混凝土框架结构隔震设计分析

孟盛世（兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

隔震设计本质主要是通过在建筑物或其特定部分（如设备或机器）上设置隔震装置，以减少地震或其他震动源对建筑物或其特定部分的影响，由实际工程建设经验结果可知，建筑结构融入抗震结构后，在面对地震加速度时可使相应反映降低60%左右，由此对建筑隔震设计进行探究具有重要现实意义。本文研究中将首先对混凝土框架结构隔震设计情况进行概括分析，随后结合实际案例，分析摩擦摆隔震支座在建筑中应用的实际成效。本文研究中主要通过实践案例分析摩擦摆隔震支座在实际应用设计中的关键环节，如模型构建、平面布局设计等，随后总结其具体应用成效，明确其是否具备推广价值。

1 混凝土框架结构隔震设计分析

1.1 隔震方案设计

在混凝土框架结构隔震设计中，首先要根据建筑物的使用功能、结构类型、荷载大小等因素，确定隔震方案。常见的隔震方案包括基础隔震、层间隔震和悬挂隔震等[1]。

1.2 结构模型建立

在隔震方案设计的基础上，建立结构模型，对结构进行详细分析和计算。结构模型应考虑建筑物的实际尺寸、荷载分布、边界条件等因素，以确保计算结果的准确性[2]。

1.3 隔震材料选择

根据隔震方案和结构模型，选择合适的隔震材料。常见隔震材料包括橡胶隔震支座、弹簧隔震器、阻尼材料等。选择隔震材料时，应考虑其力学性能、稳定性、耐久性等因素，以确保隔震效果和结构安全[3]。

2 工程案例概况

案例建筑设计防震标准为8度，基本地震动加速度为0.30g。根据设计要求，将场地分为第二组，场地类别为III类场地，场地土特征周期为0.55s。考虑到工程的重要性，抗震设防类别为乙类，并且考虑地震动近场效应，地震动参数增大系数为1.25。通过多遇、设防和罕遇地震时程分析，确定加速度峰值分别为137.5gal、375gal和637.5gal。

案例工程共有五层，建筑高度为21.3m，建筑宽度为20m，结构高宽比为1.1。根据设计要求，结构变形为剪切变形，符合隔震设计规范要求。为满足抗震和抗风等要求，需要合理布置隔震支座。隔震层使结构具备较大的竖向承载力、可变的水平刚度和水平弹性恢复力。

3 隔震模型设计

从工程建设实际角度分析，开展结构静、动力分析过程中需要构建起可靠的分析模型作为基础，其可对结构动力特性进行直观、准确的反映，同时也可为结构弹性以及弹塑性阶段动力响应分析提供必要支持[4]。案例工程开展中，基于ETABS 软件构建出相应弹性以及非弹性隔震结构有限元模型。

3.1 构建隔震模型

隔震结构模型需要在非隔震结构模型基础上进行构建。案例工程中隔震设计为基础隔震工程，在构建相应模型过程中，技术人员决定增设隔震支座，并将相应参数输入至模型中[5]。技术人员在设计中基于工程实际情况选择摩擦摆隔震支座，其实际应用中可通过球形滑动表面运动使上部结构产生单摆运动，利用滑动表面曲率半径调整方式对隔震系统周期及刚度进行控制，同时通过动摩擦系数对阻尼进行控制。摩擦摆隔震支座的特点主要包括：①具有隔震能力，效果类似于橡胶隔震支座；②具有稳定的滞回性能和优异的耐久性；③在温度、长期载荷等影响因素下，具有较高可靠性；④能自行调整侧向刚度和自行复位；⑤震动周期与结构所载质量无关。与其他隔震支座相比，摩擦摆隔震支座的优势主要有：①竖向承载能力较高；②水平位移变形能力较大；③具有自动复位能力；④具有阻尼耗能能力。相关特点和优势使得摩擦摆隔震支座在地震防护方面具有较好的效果。摩擦摆隔震支座如图1所示。

图1 摩擦摆隔震支座FPS构成示意图

3.2 隔震支座平面布局设计

为达成提升建筑抗震性能目标，需要将摩擦摆隔震支座合理设置于隔震层部分中，提升隔震结构竖向承载力、可变水平刚度、水平弹性力等性能，同时充分满足建筑设计中抗震、抗风等性能要求[6]。

案例工程设计中布局在隔震层部分设置有64个摩擦摆支座，摩擦材料选用PTFE 材料，各隔震支座长期面压控制在25MPa 以下，摩擦摆隔震支座相关参数见表1、表2。

表1 摩擦摆隔震支座计算参数

表2 抗拉摩擦摆隔震支座计算参数

3.3 隔震层恢复力计算方式

由技术角度分析，摩擦摆支座直接构成隔震层水平恢复力，为切实保障隔震支座在经过多次地震作用影响后依然具备较强复位能力，在实际设计过程中需要计算得出隔震支座弹性水平恢复力，其主要由摩擦摆隔震支座组成，如图2所示，具体计算公式如下：

图2 结构恢复力曲线

式中F表示摩擦摆支座水平恢复力；R表示支座板圆弧面半径；W表示摩擦摆支座竖向承载重量；D表示滑块水平位移量；μ表示滑块动摩擦系数。

4 地震波选取

根据《建筑抗震设计规范》中的规定，时程分析时需要选用实际强震记录和人工模拟的地震加速度时程曲线，数量不小于总数的2/3。案例工程中，选择5条天然波和2条人工波进行时程分析，并取三条时程法的包络值作为最终计算结果。

案例工程的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.30g。由于考虑到近场地震效应，隔震分析采用的设计基本地震加速度最大值为375cm/s2，罕遇地震下地震加速度最大值为637.5cm/s2。

由计算结果可知，每组时程曲线计算得到的底部剪力都超过反应谱计算结果的65%以上，而且7组时程曲线计算所得结构底部地震剪力的平均值大于反应谱法计算结果的80%。此外，每组时程结果都不超过反应谱结果的135%，7 组时程平均结果也不超过反应谱结果的120%，此结果充分满足相关规范要求。最终时程分析计算值采用7 组时程曲线作用下的最大地震响应值，表3 和表4 分别展示非隔震结构在8 度（0.3g）多遇地震下基底剪力的时程分析和反应谱分析结果。

表3 多遇地震下结构基底剪力时程分析结果/kN

表4 多遇地震下结构基底剪力反应谱分析结果/kN

由表中数据分析得出，非隔震结构在时程分析下的基底剪力满足规范中对地震波的要求，由此所选取7条地震波可用于对隔震效果进行分析。

5 混凝土框架结构抗震设计成效分析

5.1 隔震结构及非隔震结构周期变化

通过对非隔震结构以及隔震结构前6 阶周期变化情况进行计算分析后可得出如表5所示结果。

表5 非隔震结构以及隔震结构前6阶周期/s

由表5数据可知，隔震体系结构较原结构有明显提升，基本周期由0.93s提升至2.13s。

5.2 中震下结构减震系数及结构位移情况

由实际计算结果可知，在隔震结构抗震响应中，当地震烈度在设防标准8度（0.3g）条件下，结构中X向以及Y 向地震剪力平均值分别为非隔震结构的0.318 倍以及0.310倍，此结果充分说明案例工程中所设计隔震结构具备良好成效，结构减震系数可达到0.318。此外，由计算结果可知，在中震条件下，隔震结构层间位移角为1/429，其弹性基本得以保持，安全储备相对较强。

5.3 大震条件下结构位移情况

在罕震条件下对隔震层位移情况进行计算分析后可得出如表6所示结果。

表6 罕震条件下隔震层位移

由表6数据可知，在罕震条件下隔震层最大平均水平位移幅度为229.1mm，完全满足《建筑抗震设计规范》中标准要求。同时，由实际计算可得出，罕震条件下隔震结构最大层间位移角为1/208，同样满足规范中标准要求，安全储备量充足。

6 结语

综上所述，隔震设计在混凝土框架结构中具有重要作用，本文研究所选取案例中隔震结构设计取得较好成效，可以为其他同类工程提供相应参考。摩擦摆隔震支座的应用价值主要体现在以下几个方面：①操作简单，施工便捷，且不影响建筑原有功能；②所需维护成本较低，使用寿命长，可以持久地保护建筑物安全；③适应各种建筑结构，能够节省材料成本；④在震后经济恢复过程中，摩擦摆隔震支座作为一种具有巨大潜力的减震技术，将会在重建工作中扮演重要角色。此外，为解决建筑摩擦摆主要瓶颈问题，相关产品如建筑抗拉摩擦摆隔震支座已被研发出并得到广泛应用。该支座为摩擦摆支座提供抗拉性能，有助于克服现有技术不足。总的来说，摩擦摆隔震支座具有巨大的应用价值和潜力，可以在各种建筑结构中发挥重要作用，提高建筑抗震性能，保护人民生命财产安全。