隔震结构的技术经济分析_褚青青.pdf

68 第 40 卷 增刊 建 筑 结 构 2010 年 6 月隔震结构的技术经济分析 褚青青，龚克勤（昆明市建筑设计研究院有限责任公司，昆明 650011）摘要 从汶川、玉树地震灾害的教训联想到阿尔罕布拉宫的古老隔震层，用现代的隔震技术理论分析隔震设计的优越性与适用性，通过对三个工程实例的初始造价分析，得出在高烈度区多、高层建筑采用隔震设计更加经济。关键词 地震灾害；隔震结构；经济分析 Technology economic analysis of seismic isolation structure Chu Qingqing,Gong Keqin（Kunming Architectural Design And Research Institute Co.,Ltd.,Kunming 650011,China）Abstract:From Wenchuan,Yushus lessons of earthquake disaster,the authors think naturally about the ancient seismic isolation layers in Alhambra Palace.By using the modern seismic isolation technical theory,the advantages and applicabilities of the seismic isolation design can be analyzed.Through 3 real projects initial budget analysis,its more economical to use the seismic isolation design in the multilevel and high rise buildings in the severe earthquake areas.Keywords:earthquake disaster;seismic isolation structure;economic analysis 1 地震灾害与思考 2008 年 5 月 12 日，我国四川省汶川地区发生里氏 8.0 级特大地震（图 1），造成死亡、失踪 8 万余人，房屋倒塌数千万平方米；而就在四川灾区还在耗费巨资艰难重建的时候，2010 年 4 月 14 日青海省玉树县又发生了里氏 7.1 级大地震（图 2），当地居民的房屋90%倒塌，遇难逾 2200 人，又造成严重的人员财产损失，医院学校等重要建筑也未能幸免。悲剧一再重演，痛定思痛，如何有效地做好防震减灾、保护人民生命财产的安全、保证重要建筑在地震中的使用功能、并能高效经济地进行震后建筑修复，都是要认真思考的问题。图 1 汶川地震灾区 图 2 玉树地震灾区 始建于 13 世纪的西班牙著名故宫阿尔罕布拉宫（图 3），是由摩尔人修建的。圆柱的建筑材料是用珍珠、大理石等粉末混入泥土，再人工堆砌雕琢而成。令人称奇的是它的柱间隔震系统支撑大屋顶的柱上半截是粗壮的方柱，而下半截则转化成了若干纤细优美的圆柱，柱截面上下断开，中间采用柔性材料填充，形成了古老的柱间隔震层（图 4）。这样带隔震层的砖混结构历经了 700 多年风雨和地震的考验，体现出惊人的建筑智慧。图 3 阿尔罕布拉宫 图 4 阿尔罕布拉宫的柱间隔震 2 隔震设计的优越性与适用性 阿尔罕布拉宫的柱间隔震设计系统设计与现代的隔震技术理论不谋而合，建筑隔震设计目前应用最多的是基础隔震，主要采用叠层钢板橡胶垫或增加了铅芯的叠层钢板橡胶垫隔震技术。这类隔震方案主要是在房屋底层与基础顶面之间设一个侧向刚度很低的隔震层，控制地面运动向上部结构传递，相当大部分地震能量由隔震层吸收，大大减少了上部结构的地震反应，从而保证建筑物的安全。使用隔震技术的建筑物在遭遇设计烈度地震时，能保证室内人员不遭受伤害，甚至感受不到强烈震感；69建筑物内部设备不发生破坏或不丧失使用功能；即使在遭遇罕遇大震时，隔震房屋也不会轻易倒塌。鉴于隔震建筑的传力特点，地震变形主要集中在底层，上部结构基本上是刚性运动，层间变形很小，这就使得建筑物震后修复容易、成本低，主要修复内容是更换震后未能复位的部分隔震垫，而上部主体结构一般都还处在弹性工作状态，因此不需要修复。隔震建筑在震后修复时一般不会影响建筑物内部的正常使用，使得人们在震后能很快恢复生产和生活，具有明显的社会效益和经济效益。虽然采用隔震技术的建筑物有那么大的优越性，但也存在使用范围的局限。鉴于目前国内外对隔震技术及隔震层材料分析研究的局限性，以及出于对隔震建筑的经济性考虑，现行国家规范建筑抗震设计规范（GB500112001）（2008 版）规定：1）隔震设计应主要应用于使用功能有特殊要求的建筑及抗震设防烈度为 8，9 度的建筑；2）隔震设计应根据建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求，与采用抗震设计方案进行技术、经济可行性的对比分析后，确定其设计方案（规范强制性条文）；3）对采用隔震技术的结构另有若干具体限制要求。结构采用隔震技术对建筑结构的适用性要求很高，一般自振周期较长的高层及超高层建筑不宜采用；软弱地基可能会造成较大的沉降变形及延长结构周期，不宜采用；建筑体系不规则或者结构复杂的，可能造成建筑扭转过大或引起隔震垫的负拉应力，也不宜采用；隔震层本身应具有适当的水平刚度，以使在强风或小震作用下，隔震层具有足够的初始刚度不至于造成较大变形，且变形能自动复位，仅在较大地震作用时，隔震层才产生较大变形保护上部建筑。3 隔震设计的经济分析 通常结构方案需进行多次反复的技术经济性分析对比，从而得到最佳的方案，使得性价比最高。当然这里的“价”应综合考虑隔震建筑在振动性能和抗震安全性方面提高的建筑结构的附加价值。不仅要考虑其初始造价，还要考虑其使用阶段期间遭受地震损坏后的维修、重建、内部物品的损坏和经济损失，在此意义上，隔震建筑显然有更好的经济性。但遗憾的是建设方往往仅对工程的初始造价感兴趣，如果使用隔震设计后增加工程的初始造价，就很难说服建设方采用。下面对几个云南的工程实例，主要就隔震结构与普通抗震结构的初始造价作一个概括比较。3.1 实例一：昆明市某办公楼（1）基本概况：本工程为地下 1 层、地上 9 层的高层办公建筑，抗震设防烈度 8 度，设计基本加速度值 0.20g，抗震分组第二组，场地类别类，建筑抗震设防丙类，结构安全等级二级，结构重要性系数为 1.0，设计使用年限 50 年。建筑物长 50.40m，宽 30.50m，高 38.10m。（2）根据建筑功能及造型要求，结构采用全框架形式。若按照普通抗震结构方案，应按抗震设防烈度8 度（0.20g）的设计标准进行设计，框架的抗震等级为一级，框架柱截面为 800900600700，梁截面以350700 为主，梁柱截面较大，已经影响到建筑的内部功能用房、交通空间的使用和舒适性，且配筋较大。结构布置见图 5。图 5 抗震结构层 1 梁柱平面（3）若按照结构隔震设计，在建筑上部结构与基础之间设置隔震层。经过隔震分析计算，采用了橡胶隔震垫 GZY600 型 23 个、GZY500 型 35 个；增加了构造措施，如地下室中的下肢墩尺寸较高，因此在下肢墩顶部增设了一层拉梁，地下室层高由原来的 3.6m增加到 3.9m。经过隔震以后，水平向减震系数为 0.50，上部结构减到按抗震设防烈度 7 度（0.10g）设计，框架 抗 震 等 级 为 二 级，框 架 柱 截 面 减 为550700400550，梁截面减为以 250700 为主，配筋量也大幅减小。从使用上，由于减小了梁柱结构截面，增加了实际使用面积，使建筑功能受结构构件影响大大减小，美化了空间效果，也更有利于采光通风和建筑节能。结构布置见图 6。（4）从初始造价上比较：1）普通结构设计时，上部建材使用量约：梁 177.22t、柱 95.21t、板 52.73t，混凝土 2392.88m3，以上造价约 247.68 万元（按钢筋4600 元/t、混凝土 410 元/m3计）。基础造价约 128 万元；2）结构隔震设计时，上部建材使用量约：梁105.58t、柱 39.04t、板 54.13t，混凝土 2053.82m3，以上造价约175.63万元。隔震垫及相应构造措施费造价、抗震专项审查费用等约 61 万元；3）梁柱截面减小后结构自重共减轻了 908t，相当于减少了 6.9%的自重，从而可带来基础造价降低约 3%，即 3.84 万元；4）经 70 济比较结果：本工程隔震结构设计的造价比普通结构节约了 14.89 万元，约减少 3.96%主体结构造价。（5）最后实施的结构方案：隔震设计方案。图 6 隔震结构层 1 梁柱平面 3.2 实例二：安宁市某别墅小区（以 B 户型为例）（1）基本概况：本工程为半地下 1 层、地上 3 层的低层建筑，抗震设防烈度 8 度，设计基本加速度值0.20g，抗震分组第二组，场地类别 II 类，建筑抗震设防丙类，结构安全等级二级，结构重要性系数为 1.0，设计使用年限 50 年。全框架结构。建筑物长 20.20m，宽 19.20m，高 9.30m。（2）若按照普通抗震结构方案，应按抗震设防烈度 8 度（0.20g）的设计标准进行设计，框架的抗震等级为二级，框架柱截面为 400400350350，梁截面为 200600200500，梁柱截面基本能满足建筑功能与美观要求，配筋大小适中。结构布置见图 7。图 7 抗震结构层 1 梁柱平面 图 8 隔震结构层 1 梁柱平面（3）若按照结构隔震设计，在建筑上部结构与基础之间设置隔震层，经过隔震分析计算，采用橡胶隔震垫 GZY500 型 24 个。经过隔震以后，水平向减震系数为 0.50，上部结构减到按抗震设防烈度 7 度（0.10g）设计，框架抗震等级为三级，框架柱截面减为350350300300，梁截面减为以 200400 为主，配筋量减小。从使用上，增加了一些实际使用面积及梁下净高，空间效果有一定改善。结构布置见图 8。重要的是在别墅建筑中加入隔震设计，可以大大提高建筑的抗震安全性，减少或避免对建筑进行震后修复，尤其是在地震时别墅中的艺术收藏品得以保存其原有价值，不至于因振动倒塌破碎、或毁于因管道破裂而引起的水灾、火灾等次生灾害。（4）从初始造价上比较：1）普通结构设计时，上部建材使用量约：梁 13.876t、柱 10.023t、板 6.887t，混凝土 100.82m3，以上造价约 17.99 万元（按钢筋 4600元/t、混凝土 380 元/m3计）。基础造价约 13.20 万元；2）结构隔震设计时，上部建材使用量约：梁 14.774t、柱 6.843t、板 6.887t，混凝土 97.73m3，以上造价约 16.83万元。隔震垫及相应构造措施费造价约 19 万元；3）梁柱截面减小后结构自重共减轻了 47t，相当于减少了3.3%的自重，基础有限减小约 1.5 万元；4）经济比较结果：本工程隔震结构设计的造价比普通结构多出16.34 万元，约增加 52.39%主体结构造价。（5）最后实施的结构方案：开发商经过多次讨论后认为，虽然隔震设计可以大大提高建筑的附加价值，但初始造价提高了，考虑到当地的别墅住宅购买力有限及业主对隔震设计的认知度普遍不足，所以仍然采用了普通抗震设计方案。3.3 实例三：寻甸县某医院住院楼（1）基本概况：本工程为地上 6 层的医院住院楼，抗震设防烈度 9 度，设计基本地震加速度值为 0.40g，设计地震分组为第一组，场地类别类，建筑抗震设防乙类，结构安全等级二级，结构重要性系数为 1.0，设计使用年限 50 年。建筑物长 44.60m，宽 18.20m，高 24.60m。（2）若按照普通抗震结构方案，根据建筑工程抗震设防分类标准（GB502232008）的规定，本工程为重点设防类，应按抗震设防烈度 9 度（0.40g）、乙类的设计标准进行设计。当采用全框架结构计算时，框 架 的 抗 震 等 级 为 特 一 级，框 架 柱 截 面 取 到12001200、框架梁截面取到 4001100 时，计算分析结果结构水平刚度仍不能满足规范要求，且构件超限很多，因此采用普通抗震框架结构方案不可行；当采用框架-剪力墙结构计算时，框架和剪力墙的抗震等级均为特一级。框架柱截面取到 10001000、框架梁截面取到 4001000、剪力墙厚取到 400 时，计算分析结构水平刚度勉强满足规范要求，但梁柱截面过大及剪力墙的布置严重影响到建筑的内部功能用房、交通空间、立面要求和使用舒适性，构件配筋很大，且配筋超限较多。结构布置见图 9。（3）若按照结构隔震设计，在建筑上部结构与基础之间设置隔震层，增加了一个夹层，经过隔震分析计算，采用带铅芯的橡胶隔震垫 LRB600 型 20 个、LRB500 型 43 个。经过隔震以后，水平向减震系数为0.50，上部结构减到按抗震设防烈度 8 度（0.20g）设计，结构得以采用全框架形式，更能满足建筑功能要 71求及立面需要。框架抗震等级为一级，框架柱截面减为 800800 及 700900，梁截面减为 400900 及400800，配筋量也大大减小。隔震设计时上部结构得以按构件强度控制为主，减小了梁柱截面，达到了建筑使用要求，同时降低了含钢量，并能使结构抗震能力得到提高。结构布置见图 10。图 9 抗震结构层 1 梁柱平面 图 10 隔震结构层 1 梁柱平面（4）从初始造价上比较：1）普通结构设计时（框架剪力墙结构），上部建材使用量约：梁 164.240t、柱 139.525t、板 28.264t，剪力墙 180.057t，混凝土2177.4m3，以上造价约 336.429 万元（按钢筋 4600 元/t、混凝土 500 元/m3计）。基础造价约 89.40 万元；2）结构隔震设计时（框架结构），上部建材使用量约：梁 186.975t、柱 81.225t、板 34.298t，混凝土 1478.17m3，以上造价约 199.748 万元（按钢筋 4600 元/t、混凝土410 元/m3计）。隔震垫及相应构造措施费造价约 71万元；3）梁柱截面减小后结构自重共减轻了 1338t，相当于减少了 12.5%的自重，从而可减小基础的造价约 8 万元；4）经济比较结果：本工程隔震结构设计的造价比普通结构节约 73.68 万元，约减小 17.3%的主体结构造价。（5）最后实施的结构方案：隔震设计方案。4 结论 云南省大部分处在高烈度抗震设防区，近年来云南省在隔震工程上做了很多工作，包括理论科研、设计推广、橡胶隔震垫的生产研究等，经过大量的隔震工程设计实践表明：（1）对于高烈度抗震设防区的钢筋混凝土框架或框剪多、高层建筑，采用隔震设计比采用传统抗震设计可直接降低初始造价，烈度越高，效果越好；层数越高、效果越好。但要注意适用性。（2）在抗震设防烈度 8 度（0.20g）的低层建筑采用隔震设计时会增加初始造价，而同样地区的小高层建筑则具有造价优势。（3）高于抗震设防烈度 8 度（0.30g）的建筑采用隔震设计一般均会降低初始造价。（4）采用隔震设计应注意前期方案的选取，最好将隔震层利用成有效的建筑功能，如地下停车、设备用房等；隔震结构的构造设置应注意与其他专业的配合。（5）综合考虑隔震设计时提高的抗震安全性、减少或避免震后修复等附加价值，隔震设计具有广泛的应用前景。作者简介：褚青青，本科，工学学士，高级工程师，Email：。（上接第 230 页）三个结构方案经济对比/万元 表 1 方案 方案一 方案二 方案三 层 14 改造 1300 420 1300 加层 3120 3640 4420 总费用 4420 4060 5720 从表 1 可以看出：方案二总费用相对低些，并且从结构受力上板柱-抗震墙结构比原板柱结构抗震性能大大提高，由抗震墙承担结构的全部地震作用，各层板柱作为第二道防线承担不少于各层全部地震作用的 20%。最后业主确定采用方案二板柱-抗震墙结构，现在本项目正在施工过程中。5 结论（1）建筑物进行加层时，应首先进行结构安全性鉴定和抗震鉴定，然后根据鉴定报告进行设计；（2）通过本工程三个结构设计方案的优化对比，可以看出板柱-抗震墙结构是板柱结构改造加层的首选方案。参 考 文 献 1 GB500112001 建筑抗震设计规范S.2008 版.北京：中国建筑工业出版社，2008.2 GBJ1189 建筑抗震设计规范S.北京：中国建筑工业出版社，1989.3 王亚勇，戴国莹.建筑抗震设计规范疑问解答M.北京：中国建筑工业出版社，2006.4 GB500232009 建筑抗震鉴定标准S.北京：中国建筑工业出版社，2009.5 GB503672006 混凝土结构加固设计规范S.北京：中国建筑工业出版社，2006.6 JGJ1162009 建筑抗震加固技术规程S.北京：中国建筑工业出版社，2009.作者简介：张守峰，硕士，高级工程师，一级注册结构工程师，Email：。