阿布都熱依木江·庫爾班,陳國新,阿不都西庫爾·扎依提

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052)

8度區(qū)某中學(xué)教學(xué)樓隔震結(jié)構(gòu)分析與性能對(duì)比

阿布都熱依木江·庫爾班,陳國新,阿不都西庫爾·扎依提

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052)

目前新疆高烈度地區(qū)隔震、減震技術(shù)的應(yīng)用越來越多。位于新疆烏魯木齊市設(shè)防烈度8度的某中學(xué)教學(xué)樓結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)體系,屬于乙類建筑。今采用基礎(chǔ)隔震技術(shù),在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)置帶有鉛芯疊層橡膠支座的隔震層，經(jīng)對(duì)其進(jìn)行分析，表明進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)能夠明顯延長結(jié)構(gòu)基本周期,可有效降低地震作用,使抗震設(shè)防烈度降低一級(jí)，能實(shí)現(xiàn)在中震作用下結(jié)構(gòu)處于彈性階段,罕遇地震作用下具有良好的變形性能。

高烈度地區(qū)；隔震設(shè)計(jì)；時(shí)程分析；水平減震系數(shù)

建筑物結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù),多年來,世界各國學(xué)者對(duì)此項(xiàng)技術(shù)展開了廣泛深入的研究,并取得了引人注目的成果,使這方面的研究工作成為當(dāng)今土木工程學(xué)科中的熱點(diǎn)研究課題,并且形成了一個(gè)新的學(xué)科分支。隔震技術(shù)是目前工程中應(yīng)用最多的一種減震控制技術(shù)。隔震技術(shù)的本質(zhì)作用就是使結(jié)構(gòu)和(或)構(gòu)件與可能引起破壞的地震地面運(yùn)動(dòng)分離開來。這種分離是通過增加結(jié)構(gòu)的柔性和提供適當(dāng)?shù)淖枘醽韺?shí)現(xiàn)的[1-3]。

根據(jù)國家住建部和新疆維吾爾自治區(qū)的有關(guān)推廣應(yīng)用減隔震技術(shù)的若干意見要求,凡位于抗震設(shè)防烈度8度(含8度)以上地震高烈度區(qū)新建3層(含3層)以上學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院等人員密集公共建筑,應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用減隔震技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前新疆地區(qū)隔震、減震技術(shù)的應(yīng)用越來越多。本文以新疆烏魯木齊市某一中學(xué)工程為例,探討了隔震技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用與減震作用。希望本文能夠?yàn)楦吡叶葏^(qū)類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況與模型建立

1.1 工程概況

本工程位于新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市,抗震設(shè)防烈度8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值為0.2 g,設(shè)計(jì)地震分組第二組,Ⅱ類場地,場地特征周期0.4 s。采用框架結(jié)構(gòu)形式,樓層數(shù)為5層,建筑結(jié)構(gòu)高度25.3 m,寬19.5 m,高寬比1.3,滿足規(guī)范對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的高寬比限值要求。屬于重點(diǎn)設(shè)防,乙類建筑。結(jié)構(gòu)三維模型見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)三維模型圖

1.2 隔震支座布置

本工程采用的橡膠隔震支座,在選擇其直徑、個(gè)數(shù)和平面布置時(shí),根據(jù)有關(guān)規(guī)范[4-5]利用計(jì)算得到的豎向壓力的設(shè)計(jì)值以及支座壓應(yīng)力的限值可以推算得出隔震支座所需要的最小尺寸,利用該最小尺寸并且結(jié)合支座尺寸模數(shù)對(duì)支座的尺寸進(jìn)行初選。本工程采用LRB600、LRB700、LRB800,共使用了29個(gè)支座,各類型支座數(shù)量及力學(xué)性能見表1。

2 地震動(dòng)輸入

2.1 地震加速度時(shí)程曲線

本工程選取了實(shí)際5條強(qiáng)震記錄和2條人工模擬加速度時(shí)程,7條時(shí)程曲線信息見表2。

表1 有鉛芯隔震支座的力學(xué)性能參數(shù)

表2 時(shí)程曲線信息表

注：因項(xiàng)目距離發(fā)震斷裂帶5 km以內(nèi),所以1.5為近場系數(shù)。

2.2 規(guī)范譜與時(shí)程平均譜對(duì)比

選取5條強(qiáng)震記錄和2條人工波模擬加速度時(shí)程，分別對(duì)隔震結(jié)構(gòu)、非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析后,7條時(shí)程曲線平均反應(yīng)譜與《抗規(guī)》規(guī)定的反應(yīng)譜在同周期值時(shí)均相差不大,最大不大于20%,滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)計(jì)算分析

隔震技術(shù)的本質(zhì)作用就是使結(jié)構(gòu)和(或)構(gòu)件與可能引起破壞的地震地面運(yùn)動(dòng)分離開來。這種分離是通過增加結(jié)構(gòu)的柔性和提供適當(dāng)?shù)淖枘醽韺?shí)現(xiàn)的。本文以某中學(xué)教學(xué)樓為工程背景,詳細(xì)地對(duì)比分析結(jié)構(gòu)隔震前后周期、各層剪力、結(jié)構(gòu)底部彎矩。

3.1 結(jié)構(gòu)隔震前后周期對(duì)比

《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程(CECS 126∶2001)》規(guī)定：隔震房屋兩個(gè)方向的基本周期相差不宜超過較小值的30%[5]。由表3可知,采用隔震技術(shù)后,此結(jié)構(gòu)的前三個(gè)周期延長近3倍并兩個(gè)方向的兩方向差值3.6%,前三個(gè)周期對(duì)應(yīng)的水平地震影響系數(shù)降低了40%。

表3 結(jié)構(gòu)隔震前后周期與水平地震影響系數(shù)對(duì)比表

3.2 非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)剪力和傾覆彎矩對(duì)比分析

通過7條地震波進(jìn)行時(shí)程分析計(jì)算得到非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的基底剪力值、傾覆力矩。7條地震波進(jìn)行時(shí)程分析結(jié)果見圖2～9,其平均值比值見表4、表5。由圖2～9及表4、表5可以看出, 隔震層以上結(jié)構(gòu)隔震后的樓層X方向剪力約降為非隔震結(jié)構(gòu)的32%，Y方向剪力約降為非隔震結(jié)構(gòu)的25%；隔震層以上結(jié)構(gòu)隔震后的樓層X方向樓層傾覆彎矩約降為非隔震結(jié)構(gòu)的30%，Y方向樓層傾覆彎矩約降為非隔震結(jié)構(gòu)的23%。可以看出，結(jié)構(gòu)設(shè)置隔震支座后結(jié)構(gòu)層間剪力、傾覆力矩都大大降低。

圖2 X方向非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力

圖3 X方向隔震結(jié)構(gòu)層間剪力

圖4 Y方向非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力

圖5 Y方向隔震結(jié)構(gòu)層間剪力

圖6 X方向非隔震結(jié)構(gòu)層間傾覆彎矩

3.3 計(jì)算隔震后水平地震影響系數(shù)最大值

由表4、表5分析得到隔震層以上結(jié)構(gòu)隔震前后,結(jié)構(gòu)層間剪力比值的平均值和結(jié)構(gòu)傾覆力矩比值的平均值見表6,其最大值為0.329 2。因項(xiàng)目距離發(fā)震斷裂帶5 km以內(nèi),所以考慮1.5的近場系數(shù)。據(jù)《抗規(guī)》第12.2.5條,確定隔震后水平地震影響系數(shù)最大值αmax=λsβαmax/φ=0.329 2×0.16/0.85×1.5=0.093(式中λs為近場影響系數(shù))。綜合考慮后, 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隔震后水平地震影響系數(shù)最大值為0.10,在7度水平地震影響系數(shù)最大值0.08與7度水平地震影響系數(shù)最大值0.12之間,則結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)后,抗震設(shè)防烈度降低一級(jí)。

表4 非隔震與隔震結(jié)構(gòu)層間剪力對(duì)比

表5 非隔震與隔震結(jié)構(gòu)傾覆力矩對(duì)比

表6 隔震與非隔震層最大比值

注：此次設(shè)計(jì)采用的隔震支座剪切性能偏差為S-A類,故調(diào)整系數(shù)ψ取0.85。

圖7 X方向隔震結(jié)構(gòu)層間傾覆彎矩

圖8 Y方向非隔震結(jié)構(gòu)層間傾覆彎矩

表7 中震作用下與大震作用下隔震結(jié)構(gòu)層間位移角

圖9 Y方向隔震結(jié)構(gòu)層間傾覆彎矩

4 結(jié)構(gòu)層間位移計(jì)算

對(duì)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行設(shè)防地震和罕遇地震下的層間變形驗(yàn)算。

1.0×恒荷載+0.5×活荷載+1.0×水平地震；即：1.0D+0.5L+1.0Fek。得到設(shè)防地震下隔震結(jié)構(gòu)層間位移角,見表7。由表7可知,采用隔震技術(shù)后設(shè)防地震下隔震結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/666,小于彈性位移限值1/550,中震作用下結(jié)構(gòu)屬于彈性階段。采用隔震技術(shù)后罕遇地震下隔震結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/243,遠(yuǎn)小于隔震性能目標(biāo)彈塑性位移限值1/100。

5 結(jié) 語

由于本工程屬于重點(diǎn)設(shè)防乙類建筑。按傳統(tǒng)的抗震方案計(jì)算時(shí),抗震設(shè)防烈度需提高一度計(jì)算,采用隔震設(shè)計(jì)后,結(jié)構(gòu)的周期明顯延長,反應(yīng)譜影響系數(shù)α顯著的降低,抗震設(shè)防烈度需降低一度。從非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)層間剪力、樓層傾覆彎矩以及結(jié)構(gòu)層位移角對(duì)比分析可得出以下結(jié)論:

1)本結(jié)構(gòu)隔震后結(jié)構(gòu)周期延長3倍左右,增加了結(jié)構(gòu)的柔性,顯著地降低了共振現(xiàn)象的發(fā)生率;層間剪力為非隔震結(jié)構(gòu)的30%左右,大幅度減少隔震層以上結(jié)構(gòu)的水平地震作用。

2)隔震結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下,水平向減震系數(shù)通過對(duì)比剪力平均比值與傾覆彎矩平均比值確定為0.329 2,根據(jù)規(guī)范要求,上部結(jié)構(gòu)可按降低一度設(shè)計(jì),但隔震后水平地震影響系數(shù)最大值為0.10,即7度0.08(0.12)之間。

3)中震地震作用下隔震結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/666,滿足框架結(jié)構(gòu)層間彈性位移角1/550限值的要求。罕遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/243,遠(yuǎn)小于隔震性能目標(biāo)彈塑性位移限值1/100。

位于地震高烈度區(qū),對(duì)于重點(diǎn)設(shè)防乙類建筑,按傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法時(shí),結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件(梁、柱、剪力墻等)的截面尺寸很大，配筋過多,工程造價(jià)較高,且建筑使用功能將受到明顯的限制;采用隔震設(shè)計(jì)后,結(jié)構(gòu)在地震作用下變形變小,內(nèi)力降低,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足預(yù)定的性能目標(biāo)。說明隔震設(shè)計(jì)可以提高結(jié)構(gòu)安全性并且能獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 韓淼,王秀梅.基礎(chǔ)隔震技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2004,20(2):11-14．

[2] Skinner R I, Robinson W H, Mcvery G H.工程隔震概論[M].謝禮立,周雍年,趙興權(quán),譯.北京:地震出版社,1996．

[3] 周穎,陳鵬,劉璐,等.9度區(qū)某高層酒店隔震設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2016,46(22):59-63．

[4] 中國建筑科學(xué)研究院.GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2016．

[5] 廣州大學(xué),中國建筑科學(xué)研究院.CECS 126∶2001疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì),2001．

Analysis and Performance Comparison on the Isolation Structures of Teaching Buildings of a School in the Seismic Region of 8-Level Intensity

AbudureyimujiangKuerban,ChenGuoxin,AbuduxikuerZayiti

2017-03-16

阿布都熱依木江·庫爾班(1986—),男，新疆烏魯木齊人，助教，從事建筑結(jié)構(gòu)理論與計(jì)算方法研究。

TU352.1+2

B

1008-3707(2017)03-0021-05