甘肅河西某中學(xué)教學(xué)樓隔震設(shè)計

孟維華，蘇向向

（甘肅省建筑設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

通過閱讀大量有關(guān)減震隔震的文獻(xiàn)，對新建工程、既有結(jié)構(gòu)改造及加層工程中減震隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法進(jìn)行了深入研究，本文從隔震的概念和設(shè)防目標(biāo)出發(fā)，從隔震技術(shù)的適用范圍、減震系數(shù)、各部分的單獨(dú)設(shè)計和結(jié)構(gòu)措施等方面總結(jié)出一種更實(shí)用的設(shè)計方法，以解決實(shí)際隔震工程設(shè)計中具體操作中的困惑。根據(jù)地震烈度區(qū)劃圖公開的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，甘肅省一半以上的城市位于地震基本烈度為7度及以上的地區(qū)，甘肅省全境均為6度及以上地震烈度設(shè)防區(qū)，其中7、8度設(shè)防區(qū)占全省總面積的78.5%，9度設(shè)防區(qū)約占總面積的9%[1]。

近年來，為了減少地震給人類造成的巨大損失，國家相繼出臺了隔震減震行業(yè)的強(qiáng)制性法律法規(guī)和配套政策，進(jìn)一步鼓勵建筑業(yè)向減震隔震方向發(fā)展。我國減隔震研究起步較晚，技術(shù)相對落后，導(dǎo)致在同等強(qiáng)度地震下，我國受到地震的損害比發(fā)達(dá)國家更嚴(yán)重，由此可見，隔震減震產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展?jié)摿薮蟆?014年2月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《關(guān)于住房建設(shè)項(xiàng)目推廣應(yīng)用減震隔震技術(shù)的若干意見（暫行）》指出了推廣的必要性和范圍。2019年10月，司法部印發(fā)《建設(shè)項(xiàng)目地震管理規(guī)定》指出“高烈度地區(qū)的學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院、養(yǎng)老院、應(yīng)急避難樓、應(yīng)急指揮中心等人口密集的公共建筑應(yīng)采用減震隔震技術(shù)”。與常規(guī)設(shè)計相比，高烈度區(qū)建筑設(shè)計中結(jié)構(gòu)樓層剪力和層間位移角的主要指標(biāo)難以滿足規(guī)范要求。常規(guī)設(shè)計方式采用增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和配筋，以抵抗地震作用的方式滿足規(guī)范承載要求。結(jié)構(gòu)隔震后，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比普通建筑大大降低，大大減小了上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸和結(jié)構(gòu)的含鋼量，不僅滿足了建筑空間的使用要求，而且減少了結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋緊密、施工難度大等問題，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 工程概況

文章以甘肅河西某五層中學(xué)教學(xué)樓為工程背景，其結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑抗震設(shè)防類別為乙級。建筑高度20.7m，總建筑面積3544.83 m2。地上五層局部三層，立面呈“凸”形。一層至三層的層高為3.900 m，四層為4.800 m，五層為3.600 m，平面布局如圖1所示。教學(xué)樓主要地震動參數(shù)，設(shè)防烈度8度（0.20 g），Ⅱ類場地，第三組，特征周期Tg為0.45 s，時程分析采用的基本地震和多遇地震峰值加速度值嚴(yán)格按照抗震規(guī)范取值。根據(jù)地震參數(shù)確定本工程的減震目標(biāo)，采用隔震技術(shù)減緩上部結(jié)構(gòu)的水平方向的地震反應(yīng)，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，大大提高其安全儲備。

圖1 一層建筑平面布置圖（單位：mm）

3 隔震支座布置

隔震工程設(shè)計主要在于隔震支座位置布置，考慮到教學(xué)樓所處場地地震烈度高，層數(shù)少，且無地下室，故直接將隔震支座布置于建筑物基礎(chǔ)位置。由于隔震支座自身有較好的變形能力，直接導(dǎo)致采用隔震技術(shù)的結(jié)構(gòu)相比常規(guī)結(jié)構(gòu)，有較大的變形能力，能夠在地震來臨時屹立不倒；同時隔震支座還有物理粘滯阻尼，在地震過程中能夠較好地吸收能量，從而減弱地震作用。

隔震支座布置時，根據(jù)初步計算分析，結(jié)合結(jié)構(gòu)受力與建筑方案進(jìn)行隔震支座布置，將隔震層設(shè)置在自然地坪下方，承載壓力限制在12 kPa。根據(jù)結(jié)構(gòu)在地震作用下柱底內(nèi)力統(tǒng)計結(jié)果，在每根框架柱底部設(shè)置1～2個隔震支座。為使所有支座受力均勻，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，結(jié)合市場現(xiàn)有隔震支座規(guī)格，初步選用LNR400、LNR500、LNR700和LRB600。平面布局如圖2所示。

圖2 隔震支座布置圖（單位：mm）

4 結(jié)構(gòu)計算

利用ETABS軟件，對結(jié)構(gòu)承受的水平地震剪力進(jìn)行對比分析，然后計算減震系數(shù)。隔震采用時程分析法進(jìn)行計算，計算中選取了2條天然波El Centro地震波（簡稱ELC波）、Taft地震波（簡稱Taft波），一條人工波地震加速度時程曲線，以包絡(luò)值作為計算結(jié)果。教學(xué)樓非隔震結(jié)構(gòu)模型的自振特性和內(nèi)力由ETABS計算。在結(jié)構(gòu)分析計算中，采用空間梁柱單元建立結(jié)構(gòu)梁柱，膜單元建立結(jié)構(gòu)混凝土樓板，結(jié)構(gòu)建?；趧傂詷前寮僭O(shè)[2]。計算模型如圖3所示。

圖3 高臺宣化鎮(zhèn)中心小學(xué)教學(xué)樓模型圖

4.1 計算模型的正確性驗(yàn)證

上部結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計所用ETABS非隔震結(jié)構(gòu)模型和YJK模型的總質(zhì)量、前6個自振周期和層間剪力采用差分率（其中差分=（YJK-ETABS）/YJK×100%）驗(yàn)證其正確性。比較的主要內(nèi)容包括：非隔震結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量、前六階周期和層間剪力[3]。算得YJK模型的總質(zhì)量為6 926.2 t，ETABS模型的總質(zhì)量為6 925.5 t，二者差異為0.01%。YJK和ETABS之間的樓層剪力和周期比較見表1、表2。

表1 非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力對比

表2 非隔震結(jié)構(gòu)前三周期對比

由表1、表2可知，采用ETABS建造的非隔震結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)質(zhì)量、前六階振型的自振周期和層間地震反應(yīng)與YJK模型基本相似。因此，ETABS模型能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的動力特性，可作為本工程隔震設(shè)計的有限元模型[4]。

4.2 時程分析地震波的選取

時程分析選取的地震波時需要滿足規(guī)范規(guī)定的三要素及與反應(yīng)譜頻譜特性接近的要求，本設(shè)計選取兩條天然波ELC波如圖4、Taft波如圖5，一條人工波如圖6所示。由時程分析選擇的地震波中響應(yīng)最小的波產(chǎn)生的地震剪力占反應(yīng)譜中地震剪力的70%。隔震結(jié)構(gòu)在多遇地震下的底部剪力見表3，由三條時程曲線計算的結(jié)構(gòu)底部橫向和縱向剪力的平均值分別為4 934 kN和4 402 kN，占反應(yīng)譜的84%，滿足規(guī)范[5]的要求。

圖4 ELC地震波時程

圖5 Taft地震波時程

圖6 人工模擬地震加速度記錄

表3 隔震結(jié)構(gòu)在多遇地震下的底部剪力

5 隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析

文章采用大型結(jié)構(gòu)有限元計算程序ETABS計算隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。通過ETABS建立三維結(jié)構(gòu)空間模型和分析有限元模型[6]。

根據(jù)抗震要求，采用ETABS進(jìn)行隔震計算時，豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值取隔震層以上結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值的20%。利用ETABS軟件分析了隔震模型和非隔震模型在地震作用下的彈性時程，計算出的結(jié)構(gòu)自振周期見表4，前6種振型如圖7所示[7]。

表4 隔震前后結(jié)構(gòu)周期比較

圖7 結(jié)構(gòu)前六階振型圖

5.1 水平向減震系數(shù)

根據(jù)《抗震》水平向減震系數(shù)β定義為：《抗規(guī)》12.2.5條規(guī)定，對于多層建筑，mn=m2,mn}，其中為隔震后的剪力，vn為隔震前的剪力，mn為按彈性計算所得的隔震與非隔震各層層間剪力的最大比值[8]，見表5。

由表5可知，本教學(xué)樓最大層間減震系數(shù)為0.319（大于0.27且小于0.40），因此，通過在基礎(chǔ)頂部設(shè)置隔震支座，可以將上部結(jié)構(gòu)的水平地震反應(yīng)降低1度。

5.2 多遇和罕遇地震作用下隔震模型的層間位移角驗(yàn)算

多遇地震和罕遇地震作用下的層間位移角驗(yàn)算時，計入水平地震和豎向地震作用計算分析，選取兩條天然波和一條人工波計算結(jié)果的最大值，見表6。

表6 多遇和罕遇地震作用下隔震模型的層間位移角

由表6可知結(jié)構(gòu)在基本和罕遇地震作用下隔震后的結(jié)構(gòu)變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范限值的要求。

6 結(jié)論

（1）隔震后，結(jié)構(gòu)的最大變形主要發(fā)生在隔震層中，隔震支座是整個結(jié)構(gòu)的耗能部分，基底剪力大大降低，整個結(jié)構(gòu)變形以平移為主。

（2）教學(xué)樓減震系數(shù)0.319（0.27＜0.319＜0.40），由抗規(guī)可得結(jié)構(gòu)所承受的地震作用可減小50%以上，抗震措施可降低一級。

（3）在罕遇地震作用下，設(shè)計選用的隔震支座雖然有一定的拉應(yīng)力，但遠(yuǎn)小于規(guī)范中橡膠支座的最大拉應(yīng)力限值，結(jié)構(gòu)不會發(fā)生傾覆。