李 斌

（甘肅省建筑科學(xué)研究院（集團(tuán)）有限公司，甘肅 蘭州 730070）

剪力墻隔震設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展中，需要針對(duì)性地設(shè)置隔震層結(jié)構(gòu)，并且結(jié)合具體的隔震長(zhǎng)度要求采取針對(duì)性的措施進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)的模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)計(jì)算，以便結(jié)合不同的抗震要求對(duì)隔震設(shè)計(jì)的效果以及隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究最終對(duì)比分析隔震設(shè)計(jì)背景下，地震響應(yīng)參照因素的變化情況。

1 專業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)計(jì)方法介紹

1.1 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001）中對(duì)建筑隔震和消能減震設(shè)計(jì)做出了非常明確的要求。這標(biāo)志著隔震技術(shù)開(kāi)始逐步推廣應(yīng)用，在相關(guān)的基礎(chǔ)規(guī)范中，將隔震技術(shù)的適用抗震度進(jìn)行了明確規(guī)定，指出隔震技術(shù)適應(yīng)于8度到9度的地震。并且要求結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則，自振周期小于1s。計(jì)算時(shí)，將X與Y向采用底部剪力法進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。此規(guī)范的設(shè)計(jì)方法主要以分部設(shè)計(jì)法為典型代表。分部設(shè)計(jì)方法主要是指在隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，需要設(shè)置典型的非比例阻尼系統(tǒng)。因此，與常規(guī)的抗震設(shè)計(jì)相比存在一定的差異，在具體的設(shè)計(jì)工作開(kāi)展中，需要對(duì)減震技術(shù)指標(biāo)震后結(jié)構(gòu)水平狀態(tài)進(jìn)行針對(duì)性的把握。關(guān)于隔震設(shè)計(jì)的核心數(shù)據(jù)指標(biāo)，主要是指隔震前水平地震最大響應(yīng)系數(shù)αmax。隨后，再應(yīng)用反應(yīng)譜分析的方法，對(duì)配筋設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行針對(duì)性分析，評(píng)估建筑是否能夠達(dá)到相應(yīng)的抗震等級(jí)層次要求。隔震后水平地震影響系數(shù)的最大值計(jì)算方法如下。

在此公式中，αmax1代表隔震后水平地震影響系數(shù)的最大值。

β代表水平方向的減震系數(shù)。

αmax代表非隔震下的水平結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)最大值。

Ψ代表調(diào)整系數(shù)指標(biāo)。

1.2 《建筑隔震技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》將應(yīng)用隔震和減震的領(lǐng)域進(jìn)行了規(guī)范。其中，新建公共建筑、存量公共建筑、裝配式建筑、農(nóng)村住房以及老舊房屋改造的過(guò)程中，都適用這一標(biāo)準(zhǔn)。基本設(shè)防目標(biāo)為：當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)的基本烈度的設(shè)防地震時(shí)，建筑主體結(jié)構(gòu)基本不受損壞或不需要修理可繼續(xù)使用。當(dāng)遇到罕遇地震時(shí)，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生損壞，但要求修復(fù)后可繼續(xù)使用。在文章探討的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，主要以直接設(shè)計(jì)法為典型代表，在隔震層的設(shè)計(jì)過(guò)程中等效剛度數(shù)值是隔震設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的重點(diǎn)指標(biāo)，結(jié)合實(shí)際的工程案例進(jìn)行地震作用下隔震層的針對(duì)性設(shè)計(jì)時(shí)，通常剪切變形位移不能達(dá)到100%的狀態(tài)。因此，計(jì)算出等效高度與等效阻尼比的數(shù)據(jù)值的過(guò)程中準(zhǔn)確性就會(huì)受到影響。因此，需要在設(shè)計(jì)的過(guò)程中先進(jìn)行隔震層位移數(shù)值的假設(shè)，隨后再通過(guò)反復(fù)迭代的方式將位移指標(biāo)作為抗震設(shè)計(jì)的參照指標(biāo)，待位移不發(fā)生變動(dòng)時(shí)，對(duì)等效高度等效阻尼的比值進(jìn)行確認(rèn)。在設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展中，還需要對(duì)隔震支座剪切變形的剛度指標(biāo)進(jìn)行針對(duì)性確認(rèn)。并且要適當(dāng)忽略隔震支座細(xì)微區(qū)別背景下產(chǎn)生的偏差性位移。在隔震結(jié)構(gòu)迭代計(jì)算的方式方法方面，可通過(guò)以下兩個(gè)公式計(jì)算得出等效剛度指標(biāo)以及等效阻尼比指標(biāo)。

此公式中，Keq代表隔震支座等效剛度指標(biāo)。

K0代表鉛芯橡膠隔震支座的屈服前剛度指標(biāo)。

Ky代表鉛芯橡膠隔震支座的屈服后剛度指標(biāo)。

D代表隔離層的位移指標(biāo)。

Dy代表鉛芯橡膠隔震支座的屈服位移指標(biāo)。

2 剪力墻隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比分析

2.1 隔震層設(shè)計(jì)分析

隔震層在剪力墻結(jié)構(gòu)中與平面尺寸指標(biāo)有非常緊密的關(guān)系。在確定平面尺寸后，可有效減低設(shè)計(jì)荷載的變化。同時(shí)，也能減低抗規(guī)和隔離設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)計(jì)效果的影響。因此，在隔震設(shè)計(jì)方案的選擇和支座號(hào)的選擇上也保持一致性，在隔震層的裝置選擇方面，常規(guī)情況下會(huì)選用普通的橡膠支座和鉛芯橡膠支座兩種類型。其中鉛芯橡膠支座是在常規(guī)橡膠支座內(nèi)部放入鉛芯，結(jié)構(gòu)就是橡膠支座，形成阻尼效應(yīng)，達(dá)到提供風(fēng)荷載的目標(biāo)。能夠確保在地震發(fā)生時(shí)，裝置的水平抗力和彈性恢復(fù)力保持穩(wěn)定。在布置隔震支座時(shí)，需要把握以下幾個(gè)原則。一是橡膠制作的承受力，在豎向角度上應(yīng)當(dāng)盡可能保持在均勻狀態(tài)。二是要保證長(zhǎng)期面壓指標(biāo)處在規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。三是針對(duì)隔震層的偏心率進(jìn)行有效的計(jì)算，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，隔震層的偏心率指標(biāo)不得大于3%，超過(guò)此規(guī)范要求會(huì)導(dǎo)致上層結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變化，對(duì)抗震效果產(chǎn)生不利影響。具體來(lái)說(shuō)，偏心率計(jì)算公式需要依據(jù)重心和剛性兩方面?zhèn)戎攸c(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，具體計(jì)算公式如下。

②剛心計(jì)算公式：

在此公式中，為隔震位移達(dá)到既定數(shù)值時(shí)對(duì)應(yīng)的等效剛度指標(biāo)。

2.2 地震波選取設(shè)計(jì)分析

地震波的選取需要通過(guò)彈性時(shí)成指標(biāo)的分析作為參照，選取地震波時(shí)應(yīng)當(dāng)將人工波和天然波相結(jié)合進(jìn)行混合，選取地震波形與地震加速反應(yīng)譜，結(jié)合規(guī)范設(shè)計(jì)譜進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)比觀察可知地震波與規(guī)范譜在統(tǒng)計(jì)意義上具有較高的符合性，可滿足隔震前后周期點(diǎn)位上單條地震波的反應(yīng)譜與規(guī)范譜的誤差要求。同時(shí)，平均地震波反應(yīng)譜與規(guī)范譜的誤差也符合預(yù)期的要求。

在地震波選取完成后，可進(jìn)入防烈度地震下彈性驗(yàn)算環(huán)節(jié)。此驗(yàn)算環(huán)節(jié)包括水平方向的減震系數(shù)驗(yàn)算以及層間位移角驗(yàn)算。

3 設(shè)計(jì)控制因素與地震響應(yīng)對(duì)比分析

3.1 減震系數(shù)的對(duì)比分析

在抗規(guī)的相關(guān)規(guī)定中，將水平方向的減震系數(shù)作為抗規(guī)中衡量減震效果的主要指標(biāo)。規(guī)范中明確提出了基底剪力比的概念。但在隔震設(shè)計(jì)中，兩項(xiàng)指標(biāo)具有同等重要的地位，是隔震設(shè)計(jì)效果的典型反應(yīng)指標(biāo)。通過(guò)對(duì)比分析可知，隔規(guī)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在X方向和Y方向上的基底剪力對(duì)比結(jié)果較之抗規(guī)設(shè)計(jì)的減震系數(shù)相對(duì)更大。增長(zhǎng)比例分別達(dá)到了29%和23%，抗規(guī)減震系數(shù)確定為0.40。因此，在設(shè)計(jì)工作中要求在滿足抗規(guī)要求的基礎(chǔ)上，將減震系數(shù)控制在不大于0.4的狀態(tài)下，基于此實(shí)施降一度設(shè)計(jì)的模式。

3.2 層間位移角對(duì)比分析

層間位移角，主要反映隔震結(jié)構(gòu)的變形性能是觀察隔震結(jié)構(gòu)，變形性能的關(guān)鍵指標(biāo)。通過(guò)對(duì)比觀察，可直觀地看出不同設(shè)計(jì)方法背景下抗震性能的典型差異。在對(duì)比觀察中，不同的地震強(qiáng)度也會(huì)基于不同的設(shè)計(jì)方法顯示出差異顯著的位移角狀態(tài)。

4 基于規(guī)范性要求的隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 隔震結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性宏觀分析

隔震結(jié)構(gòu)有非常顯著的實(shí)際特點(diǎn)，主要是指在建筑受到地震作用的破壞時(shí)，可大幅度降低其結(jié)構(gòu)破壞的程度。性能較好的隔震結(jié)構(gòu)還可保障建筑實(shí)體處在彈性狀態(tài)墻體與內(nèi)部裝飾物品，盡可能保持在輕微損壞或不發(fā)生損壞的狀態(tài)下，此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在安全系數(shù)上，較之非隔震結(jié)構(gòu)有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。另外，抗震力不足的建筑物在地震后有可能出現(xiàn)倒塌的風(fēng)險(xiǎn)，這會(huì)造成非常嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和生命安全損失。在相關(guān)的研究數(shù)據(jù)中顯示，隔震技術(shù)對(duì)于減低建筑物的直接損失率具有非常顯著的促進(jìn)作用。較之未設(shè)計(jì)隔振結(jié)構(gòu)的建筑，在損失率上高出30%。關(guān)于經(jīng)濟(jì)性分析的指標(biāo)主要包括以下三個(gè)方面。①直接建設(shè)費(fèi)用。②使用期間維護(hù)費(fèi)用。③失效損失費(fèi)用。在相關(guān)研究中顯示，隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)踐中顯示出隔震建筑較之非隔震建筑直接建設(shè)費(fèi)會(huì)增加最大10%的幅度。同時(shí)，建筑高度也會(huì)影響到建設(shè)費(fèi)用。通常情況下，當(dāng)建筑高度小于25米時(shí)，直接建設(shè)費(fèi)用中的隔震結(jié)構(gòu)比抗震結(jié)構(gòu)的費(fèi)用會(huì)上漲5%左右。若建筑高度更進(jìn)一步的提高到30米左右，兩種結(jié)構(gòu)的建設(shè)費(fèi)用可保持持平狀態(tài)。而若建筑高度大于30米，隔震費(fèi)用則會(huì)有所降低，降低幅度也維持在5%左右。關(guān)于維護(hù)費(fèi)用和失效損失費(fèi)用，主要是指當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷需要維護(hù)時(shí)，通過(guò)維護(hù)費(fèi)用的使用促使損傷結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原始的使用功能和安全狀態(tài)下，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生一部分補(bǔ)償費(fèi)用。而失效損失費(fèi)用則主要是指發(fā)生直接損失和間接損失后，費(fèi)用也會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化。損壞程度建筑結(jié)構(gòu)的原始類型以及維修方式都會(huì)影響到這部分費(fèi)用的支出額度。而對(duì)于失效費(fèi)用和損失費(fèi)用的具體細(xì)分，又可結(jié)合結(jié)構(gòu)損失進(jìn)行針對(duì)性的細(xì)分。例如，將其按照層間位移造成的損失費(fèi)用進(jìn)行細(xì)分，或者依據(jù)各樓層之間的慣性力對(duì)層間加速度的影響進(jìn)行損失費(fèi)用額度的分析。

4.2 材料用量的對(duì)比分析

原材料的用量對(duì)于經(jīng)濟(jì)支出額度會(huì)產(chǎn)生非常直接的影響，因此需結(jié)合不同原材料的用量進(jìn)行設(shè)計(jì)維度的對(duì)比分析，以便確認(rèn)材料用量，對(duì)經(jīng)濟(jì)成本的影響具體來(lái)說(shuō)，材料用量對(duì)比可從以下幾方面進(jìn)行觀察分析。

4.2.1 混凝土用量對(duì)比

其中混凝土用量的對(duì)比過(guò)程中，抗震結(jié)構(gòu)與基于標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范設(shè)計(jì)的隔震結(jié)構(gòu)，在混凝土用量上具有較為顯著的差異觀察，可知和正結(jié)構(gòu)的剪力墻混凝土用量較之抗震結(jié)構(gòu)的用量降低額度達(dá)到10%以上，而樓板與連梁銅的用量中隔震結(jié)構(gòu)的用量相對(duì)更低，最低可降低10%以上。且通過(guò)分析觀察可知格歸設(shè)計(jì)過(guò)程中，上部結(jié)構(gòu)的斷面相對(duì)會(huì)更小。因此，意味著混凝土用量會(huì)更進(jìn)一步減少低于抗規(guī)設(shè)計(jì)方案的規(guī)范性要求。

4.2.2 鋼筋用量對(duì)比

鋼筋用量的對(duì)比中需對(duì)基礎(chǔ)的地震等級(jí)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)置。在上面的分析中可知標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范背景下的減震系數(shù)指標(biāo)需達(dá)到0.4的狀態(tài)。因此，可結(jié)合建筑上部結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，按照降一度的地震水平進(jìn)行相應(yīng)的鋼筋用量分析。為了針對(duì)性地把握配筋時(shí)的上部結(jié)構(gòu)基底剪力墻，以為進(jìn)一步的鋼筋用量對(duì)比結(jié)果提供參照，需要針對(duì)配筋設(shè)計(jì)的基底剪力以及其增量指標(biāo)進(jìn)行分析。另外，鋼筋用量還與地震規(guī)模和強(qiáng)度的大小有直接關(guān)系。文章探討的隔震設(shè)計(jì)規(guī)則適用于降度后的中地震設(shè)計(jì)要求。

4.3 基于全壽命費(fèi)用的隔震設(shè)計(jì)造價(jià)計(jì)算

全壽命費(fèi)用造價(jià)計(jì)算需結(jié)合初始造價(jià)、維護(hù)費(fèi)用和失效損失費(fèi)用三方面指標(biāo)進(jìn)行針對(duì)性計(jì)算。具體計(jì)算公式如下：

在此公式中，C1代表初始造價(jià)。

CM代表維護(hù)費(fèi)用。

CL代表失效費(fèi)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析可知，在抗震設(shè)計(jì)的過(guò)程中，隔震設(shè)計(jì)更加具有清晰性，且設(shè)計(jì)工作中有非常充足的數(shù)據(jù)參照的抗震設(shè)計(jì)模式。在相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范設(shè)計(jì)要求背景下，抗震規(guī)范和構(gòu)建規(guī)范的提出是最終取得良好的抗震設(shè)計(jì)效果的重要條件。對(duì)于具體的抗震設(shè)計(jì)工作來(lái)講，也需要技術(shù)人員基于原材料的價(jià)格、抗震設(shè)計(jì)的效果等多方面因素進(jìn)行綜合分析，基于剪力墻結(jié)構(gòu)篩選適當(dāng)?shù)母粽鹪O(shè)計(jì)方案，促使隔震設(shè)計(jì)發(fā)揮出良好的地震防御作用。