均水平位移幅度為229.1mm，完全滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，由實(shí)際計(jì)算可得出，罕震條件下隔震結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/208，同樣滿足規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)要求，安全儲備量充足。

6 結(jié)語

綜上所述，隔震設(shè)計(jì)在混凝土框架結(jié)構(gòu)中具有重要作用，本文研究所選取案例中隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取得較好成效，可以為其他同類工程提供相應(yīng)參考。摩擦擺隔震支座的應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①操作簡單，施工便捷，且不影響建筑原有功能；②所需維護(hù)成本較低，使用壽命長，可以持久地保護(hù)建筑物安全；③適應(yīng)各種建筑結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省材料成本；④在震后經(jīng)濟(jì)恢復(fù)過程中，摩擦擺隔震支座作為一種具有巨大潛力的減震技術(shù)，將會在重建工作中扮演重要角色。此外，為解決建筑摩擦擺主要瓶頸問題，相關(guān)產(chǎn)品如建筑抗拉摩擦擺隔震支座已被研發(fā)出并得到廣泛應(yīng)用。該支座為摩擦擺支座提供抗拉性能，有助于克服現(xiàn)有技術(shù)不足?？偟膩碚f，摩擦擺隔震支座具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和潛力，可以在各種建筑結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要作用，提高建筑抗震性能，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。