郭宇菲 （安徽省建筑科學研究設(shè)計院，安徽 合肥 230031）

0 引言

2023 年全球發(fā)生6 級以上地震129次、7級以上地震19次，其中僅土耳其地震就造成當?shù)亟? 萬人死亡，損失超過1000 億美元。為減少地震造成的傷亡和經(jīng)濟損失，學者提出了抗震韌性[1-2]這一概念。隔震技術(shù)將地震損傷集中在隔震層，能夠有效降低主體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，是韌性的重要途徑之一。隔震技術(shù)經(jīng)歷數(shù)次地震的考驗，驗證了該技術(shù)的合理性和優(yōu)越性。然而在大震下，隔震結(jié)構(gòu)仍會發(fā)生一定的損傷。對于變電站、醫(yī)院等生命線工程，為了使其在地震中使用功能不中斷，往往需要對其設(shè)定更高的性能目標?；诖?，本文將隔震技術(shù)與減震技術(shù)相結(jié)合，在基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)上部增設(shè)減震裝置，使結(jié)構(gòu)在大震下也能保持完好，從而達到更高的韌性目標。

本文以一棟4 層鋼筋混凝土框架醫(yī)院建筑為例，采用疊層分析法進行隔震-減震混合控制的設(shè)計。通過Perform-3D 軟件建立有限元模型，分別在設(shè)防地震和罕遇地震下對隔震結(jié)構(gòu)和隔震-減震結(jié)構(gòu)進行動力時程分析，分析兩個結(jié)構(gòu)的抗震性能并對比其差異。研究方法和結(jié)果可為減隔震聯(lián)合使用的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一定的參考。

1 工程概況

該工程為一棟4 層鋼筋混凝土框架醫(yī)院建筑，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。醫(yī)院建筑屬于重要的生命線工程，該建筑總高度14.7m，各樓層高度分別為3.6m、3.9m、3.6m 和3.6m，抗震設(shè)防烈度為8 度（0.2g），抗震設(shè)防類別為乙類，地震分組為第二組，場地類別為II類。

圖1 某醫(yī)院建筑示意圖

2 隔震-減震混合控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計

2.1 隔震-減震混合控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程

隔震-減震混合控制結(jié)構(gòu)采用文獻[3-4]提出的疊層分析法進行設(shè)計，先進行隔震設(shè)計，滿足條件后再對上部結(jié)構(gòu)進行減震設(shè)計，設(shè)計流程如圖2所示。

2.2 隔震設(shè)計

本工程擬通過隔震設(shè)計，上部結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)降低1 度的目標。我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）[5]規(guī)定，隔震設(shè)計后結(jié)構(gòu)的水平減震系數(shù)小于0.4，上部結(jié)構(gòu)可按降低1 度設(shè)計。采用YJK 軟件初步對上部結(jié)構(gòu)按照降低1度（7 度，0.1g）進行設(shè)計，采用C30 等級混凝土、HRB400 等級縱向鋼筋和HRB335 等級箍筋強度，表1 列出了結(jié)構(gòu)梁、柱截面尺寸及配筋。

表1 梁柱截面尺寸及配筋

在ETABS 軟件中建立上部結(jié)構(gòu)模型。經(jīng)驗算，由ETABS 軟件建立的上部結(jié)構(gòu)模型和由YJK 軟件建立的上部結(jié)構(gòu)模型的質(zhì)量、自振周期和7 度設(shè)防地震下最大樓層剪力、最大層間位移角誤差均在5%以內(nèi)，表明ETABS 建立結(jié)構(gòu)模型的可靠性。在每個柱子底部布置隔震支座，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）[5]規(guī)定乙類建筑重力荷載代表值下的豎向壓應(yīng)力不應(yīng)超過12MPa，提取每個柱底的豎向反力，由此可以計算每個隔震支座的最小直徑D。初步選擇21個LRB600 鉛芯橡膠支座、54 個LNR600普通橡膠支座，表2為隔震支座參數(shù)表，圖3 為隔震支座布置圖，隔震結(jié)構(gòu)的屈重比為4.02%。

表2 隔震支座參數(shù)表

圖3 隔震支座布置圖

在ETABS 軟件中建立隔震層，形成隔震結(jié)構(gòu)，支座采用Rubber Isolator 和Gap 單元并聯(lián)進行模擬[6]。上部結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的一階自振周期分別為0.748s 和1.906s。在設(shè)防地震下，通過隔震結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)各樓層層間力比值的最大值可以計算出X 向和Y 向水平減震系數(shù)分別為0.39 和0.36，結(jié)構(gòu)的水平減震系數(shù)取較大值，該值小于0.4，符合預(yù)定的隔震目標，上部結(jié)構(gòu)可以按7 度（0.1g）進行設(shè)計。

隔震支座的布置需滿足隔震層偏心率小于3%。采用文獻[7]的公式進行偏心率驗算，驗算結(jié)果如表3 所示，可知兩個方向偏心率均小于限值。經(jīng)計算，罕遇地震下隔震層位移最大值小于0.55倍隔震支座有效直徑D 和3 倍厚度Tr的較小值（330mm），符合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）[5]要求；罕遇地震下隔震支座的極大面壓為7.2MPa，小于《建筑隔震設(shè)計標準》（GB/T 408-2021）[8]的限值25MPa。極小面壓為-0.3MPa，大于《建筑隔震設(shè)計標準》（GB/T 408-2021）的限值-1MPa。綜上可知，隔震支座布置較為合理，各項指標均能通過驗算。

表3 隔震層偏心率

2.3 上部減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在隔震設(shè)計后，對上部降度的結(jié)構(gòu)進行減震設(shè)計。為了簡化計算，僅在弱軸方向（X 向）進行減震設(shè)計，減震設(shè)計的目標是使上部結(jié)構(gòu)獲得約5%的附加阻尼比。上部結(jié)構(gòu)采用U 型金屬消能器作為減震裝置，并通過外掛墻板與主體結(jié)構(gòu)相連。采用等效線性化方法[9]進行消能器的設(shè)計和布置。考慮上部結(jié)構(gòu)各層的抗震能力，在一層、二層、三層分別布置了16、48、24個相同的消能器，消能器參數(shù)和示意圖如表4 和圖4 所示。經(jīng)過迭代計算，獲得上部結(jié)構(gòu)附加阻尼比為4.40%，符合預(yù)期目標。

表4 消能器參數(shù)表

圖4 U型金屬消能器示意圖

減震設(shè)計完成后，再次對隔震層在罕遇地震下進行校核。經(jīng)驗算，隔震-減震混合結(jié)構(gòu)的隔震層位移和面壓仍滿足規(guī)范要求。

3 隔震-減震混合控制結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)抗震性能對比分析

3.1 有限元模型的建立

采用Perform-3D 軟件建立僅隔震設(shè)計和隔震-減震混合控制設(shè)計的兩個結(jié)構(gòu)模型，其中梁、柱采用非線性纖維截面，U 型金屬消能器采用彈簧單元，外掛墻板采用剛性柱單元，隔震支座采用Seismic Isolator, Rubber Type 單元進行模擬[10]。圖5 為建模方法示意圖。經(jīng)驗算，由Perform-3D 軟件建立的上部原型結(jié)構(gòu)模型與YJK 模型的質(zhì)量、自振周期誤差均小于5%，驗證了Perform-3D 模型的準確性。隔震結(jié)構(gòu)在減震設(shè)計前后的一階自振周期分別為1.906s和1.852s。

圖5 建模方法示意圖

3.2 地震波的選取

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）規(guī)定，選取與結(jié)構(gòu)周期點（1.906s和1.852s）相匹配的7條地震波（5 條天然波和2 條人工波）進行動力時程分析，地震記錄來源于PEER 地面運動數(shù)據(jù)庫，人工波由YJK 軟件合成。圖6 為設(shè)防地震下地震波加速度反應(yīng)譜與規(guī)范設(shè)計反應(yīng)譜的對比，其中地震波譜值誤差最大值不超過35%、誤差平均值不超過20%。

圖6 地震波反應(yīng)譜

3.3 設(shè)防地震下動力時程分析

對隔震結(jié)構(gòu)和隔震-減震混合結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震下進行動力時程分析，輸入的峰值加速度為200 cm/s2。圖7 為設(shè)防地震7 條地震波及其均值下結(jié)構(gòu)最大層間位移角分布和對比。從圖中可以看出兩結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均小于我國《建筑隔震設(shè)計標準》（GB/T 408-2021）[8]中RC 隔震結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值1/400，其中隔震-減震混合結(jié)構(gòu)遠低于該值。在隔震結(jié)構(gòu)上部增加減震裝置前后最大層間位移角分別為1/564和1/1211，最大層間位移角減震率為53.4%。表5 為設(shè)防地震下兩結(jié)構(gòu)最大隔震層位移和頂點絕對位移均值，從表中可以看出，結(jié)構(gòu)大部分位移集中在隔震層；相較于隔震結(jié)構(gòu)，隔震-減震結(jié)構(gòu)的隔震層位移有所增加，這是因為上部結(jié)構(gòu)剛度的增加導(dǎo)致隔震層位移有所增大。盡管如此，相較于隔震結(jié)構(gòu)，隔震-減震結(jié)構(gòu)頂點絕對位移減震率為8.70%。由此可知，在設(shè)防地震下，在隔震結(jié)構(gòu)上部增加減震裝置能有效減小結(jié)構(gòu)的最大層間位移角和頂點位移，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

表5 設(shè)防地震下兩種結(jié)構(gòu)最大位移均值（單位：mm）

圖7 設(shè)防地震下兩種結(jié)構(gòu)最大層間位移角

3.4 罕遇地震下動力時程分析

在罕遇地震下對隔震結(jié)構(gòu)和隔震-減震混合結(jié)構(gòu)進行動力時程分析，此時輸入的峰值加速度為400 cm/s2。罕遇地震下7 條地震波及其均值下結(jié)構(gòu)最大層間位移角分布和對比如圖8 所示，可知隔震結(jié)構(gòu)的最大層間位移角小于我國《建筑隔震設(shè)計標準》（GB/T 408-2021）[8]規(guī)定的RC 隔震結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的彈塑性層間位移角限值1/100，隔震-減震結(jié)構(gòu)小于彈性層間位移角限值1/400。相較于隔震結(jié)構(gòu)（1/189），隔震-減震結(jié)構(gòu)（1/425）的最大層間位移角減震率為55.5%。罕遇地震下兩結(jié)構(gòu)最大隔震層位移和頂點絕對位移均值如表6 所示?？芍?，結(jié)構(gòu)大部分位移集中在隔震層，兩結(jié)構(gòu)隔震層最大變形均遠小于隔震層位移限值330mm（0.55D），符合規(guī)范要求。相較于隔震結(jié)構(gòu)，隔震-減震結(jié)構(gòu)的隔震層位移有所增加，但頂點絕對位移減震率為10.25%。綜上可知，在罕遇地震下，相比于隔震結(jié)構(gòu)，隔震-減震結(jié)構(gòu)的最大層間位移角和頂點位移均得到有效控制，能提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

圖8 罕遇地震下兩種結(jié)構(gòu)最大層間位移角

4 結(jié)論

本文選取一棟鋼筋混凝土框架醫(yī)院建筑，運用隔震-減震混合控制技術(shù)對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。采用數(shù)值模擬的方法對隔震-減震結(jié)構(gòu)和僅隔震設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行研究，對比其抗震性能的差異，得出如下結(jié)論。

①在設(shè)防地震和罕遇地震工況下，相較于隔震結(jié)構(gòu)，隔震-減震結(jié)構(gòu)能有效減小結(jié)構(gòu)的層間位移角和頂點位移，層間位移角減震率分別為53.4% 和55.5%，頂點絕對位移減震率分別為8.70%和10.25%。

②隔震結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震、罕遇地震下的最大層間位移角分別小于限值1/400、1/100，達到設(shè)防地震基本完好、罕遇地震中等破壞的性能水準，隔震-減震結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震和罕遇地震下的最大層間位移角小于限值1/400，到達設(shè)防地震完好、罕遇地震基本完好的性能水準。

③在設(shè)防地震和罕遇地震下，兩結(jié)構(gòu)位移大部分出現(xiàn)在隔震層，各方案隔震層最大變形均遠小于隔震層位移限值0.55D，符合規(guī)范要求。由于上部結(jié)構(gòu)剛度的增加導(dǎo)致隔震層位移有所增大，因此相較于隔震結(jié)構(gòu)，隔震-減震結(jié)構(gòu)的隔震層位移有所增加。