關(guān)于不規(guī)則隔震結(jié)構(gòu)的建筑方案在地震作用下的討論

張暢 張超（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007）

關(guān)于不規(guī)則隔震結(jié)構(gòu)的建筑方案在地震作用下的討論

張暢 張超
（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007）

本項(xiàng)目為高烈度區(qū)隔震建筑，平面尺寸為78.6 m×36.6 m，高度為15.6 m。因?yàn)轶w型不規(guī)則，通過(guò)設(shè)縫，分為左、中、右三個(gè)獨(dú)立較規(guī)則結(jié)構(gòu)。針對(duì)工程的特點(diǎn)、超限情況，基于性能化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建筑的使用要求，通過(guò)方案調(diào)整，在罕遇地震作用下采用ETABS軟件的動(dòng)力分析和彈性時(shí)程分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析、穩(wěn)定分析和隔震層計(jì)算，對(duì)以上分析結(jié)果中的薄弱部位及關(guān)鍵部位采用相應(yīng)構(gòu)造措施，以保證抗震性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明優(yōu)化修改后該結(jié)構(gòu)體系是安全、可行的。

超限結(jié)構(gòu) 隔震分析 隔震支座 方案優(yōu)化

1 項(xiàng)目概況

本工程位于云南省昆明市尋甸縣，為某學(xué)校新建教學(xué)樓項(xiàng)目。建筑結(jié)構(gòu)高度15.6 m，平面尺寸為78.6 m×36.6 m，總建筑面積5 982.89 m2。布置有普通教室、教師辦公室、開水間、衛(wèi)生間等。見圖1。

圖1 原建筑方案

2 結(jié)構(gòu)體系

工程所在地抗震設(shè)防烈度不小于9度，設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值不小于0.40 g，設(shè)計(jì)地震分組第二組，Ⅲ類場(chǎng)地，場(chǎng)地特征周期0.55 s。結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)形式，工程為水平倒E形狀建筑，柱網(wǎng)尺寸約為6.6 m×7.2 m。平面內(nèi)凹入面積約占樓層總面積的 21%，其中，最不利方向樓板有效寬度占樓板典型寬度方向的29.6%。結(jié)構(gòu)平面屬于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010，以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）表3.4.3-1中平面不規(guī)則形狀建筑，同時(shí)結(jié)構(gòu)平面尺寸超出 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）8.1.1條伸縮縫最大間距較多。因?yàn)轶w型不規(guī)則，通過(guò)設(shè)縫分為左、中、右3個(gè)獨(dú)立較規(guī)則結(jié)構(gòu)單元，采取各自獨(dú)立結(jié)構(gòu)體系分析計(jì)算。見圖2。

圖2 原結(jié)構(gòu)布置圖

本工程屬于重點(diǎn)設(shè)防類建筑。根據(jù)昆明市規(guī)劃局、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局發(fā)布的昆建通（2012）157號(hào)文件要求，工程采用隔震技術(shù)。在基礎(chǔ)與一層樓板之間設(shè)置隔震層，隔震墊采用600、700直徑的天然和鉛芯橡膠支座。上部結(jié)構(gòu)采用PKPM建模計(jì)算，隔震層采用ETABS進(jìn)行計(jì)算分析。

根據(jù)《抗規(guī)》12.2.7條：對(duì)兩相鄰隔震結(jié)構(gòu)，其縫寬取最大水平位移之和，且不小于400 mm。經(jīng)過(guò)隔震計(jì)算，左中右三部分單體水平位移最大值分別為312 mm、316 mm、313 mm，加上梁上牛腿構(gòu)造200 mm，則單體間縫寬取值為840 mm。板縫構(gòu)造措施見圖3。

圖3 板縫構(gòu)造措施圖

由于縫寬較寬，已嚴(yán)重影響到建筑立面效果及平面使用，結(jié)合項(xiàng)目進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)防類建筑抗震設(shè)計(jì)專項(xiàng)審查時(shí)專家提出的審查意見，將方案進(jìn)行了修改，取消單元設(shè)縫。見圖4。

圖4 建筑優(yōu)化方案

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

采用新方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置后，單元不設(shè)縫按整體進(jìn)行計(jì)算分析。拉大了柱距，對(duì)角部及下側(cè)兩端豎向構(gòu)件和外圍梁進(jìn)行了加強(qiáng)，使整體結(jié)構(gòu)雙方向動(dòng)力特性接近，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)角處薄弱部位也進(jìn)行加強(qiáng)，使計(jì)算結(jié)果能夠滿足規(guī)范要求。構(gòu)造上通過(guò)適當(dāng)加大板配筋和設(shè)置兩條溫度后澆帶解決結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)和裂縫問(wèn)題。見圖5。

圖5 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)布置圖

分縫單元方案和優(yōu)化后整體計(jì)算方案隔震層上部結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果參數(shù)對(duì)照見表1和表2。

表1 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果對(duì)照

4 隔震分析與計(jì)算

《抗規(guī)》5.1.2條規(guī)定：采用時(shí)程分析法時(shí)，應(yīng)按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時(shí)程，其中實(shí)際強(qiáng)震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3，多組時(shí)程的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。

本工程選取了實(shí)際5條強(qiáng)震記錄和2條人工模擬加速度時(shí)程，7條時(shí)程曲線如圖6所示，7條時(shí)程反應(yīng)譜和規(guī)范反應(yīng)譜曲線如圖7所示，基底剪力對(duì)比結(jié)果如表3所示。

圖6 7條時(shí)程曲線

圖7 7條時(shí)程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線

表3 非隔震結(jié)構(gòu)基底剪力

表4 時(shí)程信息表

由圖7可知，各時(shí)程平均反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜較接近。

《抗規(guī)》規(guī)定：多組時(shí)程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差不大于20%。詳細(xì)情況見表5。

表5 7 條時(shí)程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線對(duì)比表

由表5可知，采用隔震技術(shù)后，結(jié)構(gòu)的周期明顯延長(zhǎng)，且滿足相關(guān)規(guī)定要求。

隔震層以上結(jié)構(gòu)隔震前后，結(jié)構(gòu)層間剪力比值平均值的最大值為0.247，根據(jù)《抗規(guī)》第12.2.5條，確定隔震后水平地震影響系數(shù)最大值 αmax1＝βαmax/ψ=0.247×0.320/ 0.850×1.5=0.139。綜合考慮后，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隔震后水平地震影響系數(shù)最大值取0.160。

根據(jù)《抗規(guī)》12.1.3條，采用隔震的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的產(chǎn)生的總水平力不宜超過(guò)結(jié)構(gòu)總重力的10%，本結(jié)構(gòu)總重力為100192 kN，風(fēng)荷載產(chǎn)生的總水平力為901 kN，滿足要求。經(jīng)過(guò)計(jì)算，隔震層最大水平位移320 mm，上部結(jié)構(gòu)的周邊設(shè)置了豎向隔離縫，縫寬400 mm。上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間，設(shè)置完全貫通的水平隔離縫，縫高20 mm，用柔性材料填充。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新型材料的革新，房屋的高度可以越建越高，體量模型可以越建越大，這是自然規(guī)律。用地地塊形狀的差異和建筑方案中的個(gè)性化設(shè)計(jì)也會(huì)出現(xiàn)很多不規(guī)則體型建筑。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該綜合考慮經(jīng)濟(jì)造價(jià)和建筑平面使用及立面效果表現(xiàn)的因素，不應(yīng)為了追求規(guī)則抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元而盲目設(shè)置防震縫。對(duì)于不規(guī)則建筑，可以采取多種方式的精確計(jì)算、有效的加強(qiáng)措施和對(duì)薄弱部位采用相應(yīng)的抗震性能化設(shè)計(jì)方法來(lái)取得滿足規(guī)范、規(guī)程的結(jié)果。

工程方案目前已經(jīng)通過(guò)專項(xiàng)審查，進(jìn)入施工圖設(shè)計(jì)階段。本項(xiàng)目結(jié)合實(shí)際情況做了兩種方案比較，用PKPM和ETBAS軟件的振型分解反應(yīng)譜法和彈性時(shí)程分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析，并采用隔震設(shè)計(jì)以保證高烈度區(qū)下建筑抗震性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)計(jì)算結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)體系安全、可行。

2016-05-17）

張暢（1980-），男，湖南長(zhǎng)沙人，大學(xué)本科，工程師，目前從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。