孙雨辰1 李文翰2 许昆3中联西北工程设计研究院有限公司
摘要：近年来地震频发，随着我国国民经济水平的提高以及民众抗震意识的增强，隔震建筑越来越被人们所认同和亲睐，在历次国内外地震中，隔震建筑都表现出了良好的抗震性能，向世人展示了柔性隔震结构的巨大优势。本文就此为切入点，分析探讨了隔震建筑结构设计的方法，最后对其隔震技术在建筑结构设计中的应用进行了阐述，以供参考。
关键词：隔震；建筑结构；结构设计；应用
一、隔震建筑结构设计的方法分析1、性能化设计隔震设计从某种方面上讲就是性能化设计思想的体现，而确定性能化设计的目的在于明确整体结构的抗震设防目标和各分部构件的性能水准，使抗震设防目标更加细化并充分考虑结构用途、业主和使用者的特定性要求，在设计时做到有的放矢，使隔震建筑能在完成预定功能过程中达到安全性和经济性的最佳平衡点，其结构整体性能目标见表1。
表1 结构整体性能目标参考表
大震下应控制位移角，其目的有以下三点，其一，使大震下有较高的抗震安全性建筑及重要和避险等地震中不能中断使用功能的建筑达到预期设计要求；其二，出于经济性考虑，如果大震下不控制合理的结构变形，则可能导致结构破坏而需大修，则总体造价会增加，这与设置隔震层的初衷相背离；其三，上部结构抗震措施降低使延性降低，可能导致大震下完成预定功能概率降低。
2、隔震层参数的设计大震下隔震层的良好柔度和耗能能力阻隔了大部分地震能量向上部结构的传递，如果隔震层失效则整体结构失去抵抗地震作用的屏障，本质上是单一抗震防线结构体系，因此隔震层的设计是整个结构抗震设计的关键，应遵循“大震不坏”的设计原则。
隔震层包括隔震支座、阻尼装置、抗风装置和限位装置，阻尼装置和抗风装置可与隔震支座合为一体也可单独设置。
隔震层设计内容应满足：竖向承载力、必要的水平刚度、设防烈度下的水平恢复力和阻尼以及罕遇地震下水平位移和稳定性要求（保证在地震中保持稳定，不宜出现不可恢复的变形），应控制橡胶支座在罕遇地震的水平和竖向地震同时作用下，拉应力不应大于规范限值。隔震层应满足必要构造措施。
3、下部结构独立柱设计方法当房屋采用层间隔震时（设置在地下室、一层柱顶或多塔楼的底盘上），应重视下部结构设计。由于设置了隔震层使传统结构水平地震力传递机制发生改变而导致下部结构直接承受很大的地震基底剪力和倾覆力矩。当采用层间隔震时，隔震层下部结构应满足规范GB50011—2010 第12．2．9条嵌固端刚度比和罕遇烈度下承载力验算和弹塑性变形验算的要求。
4、地基基础设计根据规范GB50011—2010 第12．1．3 条，隔震结构应选用稳定性较好的基础类型。高宽比大于4 的结构小震下基础不应出现拉应力。
湿陷性场地建筑宜采用完全消除场地湿陷的地基处理方法，对于部分消除湿陷性的设计应执行GB50025—2004 湿陷性黄土地区建筑规范附录G 的规定要求。
对于软弱场地基础设计宜按变形设计，考虑调平设计方案，调节沉降差，优先采用桩基础。
基础设计时可按本地区抗震设防烈度进行内力计算和承载力验算。进行基础布置时，宜考虑竖向刚度调平设计，使基底反力尽量趋于一致，避免较大的差异沉降。因隔震支座抗拉强度很小，故在进行基础设计时不能考虑上部结构刚度的贡献，设置变形缝两侧地基基础宜加强。
二、隔震技术在建筑结构设计中的应用1 工程概况某中学教学楼，四层，无地下室，屋面为坡屋顶，檐口高度为15.3m，抗震设防类别为重点设防，抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第三组，Ⅱ类建筑场地，多遇地震时加速度峰值取为35cm/s2，设防时加速度峰值100cm/s2，罕遇地震时取为220cm/s2。
结构设计使用年限为50 年，结构安全等级为II 级，基础的设计等级为乙级，基础持力层为稍密卵石层，场地内分部着细沙层为液化土，地基液化等级综合判定为中等。
标准层结构平面布置如图1，由于平面的长宽比较大，短方向刚度较弱，故在短向适当布置少量剪力墙，上部结构为框架剪力墙结构。
图1 标准层结构平面布置图采用基础隔震方案，即将隔震层设置在上部结构和基础之间，为了方便安装及维修隔震装置，隔震层的高度为2.0m。
2、隔震目标的确定隔震设计首先应明确隔震设计的目标，上部结构按降低后的水平地震作用进行抗震设计。需要明确的是：场地的抗震设防烈度并没有降低，仅仅是水平地震作用降低，竖向地震作用保持不变。该工程上部结构水平地震作用按降低一度考虑。按《建筑抗震设计规范》的12.2.5 公式得出：水平向减震系数： β = 0.04 × 0.8 0.08 = 0.43、隔震支座布置上部结构按非隔震模型在预期设定的隔震目标下（考虑水平减震系数β ）的多遇地震的弹性计算（反应谱法），取恒+活基本组合的柱轴力设计值，确定隔震支座的直径。乙类建筑的隔震支座的平均压应力不大于12.0MPa。共设置了27 个橡胶隔震支座，其中普通叠层橡胶支座（LNR）18 个，铅芯叠层橡胶支座（LRB）9 个。隔震支座的竖向承载力之和与柱底轴力设计值之和的比值＞1.1。
隔震支座除满足竖向承载力的要求外，隔震层还应提供必要的侧向刚度和阻尼，以抵抗正常使用阶段的风荷载及小震下产生的位移，使建筑保持稳定不产生晃动。隔震层的屈服力为F=98×9=882kN 大于风荷载设计值FW=496.3kN。
4、结构设计4.1 基础设计隔震结构应选用稳定性较好的基础形式。由于该工程所在的场地土为中等液化土层，故地基采用换填地基，将液化层挖除，用级配良好的砂卵石填筑，并分层夯实，压实系数不小于0.94。地基承载力特征值不小于250KPa，基础采用整体性较好的柱下交叉梁基础形式，按非隔震结构计算基础的内力及配筋。
4.2 隔震层的下部结构设计隔震层的下部结构指隔震层与基础间的结构，结构形式有：独立柱、独立柱加基础梁、地下室。该工程采用独立柱即悬臂柱，内力采用罕遇地震作用下的隔震支座的竖向力、水平剪力。如图2，柱顶弯矩：M P U V HM P U V H X X X y y y = × + × = × + ×P 为在罕遇地震时设计组合工况下产生的轴向力；VX和Vy 为罕遇地震时设计组合工况下产生的X 和Y 向水平剪力。UX、Uy 为罕遇地震作用下隔震支座产生的水平位移；H 为悬臂柱的高度。
悬臂柱在柱顶轴力及弯矩作用下，可以计算出柱的配筋。柱截面分别为900×900、1000×1000 及1100×1100。
图2 独立柱计算简图4.3 上部结构设计由于隔震支座只传递上部结构的轴力和水平剪力，不传递弯矩，故上部结构计算模型的柱下端采用铰接。上部结构按照传统的抗震结构进行计算，水平地震作用根据水平向减震系数进行折减。由于该工程为重点设防类建筑，抗震构造措施不降低，仍按当地设防烈度提高一度设防。
隔震层顶部设置现浇梁板结构，板厚不小于160mm，作为上部结构的嵌固部位，楼板配筋采用双层双向，配筋率不小于0.25%。上部的剪力墙处设置转换梁构件，转换梁截面尺寸为600×1200。
结束语综上所述，良好的隔震建筑结构设计不仅对于维护人民的生命财产安全具有重要的现实意义，对于预防地震灾害等自然灾害维护社会的繁荣稳定方面更具有深远的影响。但是为了使建筑隔震技术能够更好的应用在建筑结构上，还需要我们进一步深入的研究。而且建筑隔震技术是一项综合性很强的技术，涉及到了行政、设计、施工等多个环节。所以，在今后的研究中一定要结合建筑物的特点，全面深入的研究隔震技术的应用。
参考文献：[1]黄世敏，杨沈.建筑震害与设计对策[M].中国计划出版社.2011.[2]苏经宇，曾德民，田杰.隔震建筑概论[M].北京：冶金工业出版社，2012
论文作者:孙雨辰1 李文翰2 许昆3
论文发表刊物:《基层建设》2015年4期供稿
论文发表时间:2015/9/21
标签：结构论文; 支座论文; 建筑论文; 基础论文; 水平论文; 结构设计论文; 烈度论文; 《基层建设》2015年4期供稿论文;