某中學教學樓隔震設計分析

盧 成

(云南省城鄉規劃設計研究院 云南昆明 650228)

引 言

近年來我國西部地區地震活動的頻繁，自2008年汶川地震后全國各地的建設部門均對減隔震技術的推廣應用有了進一步的認識。根據《云南省人民政府辦公廳關于加快推進減隔震技術發展與應用的意見》對于省內8、9度抗震設防區三層以上的中、小學校建筑應首先采用減隔震技術。隔震技術主要分為地基隔震、基礎隔震和上部結構隔震等，其中基礎隔震是目前工程中技術比較成熟的一種隔震技術[1]。

本文在對云南晉寧市的某一中學教學樓的上部結構設計時采用了在基頂處設置橡膠隔震支座的方法，通過時程分析法確定結構的減震系數及進行大震下抗震性能的分析，并提出對隔震層的設計要求。

1 工程概況

該工程為晉寧市的某一中學教學樓，為6層鋼筋混凝土框架結構，建筑總高度23.1m，層高3.9m。依據抗震設防標準，該建筑的抗震設防類別為重點設防，抗震設防類別8度(0.2g)第三組，場地類別Ⅲ類，特征周期0.65s;基本風壓0.3kN/m2。隔震層設于標高±0.000處，隔震層板厚為160mm，板筋為10@180雙層雙向。隔震層下支墩設置于基礎上，用于安裝橡膠隔震支座，基礎采用經濟性較好的柱下混凝土獨立基礎。

該教學樓建筑平面如(圖1)所示，根據《建筑抗震設計規范》[2](2010版)(簡稱抗規)對于平面規則性的要求及《混凝土結構設計規范》[3](2010版)(簡稱砼規)中對混凝土結構長度及伸縮縫設置間距的要求，將平面分縫為7棟結構單體。本文僅取其中一棟結構(圖1左右端部)作隔震分析，結構三維模型見(圖2)。

圖1 建筑平面圖

圖2 結構三維模型圖

2 隔震結構分析

2.1 計算模型

本工程上部結構施工圖采用PKPM軟件設計，但由于橡膠隔震支座在模型中無法模擬，故采用ETABS軟件進行補充計算。ETABS軟件在非線性動力分析時可以近似的模擬橡膠隔震支座的力學性能且可以將在PKPM中建立的模型導至ETABS軟件中。

由于隔震橡膠支座相對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，為了使模型結構的受力狀態接近真實狀態，在非隔震結構模型的一層柱底下端設為鉸接約束。

為了驗證兩種軟件所分析模型的一致性，對非隔震結構的ETABS模型與SATWE模型在結構質量、周期和各層間的剪力進行了對比分析，結果表明其數值差距很小。

2.2 地震波的選取

本工程按場地特征周期(Tg=0.65s)共選取了5條實際強震記錄和2條人工模擬加速度時程，其時程反應譜和規范反應譜曲線如(圖3)所示，其平均反應譜曲線與規范反應譜曲線在結構的前3個振型的影響系數最大差值為7%，符合規范要求。按抗規，取七條時程曲線進行時程分析時計算值可取七條時程計算的平均值與規范反應譜的較大值。

圖3 7條時程反應譜與規范反應譜曲線

2.3 隔震支座布置

根據《疊合橡膠支座隔震技術規程》[4]及抗規的要求，按照豎向平均壓應力值，大震下的支座的拉應力值，及支座的極限水平位移等綜合因素，本棟結構共使用了42個橡膠隔震支座。因本棟結構長寬比較大，為控制其扭轉影響，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)。隔震結構屈重比為0.039，支座性能參數見(表1)。

表1 隔震支座力學性能參數

圖4 震安公司生產的隔震支座 圖5 隔震支座布置圖

2.4 減震系數計算及抗震設防烈度

本工程按設計基本加速度計算出七條地震波作用下隔震與非隔震結構的層間剪力比見(表2)，由(表2)可得到隔震結構和非隔震結構的各層層間剪力比(七條地震波的平均值)，為使本結構具有一定的安全度，最終水平向減震系數按0.4考慮，即上部結構設計時的水平地震影響系數為0.4x0.16/0.8=0.08，按抗規本工程滿足上部結構烈度降一度的設計要求，但由于本建筑設防類別屬于重點設防(乙類建筑)，按照《建筑工程設防分類標準》[5]乙類建筑的設防類別應提高一度，故綜上原因本棟結構的設防類別仍按本地區設防8度(0.2g)進行設計。

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 隔震層水平位移驗算

本工程通過七條地震波計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)，滿足規范要求。為保證上部結構在地震時運動不受到阻礙，發揮隔震層的效果，上部結構均與周邊室外地坪設置貫通的空隙;按抗規規定隔震結構縫寬宜大于1.2×185=222m(大于200mm)，故本工程上部與周邊設300mm寬隔震溝，上部與下部結構之間設縫高為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置相應的滑動支座及軟連接等構造措施。對于本工程各單體之間的縫寬，考慮結構上部位移(高度已接近24m)，因此各棟之間的隔震縫寬度取為600mm。

圖6 隔震縫設置大樣

2.5.2 層間位移角驗算

對結構進行罕遇地震下的層間變形驗算見(表3)。

表3 罕遇地震下隔震結構層間位移角

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

2.6 隔震支座拉應力驗算

根據抗規隔震支座拉應力驗算采用荷載組合: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支座承受的最大拉應力，其荷載組合為:1.0D±1.0Fek－0.5×0.2(1.0D+0.5L)=0.90D－0.05L±1.00Fek，當荷載組合為:0.90D－0.05L+1.00Fek時，最大拉應力為:0.180MPa(小于1MPa)，當荷載組合為:0.90D－0.05L－1.00Fek時，最大拉應力為:0.227MPa(小于1MPa)，可見在罕遇地震作用下，隔震支座拉應力滿足規范要求。

3 隔震支座的支墩設計

根據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。由于下支墩設計時需計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。同時為了便于平時隔震支座的檢修，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，滿足抗規對嵌固剛度比的要求。

圖7 隔震層剖面示意圖

4 抗風承載力驗算

根據抗規本工程在風荷載作用下的總水平剪力值不宜大于結構總重力荷載值的10%，即限制隔震結構在風荷載等水平荷載作用下不會發生較大的位移，計算結果見(表4)。

表4 風荷載水平剪力驗算

可見風荷載產生的總水平力值遠遠小于總重力值的10%，即在本地區風荷載在水平荷載中不起控制作用。

5 結語

通過時程分析計算法得到隔震結構與非隔震結構的層間剪力比值并得出結構的減震系數及其隔震后結構抗震性能的分析，可以驗證在高烈度地區對于多層混凝土框架結構采用基礎隔震技術減震效果良好，可以明顯的減小結構的水平向地震作用，從而達到提高結構安全性的目的。

致謝:感謝云南震安減震技術有限公司為本工程設計提供的技術支持與咨詢。

[1]羅迪，賈莉，安海玉，丁永軍.某教學樓隔震性能設計與分析[J].建筑結構.2014.44(16):33－35.

[2]GB50011－2010，建筑抗震設計規范[S].

[3]GB50010－2010，混凝土結構設計規范[S].

[4]CECS126:2001，疊層橡膠支座隔震技術規程[S].

[5]GB 50223—2008建筑工程設防分類標準[S].