基于性能的基础隔震结构设计基本框架探讨

■郭林

四川华成辉宇建筑设计有限公司德阳分公司

基于性能的隔震设计理念最初由美国学者提出，并受到地震工程界的重视，大多国家都加大了对这一领域的研究，其中日本已在隔震设计新标准中运用了基于性能的隔震设计理念。以性能为基础的隔震设计是为保障设计结构在地震灾害下仍能维持需要的性能水平，打破了传统的以承载力为核心的隔震设计思想，是隔震设计方法的未来发展趋势。

1 基于性能的隔震结构设计框架

以性能为主的抗震设计框架主要包含：隔震结构性能水平以及性能目标的确定、概念设计、按性能目标合理设计结构、对设计成果进行性能评估。基于性能的隔震结构设计与抗震结构设计相比，区别在于基础隔震结构的关键设计环节在于隔震层设计，对隔震结构性能有直接影响。隔震结构在外力作用下发生的位移主要聚集在隔震层[1]。因此，在对基础隔震结构进行设计时，除上述内容外，还需注重隔震层设计和社会经济评估等方面。采取以性能为基础的结构设计方法设计隔震结构时，隔震层设计、隔震结构性能目标的确定、隔震结构设计和性能水平评估是需要注重的技术问题。

2 基础隔震结构性能目标

隔震结构性能目标指的是当地震灾害发生时，业主要求建筑物达到的隔震性能水平。基础隔震结构的的设计要求一定程度上依赖建筑重要性和技术水平等，制动合理的隔震结构性能指标，是设计隔震基础结构的前提。如今，各界对建筑结构可靠性提出了越来越高的要求。隔震技术的创新发展及应用为建筑物可靠性的提高提供了基础条件。隔震装置可起到一定减震作用，通过该装置的利用，能增强建筑物整体抗震性能和安全性。因此需借助基础隔震技术，实现建筑抗震性能提高的目标。另外，从建筑物性能及经济角度出发，业主可制定高于标准要求的隔震性能目标，这时需建筑师按业主要求和建筑行业规范来合理设计隔震结构。

3 上部结构的设计

在实际结构设计时，一般将隔震结构划分为上部结构、隔震层、基础结构以及隔震层下部结构等部分。上部结构设计时，需结合地震灾害与实践经验总结的设计原则，进行结构整体布置并设计抗震措施。以性能为主的隔震设计研究理论中，加强了对上部设计概念设计的重视，主要是由于隔震结构设计更加重视在隔震结构性能目标的前提下，针对不同的结构性能目标，选择恰当的结构体系、结构材料等，选择结果将直接影响最终设计效果。上部结构设计要求对隔震结构整体方案、设计手段等进行明确选择，从而加强隔震结构的抗震能力。

4 基础隔震结构的设计方式

以性能为核心的结构隔震设计手段包括基于位移程度的设计方法、能力谱方法和基于位移的系数设计法等。其中按照位移情况的设计方法更加注重结构设计，而对隔震结构的抗震能力没有明确的评估方法；基于位移的系数设计法是利用相关参数求得隔震结构目标位移，再根据核算结果进行结构设计，这一设计方法的应用性还有待探讨；能力谱方法相对来讲更加注重结构抗震性能的评估，在结构设计方法上应用效果不突出。本文在进行隔震结构设计时，采取直接以位移为依据的设计方法。这一设计方法基本思路为：对于自由度较多的结构体系，首先假设一个适当的位移模式，将原有结构体系转变为单个自由度体系，并确定等效阻尼比，结合等效阻尼比和目标位移，可计算出等效周期，进一步得到结构的等效刚度，之后可进行体系刚度设计以及承载力设计。刚度设计与结构构件设计有关，在对结构尺寸合理设计的基础上，确保结构达到较高刚度。承载力设计指的是根据目标位移以及等效刚度来获得极限状态下结构受到的力，进而进行结构配筋处理。为保证隔震结构达到理想的位移能力，需将目标位移与结构各构件变形需求结合起来，在关键部位进行配筋设计，促使构件具备一定的变形能力。

依位移进行基础隔震设计步骤如下：上部结构设计。在进行上部结构概念设计时，需确定结构配筋布置、层高等，还应对上部结构质量有所掌握，从而判定隔震层应选择的隔震设置；确定基础隔震结构的层间位移以及隔震层位移。隔震层目标位移需按照相关计算公式求得，主要与楼层位移、隔震层位移、结构所受剪切力有关；在求得目标位移后，可进一步判定结构等效质量；确定结构阻尼，通常将隔震层阻尼比作为抗震结构阻尼比；在上述步骤完成后，还需判断隔震结构等效周期，结合结构抗震性能要求和求解的阻尼比、目标位移等，得到隔震结构的振动周期；判断隔震结构相对应的刚度，对上部结构进行设计。根据隔震层刚度和阻尼比进行结构设计，确定隔震装置数量和类型。

5 隔震层设计

基础隔震结构设计核心便是隔震层设计，隔震层设计主要包括4步骤：根据隔震结构抗震能力目标判断隔震层需要的附加阻尼比；结合位移情况来确定隔震层需要实现的刚度；按结构类型、阻尼器类型和隔震支座类型等选择恰当的隔震装置。本文主要分析了利用隔震层刚度及阻尼比来设计隔震支座的设计方法。使铅芯橡胶支座的水平刚度看作是双线性，将天然橡胶支座水平刚度看作线性，以便简化后的分析过程。隔震层水平恢复力的特性主要与天然橡胶支座和的铅芯橡胶支座有关，为了简化设计过程，可将隔离层水平力模拟成双线性模型。

6 基础隔震结构分析

隔震结构分布分析和传统结构分析运用原理相同，主要区别在于隔震结构模型分析需考虑阻尼器和隔震支座对结构性能的影响。其中阻尼器和隔震支座都体现出非线性特征，极大程度加大了隔震分析难度。针对此，相关学者提出了等效线性化的分析方法，即是将非线性问题转变为线性问题。利用不同分析方法分析基础隔震结构时，阻尼器与隔震支座计算模型也有所不同。以性能为基础的结构分析方法包括动力非线性法、静力非线性法以及能量分析法。静力分析法指的是沿着结构纵向施加模拟地震发生时的等效作用力，并逐渐增加施加力的强度，促使隔震结构逐渐由弹性工作模式转变为塑性工作模式，随着力的不断增加，最终将超过塑性位移。通过分析这个过程，可对隔震结构性能有所了解。

结语

综上所述，基础隔震技术体现出原理简单、隔震效果显著、成本低廉等优势，具有广泛应用前景。采取性能为主的隔震设计方法，能满足业主提出的隔震性能要求，逐渐成为隔震设计的发展趋势。

[1]言杰. 隔震层位置对结构抗震性能的影响分析[D].河北工程大学,2017.