某多層框架結(jié)構(gòu)隔震分析及設(shè)計(jì)

任超，顧龍威

（中國(guó)建筑上海設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200333）

1 引言

地震的發(fā)生難以預(yù)測(cè)，一旦發(fā)生會(huì)嚴(yán)重威脅人類生命及財(cái)產(chǎn)安全。傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)理論的核心是延性設(shè)計(jì)[1]。在罕遇地震下，建筑結(jié)構(gòu)可以通過(guò)自身的塑性變形以及延性變形削弱地震作用，以此降低建筑結(jié)構(gòu)的損壞程度[2]。地震作用下，雖然結(jié)構(gòu)骨架并沒(méi)有遭到毀滅性破壞，但是產(chǎn)生了嚴(yán)重變形，內(nèi)部損毀嚴(yán)重，且后期修復(fù)成本巨大。隔震技術(shù)的誕生正是為了解決這個(gè)問(wèn)題。

隔震技術(shù)是指在基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間合理地設(shè)置隔震支座來(lái)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期，增大阻尼，使結(jié)構(gòu)變得更“柔”，以此削減地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。該技術(shù)能大大減小構(gòu)件斷面尺寸，降低含鋼量，達(dá)到使用方便、經(jīng)濟(jì)合理的目的，且使結(jié)構(gòu)的抗震性能得到提高，達(dá)到預(yù)期的隔震目標(biāo)。

2 工程概況

本工程為云南某多層框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值為0.20 g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，Ⅱ類場(chǎng)地，場(chǎng)地特征周期Tg=0.45 s?；撅L(fēng)壓0.35 kN/m2,基本雪壓0.25 kN/m2，建筑安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1。結(jié)構(gòu)形式為框架，共5層，建筑高度18m，寬19.3m，結(jié)構(gòu)高寬比為0.9。屬于重點(diǎn)設(shè)防類，乙類建筑。

3 地震波選取

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）（以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）5.1.2條規(guī)定，分析時(shí)應(yīng)選取2種波，本次分析選取了2條人工波和5條天然波。7條時(shí)程反應(yīng)譜和規(guī)范反應(yīng)譜曲線如圖1所示。

圖1 7條時(shí)程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線

4 隔震支座布置方案

本工程在多遇地震下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行降一度設(shè)計(jì)，主要遵循以下原則：

1）根據(jù)《抗規(guī)》12.2.3條第3款規(guī)定：同一隔震層的每個(gè)隔震支座宜受到均勻的壓應(yīng)力，對(duì)于乙類建筑，在重力荷載代表值下該壓應(yīng)力不超過(guò)12MPa；

2）大震下，隔震支座不宜出現(xiàn)受拉狀態(tài)，當(dāng)少數(shù)支座不可避免地出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，須驗(yàn)算其受到的拉應(yīng)力，使之不大于1.0MPa，避免隔震支座被拉壞；

3）大震下，隔震支座水平位移不應(yīng)達(dá)到某限值，該限值取各橡膠層總厚度的3倍和隔震支座有效直徑的0.55倍這二者的較小值；

4）隔震支座形心與支墩中心相對(duì)應(yīng)（如有偏心，需經(jīng)驗(yàn)算方可布置）。

5 隔震分析

5.1 隔震支座最大剪力Vmax和最大軸力Nmax計(jì)算

Vmax和Nmax的計(jì)算采用的荷載組合如下：

1.2×（1.0×恒荷載+0.5×活荷載）+1.3×水平地震荷載+0.5×豎向地震荷載；即1.2（1.0D+0.5L）+1.3Fek+0.5×0.2（1.0D+0.5L）=1.30D+0.65L+1.30Fek（D為恒荷載；L為活荷載；Fek為水平地震荷載）。由此得到罕遇地震下每個(gè)支座的Vmax和Nmax。

5.2 隔震層水平位移計(jì)算

罕遇地震下隔震層水平位移最大值Dmax計(jì)算采用如下荷載效應(yīng)組合：1.0×恒荷載+0.5×活荷載+1.0×水平地震荷載，其荷載組合：1.0D+0.5L+1.0Fek。由此得到Dmax。Dmax=263mm，隔震支座直徑為600mm，其0.55倍為330mm。隔震支座厚度的最小值為112mm，其3倍為336mm。Dmax的值既小于330mm，又小于336mm，滿足要求。

5.3 隔震支座應(yīng)力驗(yàn)算

根據(jù)《抗規(guī)》12.2.4條規(guī)定：罕遇地震震下，受到的拉應(yīng)力須小于或等于1.0MPa。在產(chǎn)生水平向剪切變形后，要求支座的豎向壓應(yīng)力不大于30MPa，以保證其在較大變形的情況下仍具有足夠承載力，確保結(jié)構(gòu)整體安全性（《抗規(guī)》12.2.3、12.2.4條文說(shuō)明）。

采用如下荷載效應(yīng)組合：1.0×恒荷載±1.0×水平地震荷載-0.5×豎向地震荷載，其荷載組合：1.0D±1.0Fek-0.5×0.2×(1.0D+0.5L)=0.90D-0.05L±1.00Fek，隔震支座在罕遇地震荷載下壓應(yīng)力驗(yàn)算采用的荷載組合：1.0×恒荷載±0.5活荷載+1.0×水平地震作用+0.5×豎向地震荷載，其荷載組合為：1.0D+0.5L+1.0Fek+0.5×0.2×(1.0D+0.5L)=1.10D+0.55L+1.00Fek，計(jì)算得到大震下每個(gè)支座所受到的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的最大值。

在罕遇地震作用下，當(dāng)荷載組合為0.90D-0.05L+1.00Fek和0.90D-0.05L-1.00Fek時(shí)，各個(gè)支座均未出現(xiàn)受拉狀態(tài)，即沒(méi)出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，滿足要求。

6 針對(duì)性抗震設(shè)計(jì)

1）計(jì)算上部結(jié)構(gòu)時(shí)，按8度取抗震等級(jí)，抗震設(shè)防烈度8度，地震影響系數(shù)按降1度取值，取7度：即多遇地震下的αmax值取0.08，用于12層以下規(guī)則混凝土框架結(jié)構(gòu)薄弱層驗(yàn)算的地震影響系數(shù)最大值取0.5；隔震支座只隔水平地震作用，對(duì)豎向地震不起作用，豎向地震荷載仍按8度取值，故豎向地震組合值系數(shù)需要修改放大。

2）上部結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，第一計(jì)算層（隔震層）的層高取1.1m，且柱底設(shè)置為鉸接。

3）計(jì)算基礎(chǔ)時(shí)，地震影響系數(shù)最大值取0.16，用于12層以下規(guī)則混凝土框架結(jié)構(gòu)薄弱層驗(yàn)算的地震影響系數(shù)最大值取0.9，1層層高取1.8～2m，按照實(shí)際隔震層的層高取值。柱底鉸接刪除。

4）為減小對(duì)主體結(jié)構(gòu)抗側(cè)力時(shí)的不利影響，板式樓梯的梯板下端均按滑動(dòng)支座處理。

5）本工程框架角柱、樓梯間短柱在配筋設(shè)計(jì)時(shí)，箍筋均按全長(zhǎng)加密處理。

6）針對(duì)本工程存在的平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則情況，本工程在整體計(jì)算時(shí)考慮雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

7 結(jié)論

本文對(duì)某8度（0.2g）區(qū)多層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了隔震分析。從罕遇地震的角度，計(jì)算出隔震支座的最大剪力、最大軸力以及隔震層的水平位移，并驗(yàn)算了隔震支座的應(yīng)力，均滿足規(guī)范要求。最后結(jié)合本案例，提供了一個(gè)可行的隔震設(shè)計(jì)方法，顯著提高了建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。