隔震技術在砌體結構中小學校舍加固中的應用

徐 蓉 何 斌 王國祥

(1.上海中船九院工程咨詢有限公司，上海 200063； 2.喀什大學土木工程學院，新疆 喀什 844008)

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隔震技術在砌體結構中小學校舍加固中的應用

徐 蓉1何 斌2王國祥2

(1.上海中船九院工程咨詢有限公司，上海 200063； 2.喀什大學土木工程學院，新疆 喀什 844008)

結合“5·12”汶川地震中砌體結構中小學校舍的震害，分析了增強此類結構抗震性能的必要性，闡述了基于數值計算和振動臺試驗的隔震結構動力反應分析情況，指出采用增設隔震層的方式加固砌體結構具有施工周期短、造價低的特點，可以在此類加固中進行推廣。

砌體結構，震害，振動臺試驗，隔震技術

1 概述

2008年5·12汶川地震給震區的中小學帶來巨大的人員傷亡和建筑結構破壞。在汶川地震余震過程中，大量科技人員對震區砌體結構進行調研，得出了寶貴經驗。文獻[1]將結構破壞程度分為可以使用、加固后使用、停止使用和立刻拆除等四種級別，指出各類砌體結構，尤其是1978年以前的建筑結構破壞情況最為嚴重。該文獻指出學校建筑以砌體結構為主，且抗震性能差，震害嚴重。

文獻[2]將磚混結構的震害表現歸納為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞、局部倒塌和倒塌等6種情況；該文獻指出基于唐山大地震后的抗震規范進行設計和施工、質量良好的砌體結構在此次大地震中表現較好；遵循規范加固過，且施工質量較好的結構也經受住了地震的考驗。

文獻[3]指出砌體結構在極震區破壞嚴重，倒塌較多，特別是大空間結構。尤其值得重視的是經過抗震設計和合理設置圈梁構造柱措施的砌體結構破壞輕微或基本完好。

大量的調查研究結果基本上肯定了GB 50011建筑抗震設計規范(以下簡稱《抗規》)無論在概念設計和構造措施上對砌體結構做出的規定基本是可行的，這與唐山大地震時大量砌體結構倒塌形成了鮮明的對比。但是作為校舍，尤其是教學樓這種空曠建筑，其抗震性能無法滿足新的安全性規定。對此類建筑進行適度加固改造是必要的，本文則著重就采用隔震技術在其加固中的應用進行歸納和總結。

2 分析方法

隔震技術在國內推廣已經超過20年，大量科研和實踐成果已經被最新的《抗規》所采納，本文著重就國內采用數值計算和振動臺試驗對隔震結構進行分析的成果進行闡述。

2.1 基于數值計算的隔震結構動力反應分析

《抗規》中對于抗震分析方法包括底部剪力法、振型分解法和時程分析法。這些方法可以通過簡化計算和諸如SAP2000等大型有限元軟件，或者自編軟件進行實現。文獻[4]指出采用JGJ/T 13—94設置鋼筋混凝土構造柱多層磚房抗震技術規程所得的剪切型多質點計算模型的結構動力特性與實測結果相比較，具有足夠精度。

文獻[5]采用《抗規》提供的隔震設計簡化計算方法，對結構的橫向(弱軸方向)進行計算，得出隔震后樓層的層間剪力與原結構層間剪力比為0.336，滿足《抗規》關于設防烈度降低1度(減震系數為0.5)時所對應的層間剪力比最大值0.35的限值要求的結論。

文獻[6]采用自編軟件，利用底部剪力法程序計算上部結構的基底剪力，同時確定上部底層結構的剛度和橡膠支座的有效剛度確定選用支座的類型和個數。采用在時程分析法中添加隔震程序的方式獲取最大層間剪力和位移等參數。該文獻中還提出采用彈性階段、從彈性階段進入屈服階段、從屈服階段進入剛度退化階段和層間位移超過層間極限位移這四個階段作為破壞狀態的確定原則。

文獻[7]采用結構有限元軟件SAP2000模擬砌體結構，通過對比可知，采用隔震裝置后，結構周期變長，扭轉成分降低；時程分析結果表明，采用隔震裝置可以大幅度降低結構的加速度峰值。

文獻[8]提出在選用多組時程曲線時，應按照規范所提供的地震影響系數曲線得到罕遇地震水準下目標概率一致反應譜(UHRS)，按照目標反應譜對所選取的地震波進行修正。同時基于SAP2000有限元軟件采用簡化模型進行水平地震動動力分析。提出隔震層以上砌體結構的加速度反應譜值在高頻部分有較大幅度降低，而低頻部分有所放大的結論。

采用隔震層的砌體結構，其前幾階振型較為明確，采用剪切型多質點模型不失為良好的模擬方式。在采用大型有限元軟件模擬時，需要在支座單元和墻元的選擇、上部結構的簡化等方面進行深入研究。

2.2 基于振動臺試驗的隔震結構動力反應分析

通過整體結構的振動臺研究，可以直觀獲得結構動力特性和地震作用下結構的反應。由于振動臺臺面尺寸和能量輸入本身的限制，通常使用縮尺模型。文獻[9]針對典型四層外廊式砌體結構教學樓的基本單元作為試驗對象，著重描述了縮尺試驗所需要注意的各項要點。

文獻[10]針對采用橡膠支座與疊層橡膠滑板支座的砌體結構，進行1/4比例的等代結構的振動臺試驗，采用白噪聲作用測不同階段的結構動力特性，且采用5種地震波的三種不同工況作為地震激勵，確定非隔震結構和隔震結構的放大系數。該文獻指出隔震結構模型的水平隔震效果顯著，有效保護上部結構安全。

我國對于隔震結構的振動臺試驗數量較少，在今后應該適當增加此類試驗研究。

3 工程實踐

隔震設計中對于隔震層上部結構和下部結構均作剛性層假定，這需要在施工實踐中得以保證，而對于既有建筑的改造由于工程實踐較少，其施工工法尚未成套。施工的主要難點在于如何設置隔震層，將上部結構和基礎脫離開。文獻[11]通過對南京市谷里中學綜合樓的改造項目進行描述，介紹了對于既有建筑增加隔震層的施工工藝和關鍵技術，尤其是提出對隔震層下部結構及基礎進行加固，對上部結構采用托換技術形成剛性托盤；該文獻指出采用隔震技術對結構進行加固，可以顯著減少隔震層以上部分的加固量。

文獻[4]描述的是甘肅省某中學科學實驗樓改造項目，通過設置普通橡膠支座和鉛芯橡膠支座的方式，提出在1層設置剛性底板和夾梁形成剛性層，同時通過在支座下方也設置夾梁，給支座提供足夠剛度的支撐；文獻同時也描述了諸如擋土墻等附屬設施的建造。

4 結語

我國在建國后至今建造了大量砌體結構校舍，這些校舍的抗震能力較低，在大震中容易發生不同層次的破壞；國家在汶川地震后對校舍的抗震設防提出新的要求，通過對墻、板等構件進行加固的方式進行整體結構的加固。實踐表明，采用傳統加固方式造價較高、施工周期較長。

隔震技術在國內推廣實踐已經超過20年，其理論較為完善、產品較為可靠、施工工藝也逐漸成熟。

本文描述了隔震技術在砌體結構中小學校舍中加固的應用，通過分析方法和工程實踐等層面對汶川地震后的理論和工程實踐進行了總結，可為今后的設計和施工提供一定的參考。

[1] 清華大學土木工程結構專家組,西南交通大學土木工程結構專家組，北京交通大學土木工程結構專家組,等.汶川地震建筑震害分析[J].建筑結構學報,2008(4):1-9.

[2] 姚秋來,薛彥濤,曾德民,等.5·12汶川特大地震都江堰災區震害調查——磚混結構部分[J].工程抗震與加固改造,2008(4):12-23.

[3] 李英民,韓 軍,劉立平,等.“5·12”汶川地震砌體結構房屋震害調查與分析[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版),2009(5):606-611.

[4] 王洪濤,施衛星,汪 洋,等.磚混結構組合基礎隔震加固設計及應用[J].工程抗震與加固改造,2016(1):105-112.

[5] 郭 健,劉偉慶,王曙光,等.隔震技術在砌體結構抗震加固中的應用研究[J].工程抗震與加固改造,2008(1):43-47，54.

[6] 張永山,王鐵英,王煥定.砌體結構工程抗震軟件的結構隔震功能及算例分析[J].地震工程與工程振動,2001(2):152-156.

[7] 趙 曦,申向東,高 娃,等.既有多層砌體結構隔震加固數值模擬分析[J].中國科技論文,2017(1):101-106.

[8] 吳 迪,霍維剛,周福霖.采用GFRP橡膠隔震技術的某砌體結構動力響應分析[J].廣州大學學報(自然科學版),2015(6):45-49.

[9] 蔣 璐,李 旭,馬人樂.某四層砌體結構預制板教學樓振動臺縮尺模型試驗設計[J].石家莊鐵道大學學報(自然科學版),2011(2):15-19,27.

[10] 李亞明,胡錫勇,酈敏浩.組合隔振(震)砌體結構模型振動臺水平隔震試驗研究[J].建筑結構,2013(13):7-12.

[11] 陳文海,徐 賈,郭 彤.既有磚混結構校舍隔震加固技術及其工程應用[J].建筑技術,2014(3):215-218.

On application of seismic isolation technique of consolidation of schools and dormitories in middle and primary schools with masonry structure

Xu Rong1He Bin2Wang Guoxiang2

(1.China Shipbuilding NDRI Engineering Co., Ltd, Shanghai 200063, China; 2.College of Civil Engineering, Kashgar University, Kashgar 844008, China)

Combining with the seismic disasters for the schools and dormitories with masonry structure in Wenchuan Earthquake on May 12th,2008, the paper analyzes the necessity to enhance the seismic performance of the structure, illustrates the dynamic response analysis of isolated structures based on numerial calculation and ribration platform test, and points out the addition of isolation layer can enhance the masonry structure with short construction period and low cost, so it can be promoted in the consolidation of the type of buildings.

masonry structure, earthquake disaster, test of vibration platform, seismic isolation technique

1009-6825(2017)16-0043-03

2017-03-28

徐 蓉(1967- )，女，高級工程師

TU352.1

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