隔震橡膠支座在砌體結(jié)構(gòu)抗震加固中的應(yīng)用

張 濤，王志明，朱國(guó)鋒

(1.南京金宇建筑設(shè)計(jì)有限公司,江蘇 南京 211119; 2.典筑設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,江蘇 南京 210004; 3.江蘇文博建筑設(shè)計(jì)有限公司,江蘇 丹陽(yáng) 212322)

0 引言

自2021年9月1日起施行的《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》[1]第二十一條規(guī)定：位于高烈度設(shè)防地區(qū)、地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)、兒童福利機(jī)構(gòu)、應(yīng)急指揮中心、應(yīng)急避難場(chǎng)所、廣播電視等已經(jīng)建成的建筑進(jìn)行抗震加固時(shí),應(yīng)當(dāng)經(jīng)充分論證后采用隔震減震等技術(shù),保證其抗震性能符合抗震設(shè)防強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。隔震技術(shù)在加固改造工程中的應(yīng)用改變了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對(duì)抗震設(shè)計(jì)的概念,提高了建筑的抗震性能。

1 概述

砌體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較大,延性較差,在地震作用下,底部墻體經(jīng)常出現(xiàn)脆性破壞。本工程在首層地下位置設(shè)置了隔震層,采用橡膠隔震支座在隔震層處將建筑物分為上下兩個(gè)部分。地震作用時(shí),橡膠支座可以延長(zhǎng)上部結(jié)構(gòu)的自振周期,減少了上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用。因此,在砌體結(jié)構(gòu)抗震中采用橡膠支座,可以讓上部結(jié)構(gòu)更容易滿足抗震要求,特別是遇到需要提高抗震設(shè)防要求的砌體結(jié)構(gòu)。

2 工程概況

本工程為五層砌體結(jié)構(gòu),建造于20世紀(jì)80年代,設(shè)防烈度為7度,設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi),場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。該建筑自竣工以來(lái),一直作為某單位的辦公大樓使用,期間未進(jìn)行過(guò)建筑使用功能的改變及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的拆改。建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1所示。

3 結(jié)構(gòu)安全性及抗震鑒定

為了解該建筑目前的結(jié)構(gòu)安全狀況,進(jìn)行了結(jié)構(gòu)安全性[2]及抗震鑒定[3],主要鑒定結(jié)論如下：

1)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),該建筑物基礎(chǔ)未出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象,梁、墻、板等受力構(gòu)件未見(jiàn)受力變形及裂縫。

2)該建筑抗震措施不滿足抗震設(shè)防丙類(lèi)建筑要求。

3)該建筑物綜合抗震能力指數(shù)大于1,滿足抗震設(shè)防丙類(lèi)建筑的鑒定要求。

4)綜上所述,根據(jù)該建筑材料強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)體系、抗震措施及驗(yàn)算結(jié)果,對(duì)該建筑安全性進(jìn)行鑒定評(píng)級(jí),該建筑為A類(lèi)建筑,安全性鑒定等級(jí)為Csu級(jí)。

4 建筑功能調(diào)整

因建設(shè)方對(duì)建筑使用的功能的要求,現(xiàn)將一層—三層辦公室改為幼兒園教室,樓面活荷載[4]為2.0 kN/m2;四、五層作為老師辦公室,樓面活荷載[5]為2.5 kN/m2?？傮w來(lái)講,本次建筑功能的調(diào)整將該建筑由丙類(lèi)設(shè)防提高為乙類(lèi),辦公室樓面荷載略有增加。

5 砌體結(jié)構(gòu)改造加固設(shè)計(jì)方案的確定

依據(jù)《既有建筑鑒定與加固通用規(guī)范》及該建筑的鑒定報(bào)告,該建筑為A類(lèi)建筑,后續(xù)工作年限為30 a,可執(zhí)行原設(shè)計(jì)時(shí)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。經(jīng)驗(yàn)算,該建筑承載力滿足要求,上部結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施不滿足規(guī)范要求。若提高抗震設(shè)防類(lèi)別,抗震構(gòu)造措施的要求將會(huì)更加嚴(yán)格,這會(huì)帶來(lái)加固設(shè)計(jì)上的困難及加固費(fèi)用的增加。綜合考慮采用橡膠支座的隔震技術(shù)進(jìn)行加固,分別按非隔震及隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算。通過(guò)計(jì)算分析,非隔震模型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1,滿足《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》[8]4.1條設(shè)置橡膠支座的條件。該建筑采用在一層以下設(shè)置隔震層,上部結(jié)構(gòu)抗震措施不再提高,即按丙類(lèi)設(shè)防的加固方案。

表1 非隔震模型計(jì)算結(jié)果

6 砌體結(jié)構(gòu)隔震層設(shè)計(jì)

6.1 隔震層的設(shè)置

隔震層設(shè)置在室外地面以下,基礎(chǔ)頂面以上的空間范圍內(nèi)。隔震層采用梁板結(jié)構(gòu),樓板厚160 mm,上部墻體采用混凝土雙夾梁托換,雙夾梁兼做隔震層的結(jié)構(gòu)梁及隔震支墩[9],外墻隔震支座剖面圖如圖2所示。

6.2 橡膠隔震支座的選擇

隔震常用的橡膠支座為L(zhǎng)RB支座(鉛芯橡膠支座)和LNB支座(天然橡膠支座)(見(jiàn)圖3,圖4),由支座的滯回模型(如圖5,圖6所示)可以看出,LNB支座以剪切變形為主,LRB支座除剪切變形外尚有豎向剛度,能夠承擔(dān)結(jié)構(gòu)豎向荷載。

本項(xiàng)目選用的橡膠支座性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

6.3 橡膠隔震支座的布置及計(jì)算

按照《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》4.3.1條,橡膠隔震支座的布置要求,在建筑四周及樓梯間等荷載較大的縱橫墻交接處布置LRB支座,其余縱橫墻交接處布置LNB支座,采用PKPM減隔震模塊進(jìn)行試算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整隔震支座的平面布置,直至滿足規(guī)范要求。根據(jù)最終的計(jì)算結(jié)果,隔震支座平面布置圖如圖7所示。

表2 非隔震模型計(jì)算結(jié)果

采用震型反應(yīng)譜法的隔震計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3,表4：在設(shè)防烈度地震作用下,隔震層剛心與質(zhì)心偏心率小于3.0%,抗傾覆安全系數(shù)大于1.2,滿足規(guī)范要求。

表3 隔震層偏心率

隔震橡膠支座第二形狀系數(shù)為5.4>5,在重力荷載代表值作用下,豎向最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在樓梯間外墻處,最大值為10.02 MPa<12 MPa;在地震作用下最大水平位移出現(xiàn)在外墻轉(zhuǎn)角處,最大值為51.28 mm<220 mm,橡膠支座壓應(yīng)力和位移均滿足規(guī)范要求。

表4 罕遇地震下隔震結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算

由以上計(jì)算的數(shù)據(jù)可知,該建筑的隔震橡膠支座選型合適,支座平面布置合理可行。

7 對(duì)比改造加固前后計(jì)算結(jié)果

分別建立隔震模型和非隔震模型,采用PKPM軟件計(jì)算后,將計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)整理分析,對(duì)比隔震前后計(jì)算數(shù)據(jù)的變化,見(jiàn)表5—表7。

表5 非隔震與隔震結(jié)構(gòu)模型的周期

表6 非隔震與隔震結(jié)構(gòu)模型的層間剪力比

表7 非隔震與隔震結(jié)構(gòu)模型的層間傾覆力矩比

通過(guò)對(duì)隔震和非隔震模型計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比,可以看出,砌體結(jié)構(gòu)采取隔震設(shè)計(jì)以后底部剪力約為非隔震設(shè)計(jì)底部剪力的0.4倍～0.47倍,底部?jī)A覆力矩約為非隔震設(shè)計(jì)的0.37倍?？梢?jiàn),橡膠支座隔震設(shè)計(jì)可以有效減小地震對(duì)隔震層以上結(jié)構(gòu)的作用。

8 隔震加固設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

橡膠支座的隔震設(shè)計(jì)首先要確定建筑是否滿足適用條件。同時(shí),平時(shí)要多收集橡膠支座廠家的資料信息,獲取常用橡膠支座的基本參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮設(shè)計(jì)、施工、造價(jià)等多種因素,與建設(shè)方協(xié)商選擇合適的橡膠支座。

9 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的改造項(xiàng)目采用隔震橡膠支座,可以有效減小基礎(chǔ)以上結(jié)構(gòu)的地震作用。既滿足了使用功能的改變,又減小了上部結(jié)構(gòu)的加固量?？梢?jiàn),在砌體結(jié)構(gòu)改造加固中,通過(guò)設(shè)置隔震層、合理布置橡膠支座,能夠滿足相關(guān)規(guī)范的要求。其中最主要的原因是,地震時(shí),橡膠支座可以產(chǎn)生較大的水平位移,延長(zhǎng)了上部結(jié)構(gòu)的基本周期,減小了上部結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)“小震不壞,中震可修,大震不倒”[10]的抗震設(shè)防目標(biāo)。