基礎(chǔ)隔震技術(shù)對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震能力提升的研究

申啟飛

(南通開(kāi)放大學(xué)建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226000)

1 基礎(chǔ)隔震原理

根據(jù)地震作用原理，減少地震對(duì)主體結(jié)構(gòu)的破壞，在基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震層，在遇到地震荷載作用時(shí)，設(shè)置的隔震層可以起到緩沖的作用，讓上部主體結(jié)構(gòu)處于一個(gè)相對(duì)的彈性工作狀態(tài)，有效隔斷地震水平力對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。橡膠墊基礎(chǔ)隔震是目前廣泛使用的一種基礎(chǔ)隔震裝置。

2 隔震支座布置

2.1 隔震支座的工作原理

各類(lèi)隔震裝置的研發(fā)始于20世紀(jì)60年代，本文研究的是一種復(fù)合型隔震支座，圖1是其2種構(gòu)造形式，它是在橡膠片與橡膠片之間置入薄鋼板疊合制作而成。在工作狀態(tài)下，由于薄鋼板的強(qiáng)度和剛度比較大，有效改善了橡膠片豎向承載力差的問(wèn)題，承荷能力顯著提升，結(jié)合橡膠片的韌性和薄鋼板的剛度，確保了上部主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；由于構(gòu)造的差異，雖然圖1中的鉛芯橡膠支座剛度小，但它卻有緩沖作用，能減弱地震荷載對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。

圖1 復(fù)合型隔震支座示意圖

2.2 支座布置

隔震支座布置是否合理，直接影響隔震的效果。隔震支座首次布置后，對(duì)比SAP2000模型、ETABS模型對(duì)結(jié)構(gòu)總荷載、自振周期和隔震層間的剪力進(jìn)行分析對(duì)比，檢驗(yàn)其各參數(shù)設(shè)置是否符合規(guī)范要求，同時(shí)對(duì)隔震支座處產(chǎn)生的壓應(yīng)力、強(qiáng)震下的結(jié)構(gòu)抗傾覆力、隔震支座的位移量和結(jié)構(gòu)的偏心率進(jìn)行驗(yàn)算，判別是否符合規(guī)范要求。在此過(guò)程中如有不符合的指標(biāo)，則需要重新調(diào)整支座的位置后再進(jìn)行驗(yàn)算，最終須完全符合規(guī)范規(guī)定。隔震支座的布置既要有足夠的穩(wěn)定性，還需要保證在荷載作用下的安全性，使得隔震支座的設(shè)置滿足抗震要求，且隔震層設(shè)計(jì)合理。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程背景

江蘇省某地級(jí)市的一學(xué)校框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓，結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10 g。該建筑地面以上為4層，局部為5層，建筑結(jié)構(gòu)高度18.0 m、寬14.1 m。

模擬時(shí)，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》來(lái)確定基本活荷載：建筑樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)為2.5 kN/m2，走廊、門(mén)廳和樓梯的均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)為3.5 kN/m2，不上人屋面荷載標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)為0.5 kN/m2，因建筑總高度不高，基本風(fēng)壓選用最低值0.3 kN/m2，B類(lèi)粗糙度。

3.2 模型建立

以PKPM建模為基礎(chǔ)，分別用SAP2000、ETABS 2個(gè)軟件建立了教學(xué)樓隔震層上部結(jié)構(gòu)的三維模型，如圖2、圖3所示。

圖2 SAP2000模型

圖圖3 ETABS模型

模型中用空間梁柱單元模擬結(jié)構(gòu)的梁、柱構(gòu)件，殼體單元用來(lái)表現(xiàn)墻體。質(zhì)量源用來(lái)定義模擬建筑物的樓板、梁柱自重及恒載，模擬過(guò)程中考慮荷載的折減，結(jié)合工程實(shí)際折減系統(tǒng)取值為0.7。在ETABS模型中，隔震支座選用Isolator1為隔震單元；在SAP2000模型中，隔震支座選用RUBER ISOLATOR作為隔震單元，隔震支座的參數(shù)選擇須結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際需求來(lái)設(shè)定隔震單元屬性值。

3.3 時(shí)程分析

模擬過(guò)程中共采用7條時(shí)程，分別為5條強(qiáng)震時(shí)程和2條人工仿真時(shí)程，時(shí)程分析時(shí)借助ETABS模型，重點(diǎn)分析了該教學(xué)樓基礎(chǔ)上部主體隔震結(jié)構(gòu)的整體非線性時(shí)程，同時(shí)將隔震試驗(yàn)時(shí)程分析結(jié)果與非隔震結(jié)構(gòu)的時(shí)程分析結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，重點(diǎn)分析其在不同地震烈度作用下(非)隔震基礎(chǔ)底部的剪應(yīng)力響應(yīng)和地震加速度響應(yīng)情況，如表1所示。

表1 試驗(yàn)時(shí)程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜數(shù)值對(duì)比

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)可知，關(guān)鍵振型的周期點(diǎn)上對(duì)比相差不大于20%即滿足規(guī)范要求，由此可得出結(jié)論：該模型滿足抗震設(shè)計(jì)要求。

3.4 樓層位移對(duì)比分析

在地震荷載作用下樓層位移是破壞的主要特征，也是判別結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)的依據(jù)。

3.4.1 在REN 1地震波作用下的樓層位移

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：在不同的工況作用下，采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)后上部結(jié)構(gòu)的層間位移量明顯減少。中震時(shí)，非隔震狀態(tài)下試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的層間位移量達(dá)到了20.18 mm，而采用隔震技術(shù)的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的層間位移量?jī)H為6.12 mm，比非隔震結(jié)構(gòu)的層間位移量值降低了69.7%；大震時(shí)，非隔震結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的層間位移值為38.20 mm，而采用隔震結(jié)構(gòu)的層間位移值僅為14.75 mm，同樣位移量值降低了61.4%，對(duì)比后可以看出采用隔震技術(shù)可有效降低結(jié)構(gòu)的層間位移。此外，由試驗(yàn)可以看出，采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)后，該結(jié)構(gòu)的變形主要體現(xiàn)在隔震層，且90%以上都是由隔震支座的位移而引發(fā)的變形。

在REN 2地震波作用下的位移情況與在REN 1地震波作用下的位移情況比較相近。在REN 1地震波作用下樓層位移量如表2所示。

3.4.2 在LWD地震波作用下的樓層位移

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)可有效減小基礎(chǔ)以上主體結(jié)構(gòu)的層間位移量。在中震荷載作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)未采用隔震技術(shù)時(shí)，該狀態(tài)下的層間位移量達(dá)到了21.10 mm，而隔震結(jié)構(gòu)層間位移值為5.42 mm，兩者對(duì)比位移量降低了74.3%，中震效果顯著；大震工況作用下，非隔震結(jié)構(gòu)導(dǎo)致層間位移值為39.47 mm，采用隔震結(jié)構(gòu)的層間位移值僅為14.27 mm，兩者對(duì)比位移量降低了63.8%，隔震效果顯著。同時(shí)，變形相對(duì)集中的隔震層，絕大多數(shù)位移都是由支座變形而產(chǎn)生的。LWD地震波作用下樓層位移量如表3所示。

表2 REN 1地震波作用下樓層位移量

表3 LWD地震波作用下樓層位移量

3.4.3 在其他地震波作用下的樓層位移

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：在不同地震波作用下，隔震層能有效降低結(jié)構(gòu)的層間位移，減少結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的變形，且該結(jié)構(gòu)的變形主要體現(xiàn)在隔震層。在其他地震波作用下樓層位移計(jì)算結(jié)果及降低率如表4所示。

表4 在其他地震波作用下樓層位移計(jì)算結(jié)果及降低率

綜上所述，隔震結(jié)構(gòu)的層間位移量對(duì)比非隔震結(jié)構(gòu)，采用了基礎(chǔ)隔震技術(shù)的結(jié)構(gòu)層間位移顯著降低、效果顯著；隔震層是產(chǎn)生位移或變形相對(duì)集中的位置，且絕大多數(shù)變形都是由隔震支座變形而引起的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所述的工程采用上述基礎(chǔ)隔震技術(shù)后，對(duì)比基本周期，其自振周期明顯延長(zhǎng)。通過(guò)合理地設(shè)置隔震支座，隔震層的可靠性和穩(wěn)定性顯著提高。數(shù)據(jù)顯示采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)后，不管是在地震加速度值、結(jié)構(gòu)層間剪力，還是在地震荷載作用下的樓層位移，相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)(未設(shè)隔震層)而言，隔震結(jié)構(gòu)上部主體的穩(wěn)定性和抗破壞性都顯著提高，隔震效果顯著。而且，采用基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)后，從基礎(chǔ)再到上部結(jié)構(gòu)，變形集中的隔震層有效地消耗了地震能量，減輕了地震作用后的破壞力。