地震重点监视防御区的建筑减震设计要点——基于《建筑消能减震应用技术规程》的项目设计分析
摘要：随着2021年9月《建设工程抗震管理条例》（以下简称“条例”）的实行，明确要求“两区八类建筑”即位于“高烈度地区、地震重点监视防御区的新建学校、幼儿园、医院、养老机构、儿童福利机构、应急指挥中心、应急避难场所、广播电视八类建筑”应当按照国家有关规定采用隔震、减震等技术，保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求。本文结合具体项目设计，对《建筑消能减震应用技术规程》（DBJ53\T-125-2021）（以下简称“技术规程”）中涉及结构计算的主要参数、指标进行了汇总、归纳，对不同减隔震方案、不同结构体系的计算结构进行了对比、分析。
作者：刘涛
一、项目概况拟建项目位于云南省昭通市，为多层小学综合楼，地上6层，底层三面设置挡土墙，临空一面设置单跨连廊与教学楼相接，主要层高为3.75m、4.55米、3.9米，建筑主要檐口高23.9米。一层建筑功能为开敞式停车库，二~六层为门厅、公共展示厅、教室、办公室等。项目地震设防烈度7度0.1g，第三组。根据地勘报告，根据等效剪切波速判定，场地类别为II类，设防地震场地特征周期为0.65s。经与地震部门查询，拟建项目位于地震重点监视防御区，需要采取减隔震措施，并按照要求进行设计。
二、设计目标及主要参数取值根据“技术规程”1.0.3条规定，本项目为“第一类抗震设防目标”，设计要求概括为“中震弹性、大震可修、罕震不倒”。相比以往的结构计算，主要区别在于要求结构承载力从小震弹性提高到中震弹性，提出了位移限值要求，确保在中震（设防地震）作用下，结构能满足正常使用要求，具体主要参数、要求如下：1、采用中震参与荷载组合计算，对应的材料性能采用强度标准值，钢筋强度考虑1.25的超强系数。构件正截面及斜截面承载力验算公式为：
ＳＧＥ＋Ｓ∗Ｅｈｋ＋０.4Ｓ∗Ｅｖｋ≤Ｒｋ
及ＳＧＥ＋0.4Ｓ∗Ｅｈｋ＋Ｓ∗Ｅｖｋ≤Ｒｋ（竖向地震验算），
与《抗规》附录M中性能水准三基本相当；
2、地震影响系数αmax从小震的0.08变为中震的0.23；3、框架梁、柱、框支柱对应于抗震等级的弯矩增大系数、剪力增大系数不同于《抗规》，有单独规定；4、设防地震作用下弹性层间位移角限值[θe]=1/400；5、罕遇地震作用下弹塑性层间位移角限值[θp]=1/100；6、罕遇地震作用下减震器耗能占比应≥25%；7、消能部件提供的附加阻尼比不宜大于25%；根据以上参数，按照厂家提供的减震器数据，拟采用粘滞阻尼器，考虑到结构层数较多，减震器提供的附加阻尼按3%考虑。主体结构抗震等级按照小震取值，7度0.1g、乙类建筑为二级，周期折减系数取0.75。以结构单元左为例，经计算分析，中震及小震作用下主要结果对比如下：
中震（设防地震）主要指标项汇总（框架） | ||
结构自振周期(s) | X | 0.8365 |
Y | 0.8629 | |
T | 0.7564 | |
最小剪重比 | X向 | 14.56% > [1.60%](1层1塔) |
Y向 | 14.66% > [1.60%](1层1塔) | |
最大位移角(地震) | X向 | 1/400 > [1/400](3层1塔) |
Y向 | 1/401 > [1/400](5层1塔) | |
最大位移比 | X向 | 1.30 < [1.50](1层1塔) |
Y向 | 1.16 < [1.50](1层1塔) | |
最大层间位移比 | X向 | 1.31 < [1.50](2层1塔) |
Y向 | 1.07 < [1.50](1层1塔) | |
小震（多遇地震）主要指标项汇总（框架） | ||
结构自振周期(s) | X | 0.8365 |
Y | 0.8629 | |
T | 0.7564 | |
最小剪重比 | X向 | 5.84% > [1.60%](1层1塔) |
Y向 | 5.93% > [1.60%](1层1塔) | |
最大位移角(地震) | X向 | 1/943 < [1/550](3层1塔) |
Y向 | 1/978 < [1/550](5层1塔) | |
最大位移比 | X向 | 1.30 < [1.50](1层1塔) |
Y向 | 1.16 < [1.50](1层1塔) | |
最大层间位移比 | X向 | 1.31 < [1.50](2层1塔) |
Y向 | 1.07 < [1.50](1层1塔) |
对比以上指标不难发现，结构在满足中震计算指标要求的情况下，小震计算结果远小于规范要求，说明相比未按规程执行的结构，其抗震性能有明显提升。另一方面，由于地震作用的增大，为满足规范对位移、截面验算等指标的要求，柱截面最大为800x800，两个山墙端部最大梁截面尺寸为350x1400，混凝土强度C40，主要框架梁纵筋配筋率约1.8%~2.2%、柱纵筋配筋率约2.3~2.8%，一方面经济性差，另一方面节点处钢筋太密，施工中也难以保证浇筑质量。三、结构方案优化由上文可知，本项目为中震计算结果控制，由于结构层数为6层，高度达到框架结构的适用临界线，采用减震方案，虽然能满足规范要求，但是经济性、施工性都不理想。可以尝试从以下两方面进行改进：1、调整结构体系。在不改变减震方案的前提下，结构形式改为框架-剪力墙结构，在合适的周边设置一定量剪力墙，控制底层框架部分分配倾覆弯矩比例占总倾覆弯矩的10%~50%，结构周期折减系数0.85。根据“规程”要求，中震下弹性层间位移角限值提高为1/500，大震（罕遇地震）作用下弹塑性层间位移角限值提高为1/200。虽然要求有所提高，但由于剪力墙抗侧刚度比框架大的多，可以有效减小梁柱截面尺寸。仍以“结构单元左”为例，改为框-剪体系后，主要计算结果如下：
中震（设防地震）主要指标项汇总（框-剪） | ||
结构自振周期(s) | X | 0.6951 |
Y | 0.7402 | |
T | 0.6158 | |
最大位移角(地震) | X向 | 1/506 > [1/500](7层1塔) |
Y向 | 1/503 > [1/500](7层1塔) | |
最大位移角(风) | X向 | 1/6423 < [1/500](7层1塔) |
Y向 | 1/9999 < [1/500](7层1塔) | |
最大位移比 | X向 | 1.20 < [1.50](6层1塔) |
Y向 | 1.02 < [1.50](6层1塔) | |
最大层间位移比 | X向 | 1.21 < [1.50](6层1塔) |
Y向 | 1.08 < [1.50](7层1塔) |
2、调整采用隔震方案。由于一层是车库，正好可以利用一层的开敞空间作为隔震层，而不需另外增设，上部仍然采用框架结构体系。由于平面、立面比较规则，可以按照降低一度进行方案估算，地震影响系数αmax按0.12取值，周期折减系数按0.75取值，其余参数不变。同样以“结构单元左”为例，框架柱截面尺寸600x600，梁截面最大尺寸250x1000，就能满足变形要求。中震下主体减、隔震方案结构含钢量对比如下：
上部主体构件工程量对比 | |||||
减隔震形式 | 板含钢量(kg/m2) | 梁含钢量(kg/m2) | 墙柱含钢量(kg/m2) | 总含钢量(kg/m2) | 混凝土用量(m3/m2) |
减震 | 8.70 | 23.04 | 14.67 | 46.41 | 0.262 |
隔震 | 8.76 | 20.19 | 9.85 | 38.80 | 0.231 |
四、结论综上，由于“条例”和“技术规程”的要求，“二区八类”的建筑在设防标准上有了较大提高，尤其是地震计算从小震提高到中震，使得地震作用提高大约2.8倍。因此当主体结构层数大于三层时，应优先采用隔震方案以期获得较小的构件尺寸和较好的经济性。当由于客观原因必须采用减震方案时，在结构体系上应优先选用侧向刚度较大的框架-剪力墙、剪力墙结构体系，以减小构件尺寸。