某教學樓隔震分析

饒春英

（中鐵裝配式建筑股份有限公司，北京 102445）

1 前言

中國是地震多發(fā)國家，人們對建筑物的抗震防震能力非常關(guān)注。對于地震作用，主要有兩種思路來應(yīng)對。傳統(tǒng)思路主要還是通過硬抗加耗能的方法來實現(xiàn)。所謂硬抗就是把構(gòu)件的截面做得足夠大，配筋足夠強，滿足結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形和強度要求，同時對于結(jié)構(gòu)的耗能部分采用恰當?shù)臉?gòu)造措施，在地震作用下，通過經(jīng)歷往復(fù)大變形，消耗一部分地震能量，把地震反應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)。因此要適當控制地震反應(yīng)，對于這些耗能部位的要求就比較嚴格，處理保障不到位會嚴重影響結(jié)構(gòu)預(yù)定的設(shè)計性能，甚至產(chǎn)生意想不到的嚴重后果。

隔震技術(shù)就是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興學科，其思路是通過減少地震輸入來降低地震的作用。通過在基礎(chǔ)設(shè)置軟弱層，延長上部結(jié)構(gòu)的自振周期，過濾地面波輸入能量，減小地震輸入[1]。通過隔震層的大變形水平向運動耗散掉大部分地震能量，降低建筑物的地震響應(yīng)，使結(jié)構(gòu)的加速度減小，讓隔震系統(tǒng)承擔地震能，起到很好的減震作用。達到預(yù)期的防震要求，使建筑物的安全得到可靠保證。

隔震結(jié)構(gòu)的樓層層間位移角非常小，從而可以避免由于層間變形引起的結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞，大幅提高結(jié)構(gòu)的抗震安全性能和建筑使用功能的完整性。地震發(fā)生時，隔震建筑在保護室內(nèi)人員安全、保持室內(nèi)裝修和家具完好等方面均有明顯優(yōu)勢。

本文對某教學樓進行了隔震分析，進行了設(shè)防烈度下的減震系數(shù)計算，并對規(guī)范要求的各項性能指標進行了驗算。分析結(jié)果表明，采用隔震橡膠支座技術(shù)后，樓層的層間剪力明顯降低，對上部結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計時，其地震影響系數(shù)可以按原抗震規(guī)范要求降低1度進行設(shè)計，為以后類似建筑的隔震設(shè)計提供了有益的參考。

2 項目概況

某教學樓，無地下室，地上5層，框架混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度20 m，抗震設(shè)防烈度8度（0.3g）[2]。為了提高教學樓的安全性，本項目擬采用隔震技術(shù)。

2.1 結(jié)構(gòu)平面布置

教學樓的典型結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。

圖1 典型結(jié)構(gòu)平面圖

2.2 計算參數(shù)

依據(jù)現(xiàn)行國家有關(guān)規(guī)范及設(shè)計方提供的相關(guān)資料，該項目的主要計算參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)的主要計算參數(shù)

3 計算軟件和模型

3.1 分析模型

該項目采用美國CSI公司開發(fā)研制的房屋建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件ETABS進行計算。ETABS已有近30年的發(fā)展歷史，是美國乃至全球公認的高層結(jié)構(gòu)計算程序，在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用，是房屋建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件的業(yè)界標準[3]。本項目采用ETABS非線性連接單元模擬隔震支座。分別建立了隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)有限元計算模型，建成后的非隔震與隔震模型如圖2所示。非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)基本周期對比如表2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)非隔震和隔震分析模型

表2 非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)周期對比

3.2 隔震支座力學性能

隔震支座型號性能如表3、表4所示，本項目采用LRB800和LNR800。

表3 鉛芯隔震支座產(chǎn)品規(guī)格

表4 普通橡膠隔震支座產(chǎn)品規(guī)格

4 隔震計算

4.1 隔震層抗風驗算

該項目為混凝土框架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的高寬比不大于4；建筑場地分類為三類；風荷載標準值所引起的總的水平作用力分別為：X向284 kN，Y向962 kN。

經(jīng)驗算，隔震支座抗風承載力滿足規(guī)范規(guī)定，隔震結(jié)構(gòu)的風荷載計算結(jié)果如表5所示。

從表5計算結(jié)果可以看出，隔震結(jié)構(gòu)抗風滿足要求。因此，該綜合樓結(jié)構(gòu)滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第12.1.3條對結(jié)構(gòu)采用隔震設(shè)計的基本要求。

表5 隔震結(jié)構(gòu)抗風驗算

4.2 隔震支座壓應(yīng)力

各隔震支座的豎向壓力最大值和豎向壓應(yīng)力最大值如表6所示。

從表6可知，隔震支座豎向拉壓應(yīng)力均滿足建筑抗震設(shè)計規(guī)范關(guān)于乙類建筑的要求。

表6 重力荷載代表值下隔震支座最大豎向壓力和最大豎向壓應(yīng)力

4.3 結(jié)構(gòu)動力特性分析

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》要求選取7組波（5組天然波、2組人工波）進行動力分析。7組波的反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜比較如圖3所示。根據(jù)分析結(jié)果可知，每條地震波時程曲線統(tǒng)計特征滿足滿足現(xiàn)行國家抗震規(guī)范要求。

圖3 地震波時程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜比較

根據(jù)分析結(jié)果可知，每條地震波時程曲線統(tǒng)計特征滿足現(xiàn)行國家抗震規(guī)范要求。

4.4 設(shè)防烈度地震作用下結(jié)構(gòu)分析

對兩個模型分別進行設(shè)防烈度下動力分析得到各樓層的樓層剪力。表7、表8分別給出了結(jié)構(gòu)在X方向地震作用和Y方向地震作用下的減震系數(shù)。

根據(jù)表7、表8可以得出隔震結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)最大值，如表9所示。由上述分析可以知道，采用橡膠支座隔震技術(shù)后，地震產(chǎn)生的水平樓層剪力大幅減少。

表7 X方向地震作用下減震系數(shù)

表8 Y方向地震作用下減震系數(shù)

表9 隔震層以上結(jié)構(gòu)水平地震影響系數(shù)最大值

根據(jù)國家規(guī)范《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》相關(guān)要求，上部結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)可以按降低1度考慮，即上部結(jié)構(gòu)按7度（0.15g)進行地震分析。除此以外，設(shè)計采用的樓層地震剪力仍要滿足最地震剪力系數(shù)的規(guī)定。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

5.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

上部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求如下：①隔震層頂部需設(shè)置現(xiàn)澆梁板式樓蓋，樓板板厚應(yīng)不小于160 mm。隔震層頂部框架梁的剛度應(yīng)適當加大，梁的高度不應(yīng)小于梁跨度的1/8。②隔震層以上結(jié)構(gòu)應(yīng)與周圍的固定物脫開，并保證其與水平方向的固定物距離不小于480 mm。③上部結(jié)構(gòu)的抗震措施按降低1度考慮。④上部結(jié)構(gòu)與豎向承載力相關(guān)的抗震措施維持不變。

5.2 地基基礎(chǔ)設(shè)計要求

基礎(chǔ)的抗震驗算和設(shè)計仍按8度（0.3g）設(shè)防烈度進行。地基的抗震驗算和設(shè)計仍按8度（0.3g）設(shè)防烈度進行。

6 結(jié)論

本文對某教學樓結(jié)構(gòu)采用橡膠支座隔震技術(shù)進行了計算分析，分別在設(shè)防地震和罕遇地震作用下，對結(jié)構(gòu)性能進行了分析，得出了以下結(jié)論：①地震波選取合理，時程分析選用2組人工波，7組天然波。每條地震波時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部總剪力均超過規(guī)范振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，7條地震波時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部總剪力平均值大于規(guī)范振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%，滿足現(xiàn)行國家抗震規(guī)范要求。②隔震橡膠支座在正常使用狀態(tài)下，滿足規(guī)范相關(guān)規(guī)定要求。③在罕遇地震作用下，滿足規(guī)范相關(guān)規(guī)定要求。④設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)地震剪力明顯減少，效果顯著。對于重點設(shè)防類建筑，減震技術(shù)可起到很好的防范作用，可以為類似工程提供參考。