盧 成

(云南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 云南昆明 650228)

引 言

近年來我國(guó)西部地區(qū)地震活動(dòng)的頻繁，自2008年汶川地震后全國(guó)各地的建設(shè)部門均對(duì)減隔震技術(shù)的推廣應(yīng)用有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。根據(jù)《云南省人民政府辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)減隔震技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的意見》對(duì)于省內(nèi)8、9度抗震設(shè)防區(qū)三層以上的中、小學(xué)校建筑應(yīng)首先采用減隔震技術(shù)。隔震技術(shù)主要分為地基隔震、基礎(chǔ)隔震和上部結(jié)構(gòu)隔震等，其中基礎(chǔ)隔震是目前工程中技術(shù)比較成熟的一種隔震技術(shù)[1]。

本文在對(duì)云南晉寧市的某一中學(xué)教學(xué)樓的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用了在基頂處設(shè)置橡膠隔震支座的方法，通過時(shí)程分析法確定結(jié)構(gòu)的減震系數(shù)及進(jìn)行大震下抗震性能的分析，并提出對(duì)隔震層的設(shè)計(jì)要求。

1 工程概況

該工程為晉寧市的某一中學(xué)教學(xué)樓，為6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑總高度23.1m，層高3.9m。依據(jù)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，該建筑的抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防，抗震設(shè)防類別8度(0.2g)第三組，場(chǎng)地類別Ⅲ類，特征周期0.65s;基本風(fēng)壓0.3kN/m2。隔震層設(shè)于標(biāo)高±0.000處，隔震層板厚為160mm，板筋為10@180雙層雙向。隔震層下支墩設(shè)置于基礎(chǔ)上，用于安裝橡膠隔震支座，基礎(chǔ)采用經(jīng)濟(jì)性較好的柱下混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)。

該教學(xué)樓建筑平面如(圖1)所示，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](2010版)(簡(jiǎn)稱抗規(guī))對(duì)于平面規(guī)則性的要求及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3](2010版)(簡(jiǎn)稱砼規(guī))中對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度及伸縮縫設(shè)置間距的要求，將平面分縫為7棟結(jié)構(gòu)單體。本文僅取其中一棟結(jié)構(gòu)(圖1左右端部)作隔震分析，結(jié)構(gòu)三維模型見(圖2)。

圖1 建筑平面圖

圖2 結(jié)構(gòu)三維模型圖

2 隔震結(jié)構(gòu)分析

2.1 計(jì)算模型

本工程上部結(jié)構(gòu)施工圖采用PKPM軟件設(shè)計(jì)，但由于橡膠隔震支座在模型中無法模擬，故采用ETABS軟件進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。ETABS軟件在非線性動(dòng)力分析時(shí)可以近似的模擬橡膠隔震支座的力學(xué)性能且可以將在PKPM中建立的模型導(dǎo)至ETABS軟件中。

由于隔震橡膠支座相對(duì)于與其連接的混凝土框架柱的抗扭剛度、抗彎剛度都非常小，為了使模型結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)接近真實(shí)狀態(tài)，在非隔震結(jié)構(gòu)模型的一層柱底下端設(shè)為鉸接約束。

為了驗(yàn)證兩種軟件所分析模型的一致性，對(duì)非隔震結(jié)構(gòu)的ETABS模型與SATWE模型在結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期和各層間的剪力進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明其數(shù)值差距很小。

2.2 地震波的選取

本工程按場(chǎng)地特征周期(Tg=0.65s)共選取了5條實(shí)際強(qiáng)震記錄和2條人工模擬加速度時(shí)程，其時(shí)程反應(yīng)譜和規(guī)范反應(yīng)譜曲線如(圖3)所示，其平均反應(yīng)譜曲線與規(guī)范反應(yīng)譜曲線在結(jié)構(gòu)的前3個(gè)振型的影響系數(shù)最大差值為7%，符合規(guī)范要求。按抗規(guī)，取七條時(shí)程曲線進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)計(jì)算值可取七條時(shí)程計(jì)算的平均值與規(guī)范反應(yīng)譜的較大值。

圖3 7條時(shí)程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線

2.3 隔震支座布置

根據(jù)《疊合橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》[4]及抗規(guī)的要求，按照豎向平均壓應(yīng)力值，大震下的支座的拉應(yīng)力值，及支座的極限水平位移等綜合因素，本棟結(jié)構(gòu)共使用了42個(gè)橡膠隔震支座。因本棟結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬比較大，為控制其扭轉(zhuǎn)影響，支座均采用有鉛芯隔震支座LRB500、LRB600(圖4)，隔震支座平面布置見(圖5)。隔震結(jié)構(gòu)屈重比為0.039，支座性能參數(shù)見(表1)。

表1 隔震支座力學(xué)性能參數(shù)

圖4 震安公司生產(chǎn)的隔震支座 圖5 隔震支座布置圖

2.4 減震系數(shù)計(jì)算及抗震設(shè)防烈度

本工程按設(shè)計(jì)基本加速度計(jì)算出七條地震波作用下隔震與非隔震結(jié)構(gòu)的層間剪力比見(表2)，由(表2)可得到隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)的各層層間剪力比(七條地震波的平均值)，為使本結(jié)構(gòu)具有一定的安全度，最終水平向減震系數(shù)按0.4考慮，即上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的水平地震影響系數(shù)為0.4x0.16/0.8=0.08，按抗規(guī)本工程滿足上部結(jié)構(gòu)烈度降一度的設(shè)計(jì)要求，但由于本建筑設(shè)防類別屬于重點(diǎn)設(shè)防(乙類建筑)，按照《建筑工程設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》[5]乙類建筑的設(shè)防類別應(yīng)提高一度，故綜上原因本棟結(jié)構(gòu)的設(shè)防類別仍按本地區(qū)設(shè)防8度(0.2g)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表2 隔震與非隔震模型層間剪力比

2.5 罕遇地震分析

2.5.1 隔震層水平位移驗(yàn)算

本工程通過七條地震波計(jì)算分析得到隔震層最大水平位移為185mm，小于0.55×500mm=275mm(500mm為較小的隔震墊直徑)，滿足規(guī)范要求。為保證上部結(jié)構(gòu)在地震時(shí)運(yùn)動(dòng)不受到阻礙，發(fā)揮隔震層的效果，上部結(jié)構(gòu)均與周邊室外地坪設(shè)置貫通的空隙;按抗規(guī)規(guī)定隔震結(jié)構(gòu)縫寬宜大于1.2×185=222m(大于200mm)，故本工程上部與周邊設(shè)300mm寬隔震溝，上部與下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)縫高為20mm(圖6)，并用柔性材料填充，穿越隔震層的樓梯及管線等處均設(shè)置相應(yīng)的滑動(dòng)支座及軟連接等構(gòu)造措施。對(duì)于本工程各單體之間的縫寬，考慮結(jié)構(gòu)上部位移(高度已接近24m)，因此各棟之間的隔震縫寬度取為600mm。

圖6 隔震縫設(shè)置大樣

2.5.2 層間位移角驗(yàn)算

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下的層間變形驗(yàn)算見(表3)。

表3 罕遇地震下隔震結(jié)構(gòu)層間位移角

由(表3)可知采用隔震技術(shù)后隔震層以上的最大層間位移角為1/230，滿足抗規(guī)及橡膠支座隔震規(guī)程對(duì)鋼筋混凝土框架大震下位移角小于1/50的性能要求，表明結(jié)構(gòu)在采用隔震技術(shù)后，結(jié)構(gòu)的安全度有了顯著的提高，抗震性能良好。

2.6 隔震支座拉應(yīng)力驗(yàn)算

根據(jù)抗規(guī)隔震支座拉應(yīng)力驗(yàn)算采用荷載組合:1.0×恒荷載±1.0×水平地震－0.5×豎向地震，得到罕遇地震下各個(gè)支座承受的最大拉應(yīng)力，其荷載組合為:1.0D±1.0Fek－0.5×0.2(1.0D+0.5L)=0.90D－0.05L±1.00Fek，當(dāng)荷載組合為:0.90D－0.05L+1.00Fek時(shí)，最大拉應(yīng)力為:0.180MPa(小于1MPa)，當(dāng)荷載組合為:0.90D－0.05L－1.00Fek時(shí)，最大拉應(yīng)力為:0.227MPa(小于1MPa)，可見在罕遇地震作用下，隔震支座拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

3 隔震支座的支墩設(shè)計(jì)

根據(jù)隔震支座的安裝要求，上下支墩的柱截面按支座 LRB500、LRB600分別取為 700mmx700mm、800mmx800mm。由于下支墩設(shè)計(jì)時(shí)需計(jì)算在大震下隔震支座處的水平力、豎向力、及彎矩作用;為減小柱截面配筋，其高度宜取小值，本工程下支墩高度取為500mm高。同時(shí)為了便于平時(shí)隔震支座的檢修，保證隔震層梁底到地面一定的凈高(本工程隔震層主梁高750mm)，上支墩高度統(tǒng)一取為1000mm高(圖7)。隔震層作為嵌固端與隔震層上一層剛度比為10.7，滿足抗規(guī)對(duì)嵌固剛度比的要求。

圖7 隔震層剖面示意圖

4 抗風(fēng)承載力驗(yàn)算

根據(jù)抗規(guī)本工程在風(fēng)荷載作用下的總水平剪力值不宜大于結(jié)構(gòu)總重力荷載值的10%，即限制隔震結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載等水平荷載作用下不會(huì)發(fā)生較大的位移，計(jì)算結(jié)果見(表4)。

表4 風(fēng)荷載水平剪力驗(yàn)算

可見風(fēng)荷載產(chǎn)生的總水平力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于總重力值的10%，即在本地區(qū)風(fēng)荷載在水平荷載中不起控制作用。

5 結(jié)語

通過時(shí)程分析計(jì)算法得到隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)的層間剪力比值并得出結(jié)構(gòu)的減震系數(shù)及其隔震后結(jié)構(gòu)抗震性能的分析，可以驗(yàn)證在高烈度地區(qū)對(duì)于多層混凝土框架結(jié)構(gòu)采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)減震效果良好，可以明顯的減小結(jié)構(gòu)的水平向地震作用，從而達(dá)到提高結(jié)構(gòu)安全性的目的。

致謝:感謝云南震安減震技術(shù)有限公司為本工程設(shè)計(jì)提供的技術(shù)支持與咨詢。

[1]羅迪，賈莉，安海玉，丁永軍.某教學(xué)樓隔震性能設(shè)計(jì)與分析[J].建筑結(jié)構(gòu).2014.44(16):33－35.

[2]GB50011－2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB50010－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]CECS126:2001，疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程[S].

[5]GB 50223—2008建筑工程設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].