滕曉飛,周林麗,曾玲玉,姚文花

(1.嘉應(yīng)學(xué)院 土木工程學(xué)院，廣東 梅州 514021；2.廣州大學(xué) 工程抗震研究中心，廣州 510000)

1 概述

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，通常普遍重視水平地震作用的影響，對豎向地震的關(guān)注相對較少[1-2]。然而，隨著社會經(jīng)濟的快速展，當(dāng)前的結(jié)構(gòu)體系較之過去有很大不同，出現(xiàn)了許多大跨度、超高層的隔震結(jié)構(gòu)體系。我國抗震設(shè)計規(guī)范明確指出對于8度以上的部分結(jié)構(gòu)應(yīng)計算豎向地震作用，并對隔震體系應(yīng)考慮的豎向地震作用最低限值做出了相關(guān)規(guī)定[3]。學(xué)者們這對隔震技術(shù)的推廣和應(yīng)用進行了大量的研究工作并取得豐碩的成果，杜永峰、李慧等[4]等建立了非比例阻尼多自由度隔震體系的時域動力響應(yīng)工程算法；薛彥濤，巫振宏等[5]提出計算隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的振型分解反應(yīng)譜方法；黨育，霍凱成[6]對多層隔震結(jié)構(gòu)的豎向地震作用取值及豎向地作用效應(yīng)進行了研究。Y.H.Liu，P.Tan等[7]利用邊界條件將隔震裝置和框剪結(jié)構(gòu)的影響引入分布參數(shù)系統(tǒng)，推導(dǎo)了模態(tài)正交條件和各階模態(tài)的等效阻尼比，并通過算例驗證了求解隔震高層框剪結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的方法。Tena-Colunga,Arturo等[8]提出了低矮剪力墻基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的簡化混合設(shè)計方法。然而這些研究只是針對隔震結(jié)構(gòu)的地震作用計算或抗力計算，針對抗震措施的研究還相對較少。

隔震設(shè)計的核心內(nèi)容不僅包括地震作用計算和結(jié)構(gòu)抗力計算[9]，同時還包括隔震構(gòu)造措施[10]。對于僅考慮水平地震作用的情況，我國規(guī)范根據(jù)水平向減震系數(shù)對抗震措施的降低程度做出了規(guī)定；然而，隔震結(jié)構(gòu)隔離豎向地震作用的能力相對有限，我國規(guī)范規(guī)定當(dāng)隔震結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)小于0.4時，可適當(dāng)降低規(guī)范對非隔震建筑的抗震措施要求，烈度降低最多不超過一度，但不應(yīng)降低與抵抗豎向地震作用相關(guān)的抗震構(gòu)造措施(主要指鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的墻、柱軸壓比等)。事實上，水平抗震構(gòu)造措施的降低必然會影響到結(jié)構(gòu)的豎向性能和設(shè)計結(jié)果。為了研究豎向地震作用下，抗震構(gòu)造措施變化對整體可靠性的影響，筆者分析了隔震設(shè)計中的豎向地震和延性設(shè)計方法等問題，對某8度區(qū)大跨度結(jié)構(gòu)進行隔震設(shè)計并結(jié)核動力彈塑性時程分析研究了構(gòu)造措施對隔震體系可靠性的影響。

2 豎向地震下的隔震問題

建筑物在遭受地震時，相當(dāng)于地震波在建筑基礎(chǔ)部位施加了一個復(fù)雜多變且不穩(wěn)定的力，這種地震力包括水平、豎向以及轉(zhuǎn)動分量[11]。豎向分量通常與水平分量的震級及震中距相關(guān)，因此其重要性是不容忽視的。我國抗震設(shè)計規(guī)范明確指出8度以上的大跨度結(jié)構(gòu)、長懸臂構(gòu)件以及9度區(qū)的高層建筑應(yīng)計算豎向地震作用，計算公式如下：

FEvk=αvmaxGeq

(1)

(2)

式中:

FEvk——結(jié)構(gòu)總豎向地震作用標(biāo)準值；

Fvi——第i個質(zhì)點的豎向地震作用標(biāo)準值；

αvmax——豎向地震影響系數(shù)最大值，通常取水平地震影響系數(shù)最大值的65%；

Geq——結(jié)構(gòu)等效總重力荷載，通常取重力荷載代表值的75%。

同時還規(guī)定了隔震層以上結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施的要求：當(dāng)水平向減震系數(shù)大于0.40時不應(yīng)降低非隔震時的有關(guān)要求；水平向減震系數(shù)不大于0.40時，可適當(dāng)降低規(guī)范有關(guān)章節(jié)對非隔震建筑的要求，但烈度降低不得超過1度，與抵抗豎向地震作用有關(guān)的抗震構(gòu)造措施不應(yīng)降低。事實上，水平抗震構(gòu)造措施與隔震結(jié)構(gòu)的豎向性能直接相關(guān)，其降低程度必然影響到結(jié)構(gòu)的豎向性能和設(shè)計結(jié)果。

3 延性隔震設(shè)計方法

相關(guān)文獻研究表明[12]，結(jié)構(gòu)體系的抗倒塌能力與其屈服機制密切相關(guān)。相較于柱端屈服型框架易形成連續(xù)倒塌機制，梁端屈服型框架有較大的內(nèi)力重分布和耗能能力，極限側(cè)向變形能力大，抗震性能較好。因而，隔震設(shè)計時可以通過人為調(diào)整梁柱端彎矩設(shè)計值關(guān)系以推遲塑性鉸的出現(xiàn)時間：

∑Mc=ηc∑Mb

(3)

式中：

∑Mc——梁柱節(jié)點上下柱端截面的組合彎矩設(shè)計值之和；

∑Mb——梁柱節(jié)點左右梁端截面的組合彎矩設(shè)計值之和；

ηc——框架柱端彎矩增大系數(shù)。

對于隔震層以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，常見破壞形式分為彎曲破壞和剪切破壞。其中，彎曲破壞通常屬于延性破壞，一般會產(chǎn)生較大的非線性變形；而剪切破壞則伴隨著剛度和強度的大幅度退化，屬于一種對結(jié)構(gòu)安全非常不利的脆性破壞模式。因而，隔震設(shè)計時可以通過在配筋設(shè)計時對不同延性要求的構(gòu)件采用不同的剪力增強系數(shù)來實現(xiàn)“強剪弱彎”的延性設(shè)計模式。對框架梁或連梁構(gòu)件、框架柱或框支柱的剪力設(shè)計值可采用如下調(diào)整：

(4)

(5)

式中：

Vb、Vc——梁、柱端截面組合的剪力設(shè)計值；

ln——梁的凈跨；

Hn——柱子凈高；

VGb——按簡支梁且考慮豎向地震作用的截面剪力設(shè)計值；

ηvb、ηvc——為梁和端的剪力增強系數(shù)。

隔震結(jié)構(gòu)的節(jié)點核心區(qū)部位則是保證整個隔震體系承載能力和抗倒塌設(shè)計的關(guān)鍵，為滿足延性設(shè)計的要求，可在該部位按下式要求進行剪力設(shè)計值的調(diào)整：

(6)

式中：

Vj——梁柱節(jié)點核心區(qū)的剪力設(shè)計值；

hb、hb0——梁的截面高度和有效高度；

∑Mb——節(jié)點左右組合彎矩設(shè)計值之和；

ηj——正交梁的約束影響系數(shù)；

fc——混凝土受壓強度設(shè)計值；

bj、hj——節(jié)點核心區(qū)的截面寬度和高度；

ηjb——強節(jié)點系數(shù)。

為合理控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸，提高結(jié)構(gòu)的延性變形能力和抗倒塌能力，對梁柱構(gòu)件的最小截面尺寸、最小配筋率、鋼筋最小直徑、最小錨固長度、箍筋的加密區(qū)的長度和間距、梁塑性鉸區(qū)受拉鋼筋的最大配筋率、柱的軸壓比限值等不需要計算而必須采取的細部要求均屬于抗震構(gòu)造措施，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對不同延性要求的結(jié)構(gòu)均有相應(yīng)的要求，這些都是加強結(jié)構(gòu)整體性，提高建筑物抗震性能的重要因素。因而可知，延性隔震設(shè)計很大程度上是通過抗震措施的調(diào)整系數(shù)以及相應(yīng)的構(gòu)造措施來保證的。水平抗震構(gòu)造措施與隔震結(jié)構(gòu)的豎向性能直接相關(guān)，其降低程度必然影響到結(jié)構(gòu)的豎向性能和設(shè)計結(jié)果

4 算例分析

為進一步研究水平抗震構(gòu)造措施變化對隔震體系可靠性的影響，首先對某8度區(qū)大跨度結(jié)構(gòu)進行隔震設(shè)計，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。該建筑功能主要用于煙草倉儲和分揀，結(jié)構(gòu)平面尺寸為72.0 m×92.1 m，結(jié)構(gòu)層高為9.0 m，主要跨度為18.0 m×18.0 m的井字梁系；該建筑的抗震設(shè)防烈度為8度(0.2 g)，設(shè)防分類為丙類，設(shè)計地震分組為第2組，場地類別為Ⅱ類，特征周期0.4 s；根據(jù)工程的特點考慮水平和豎向地震作用進行隔震設(shè)計，共布置了37個隔震支座(如圖2所示)。對隔震和非隔震模型在設(shè)防烈度下時程分析，得到水平減震系數(shù)β=0.32。

圖1 大跨度隔震結(jié)構(gòu)模型示意

圖2 隔震支座平面布置示意

根據(jù)抗震設(shè)計規(guī)范的要求可知，上部結(jié)構(gòu)最多可按降低1度進行設(shè)計，相應(yīng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的水平抗震措施由1級降至2級。為進一步研究水平抗震構(gòu)造措施變化對隔震體系可靠性的影響，分別按抗震措施不變K1和降1度K2兩種情況進行設(shè)計，得到不同方向的樓層設(shè)計內(nèi)力結(jié)果見圖3；2層部分梁柱配筋結(jié)果見圖4(其中梁柱對應(yīng)位置參見圖2)。

圖3 K1和K2的樓層設(shè)計剪力示意

圖4 K1和K2的單位面積用鋼量示意

根據(jù)分析結(jié)果可知，K1和K2兩種情況下的樓層設(shè)計內(nèi)力和彈性設(shè)計層間位移角基本相同，這表明抗震構(gòu)造措施的降低并不影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算。根據(jù)兩種情況的單位面積用鋼量配筋可知，K1情況對應(yīng)的單位面積總用鋼量為55.56 kg/m2，K2情況對應(yīng)的單位面積總用鋼量為50.67 kg/m2，抗震措施降低1度節(jié)省了8.8%的鋼筋用量。這種配筋的變化對框架梁、柱等抵抗水平地震作用的關(guān)鍵構(gòu)件影響較大，對只承擔(dān)豎向荷載的樓板并沒有影響。這說明抗震措施的降低可以減少部分工程造價，但也相應(yīng)的影響了結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計性能。

為進一步研究抗震構(gòu)造措施變化對隔震結(jié)構(gòu)可靠性的影響，選擇和抗震設(shè)計反應(yīng)譜吻合較好的2條天然波和1條人工進行考慮豎向地震作用的動力彈塑性時程分析，3條地震波和設(shè)計反應(yīng)譜的對比如圖5所示；其中，分析所用的水平加速度峰值為400 gal，豎向加速度峰值取水平向峰值的65%，即260 gal?；炷梁弯摻畹谋緲?gòu)模型選用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的塑性損傷模型，其中，鋼筋屈服后的彈性模量折減系數(shù)取0.017 5。分析得到隔震層位移見表1所示，ChiChi波水平X向和Z向共同作用下屋面a點的豎向加速度如圖6所示，1號支座豎向滯回曲線如圖7所示。

圖7 1號支座豎向滯回曲線示意(ChiChi_X)

表1 罕遇地震下的隔震層位移響應(yīng) mm

圖5 3條地震波和設(shè)計反應(yīng)譜對比示意

由分析結(jié)果可知，抗震措施降低一度K2的隔震層最大位移比抗震措施不變K1較小，這是由于在罕遇地震波持續(xù)的時域內(nèi)，抗震措施越低，上部結(jié)構(gòu)越容易進入非線性狀態(tài)，而隔震層位移越小，隔震結(jié)構(gòu)的等效剛度就越大，最終吸收了更多的地震能力，二者相互耦合共同影響著隔震結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)。但抗震措施降低一度K2的豎向加速度最大值略小于抗震措施不變K1的情況，且K2情況對應(yīng)的1號支座比K1情況對應(yīng)的1號支座受到了略大的軸線拉力，這是由于構(gòu)造措施降低一度時上部結(jié)構(gòu)更容易進入彈塑性狀態(tài)，從而利用構(gòu)件的滯回耗能吸收較多地震能量，但二者的差異并不明顯。

圖6 屋面a點豎向加速度響應(yīng)示意(Chichi波)

5 結(jié)語

本文研究了隔震設(shè)計中豎向地震作用和延性設(shè)計方法的問題，對某8度區(qū)大跨度結(jié)構(gòu)進行隔震設(shè)計并基于動力彈塑性時程分析研究了抗震構(gòu)造措施變化對隔震體系可靠性的影響。研究表明：構(gòu)造措施的降低并不影響結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)力計算結(jié)果；但考慮豎向地震作用時，構(gòu)造措施越低上部結(jié)構(gòu)越容易進入彈塑性，隔震層和上部結(jié)構(gòu)相互耦合共同影響隔震結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)。