唐山市某辦公樓基礎(chǔ)隔震研究

劉學(xué)敏 錢浩然

(山西工程技術(shù)學(xué)院土木與建筑工程系，山西 陽泉 045000)

1 概述

建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)的發(fā)展始于20世紀(jì)60年代，多年來，世界各國對此項技術(shù)開展了廣泛深入的研究，并取得了引人矚目的成果[1]。橡膠隔震支座是世界上普遍采用，技術(shù)成熟的隔震裝置。本文結(jié)合工程實際，對唐山某運動器械辦公樓進(jìn)行了系統(tǒng)的隔震分析，內(nèi)容包括設(shè)防地震和罕遇地震下隔震與非隔震上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，并對結(jié)構(gòu)的振動周期、層間剪力、隔震支座變形、支座耗能等進(jìn)行了分析。

2 工程概況

本工程為框架結(jié)構(gòu)辦公樓，總層數(shù)為6層，首層層高4.5 m，其余層層高3.9 m，為平面布置不規(guī)則結(jié)構(gòu)，其抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本加速度為0.2g，工程場地類別為Ⅲ類，設(shè)計地震分組為一組，抗震設(shè)防類別為丙類，其結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。

隔震建筑的設(shè)防目標(biāo)即要達(dá)到“小震不壞、中震不壞或輕微破壞、大震不喪失使用功能或可修”。初步確定本工程隔震目標(biāo)，為設(shè)防地震時上部結(jié)構(gòu)水平地震作用降低1度，在罕遇地震作用下可以減少構(gòu)件塑性損傷，確保結(jié)構(gòu)與人員安全[3]。

3 隔震分析

3.1 隔震支座布置

該辦公樓無地下室，需要在柱底設(shè)置隔震層，隔震層高為1.6 m。要求隔震層剛度中心宜與上部結(jié)構(gòu)剛度中心重合，丙類建筑的橡膠隔震支座在重力荷載代表值的豎向壓應(yīng)力不應(yīng)超過15 MPa[2]。最后確定采用鉛芯橡膠支座(LRB400，LRB500)和天然橡膠隔震支座(RRB400，RRB500)共29個，為了減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形和水平位移，鉛芯橡膠支座布置在結(jié)構(gòu)平面的四周[3]，見圖2。隔震支座參數(shù)如表1所示。

3.2 地震波選取

根據(jù)本地區(qū)所處場地類別和設(shè)計地震分組選擇了兩條天然波和一條人工波，其中一條天然波選用了適合三、四類場地，持續(xù)時間為19.19 s的南北向天津波，另一條為適合三類場地，持續(xù)時間為54 s的南北向EL-centro波，人工波通過標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜生成。時程分析的結(jié)果取3條地震波反應(yīng)的包絡(luò)值，見表2。

表1 隔震支座參數(shù)表

表2 地震作用基底剪力表

3.3 隔震結(jié)構(gòu)動力特性

框架結(jié)構(gòu)在柱底設(shè)置隔震支座后，結(jié)構(gòu)成為具有較大變形能力延性抗震結(jié)構(gòu)體系。在多遇地震下，橡膠支座具有足夠的水平剛度抵抗上部結(jié)構(gòu)水平力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較小的變形；在設(shè)防地震和罕遇地震下結(jié)構(gòu)具有適當(dāng)?shù)膭偠群妥冃文芰Γ娱L結(jié)構(gòu)的固有自振周期，同時避開所在場地的特征周期，大大減弱了隔震層以上結(jié)構(gòu)的水平地震作用，見表3，表4。

表3 結(jié)構(gòu)前三階自振周期表

表4 設(shè)防地震作用下的樓層剪力表

上部結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)為0.217，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》條文說明12.2.5中表7可知，隔震后該結(jié)構(gòu)水平地震作用所對應(yīng)的烈度可降低1度按7度(0.10g)進(jìn)行計算，達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。此外隔震層以上結(jié)構(gòu)的總水平地震作用不得低于非隔震結(jié)構(gòu)在6度設(shè)防時的總水平地震作用。

3.4 罕遇地震隔震層校核

罕遇地震作用下，鉛芯橡膠隔震支座取250%水平剪切變形時的等效剛度，時程分析所采用的地震加速度時程最大值為400 cm/s。隔震支座最大水平位移取三條地震波時程分析的包絡(luò)值，且該值不應(yīng)超過有效直徑的0.55倍和橡膠層總厚度3倍二者的最小值。從表5中可以看出隔震支座最大水平位移均小于其允許的極限位移值，滿足規(guī)范要求。

為了較直觀地看橡膠隔震支座在大震下的耗能情況，以鉛芯橡膠支座HRB500為例，天津波作用下的滯回曲線，可以看出鉛芯橡膠支座在大震下的滯回曲線比較飽滿，隔震支座耗能性能良好，見圖3，圖4。

表5 隔震支座最大水平位移 mm

4 結(jié)語

采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)后，上部結(jié)構(gòu)的設(shè)防水準(zhǔn)一般可降低1度，可減少一些結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施，及一些結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸或配筋，從而使上部結(jié)構(gòu)能節(jié)約部分工程造價:1)本工程采用橡膠隔震支座后，結(jié)構(gòu)前三階振動周期得到明顯延長，隔震后第一階自振周期為隔震前的2.7倍，這有效避開了地震波中的高頻成分，從而大大減小了地震響應(yīng)。2)設(shè)置橡膠隔震支座后，結(jié)構(gòu)的水平變形主要集中隔震層，上部結(jié)構(gòu)變形很小，上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)被大大減小，類似于整體平動，上部結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)為0.217，相應(yīng)的設(shè)防烈度可按降低1度計算。3)在罕遇地震作用下，隔震支座最大水平位移值均小于支座有效直徑的0.55倍和橡膠層總厚度3倍二者的較小值，且支座的滯回曲線較飽滿耗能良好。