某框架結構教學樓隔震設計方法研究

王云波 崔 桐

(1.平涼市建筑管理局，甘肅 平涼 744000; 2.浙江工業大學，浙江 杭州 310000)

建筑基礎隔震設計是建筑物減隔震技術的一項主要技術措施之一，其重要意義在于能有效減輕建筑物的地震作用，提高建筑物的抗震能力并有效抵御地震災害的破壞能力，提高建筑物的抗震設防水平，最大限度的減輕地震災害損失，有效保障人民群眾的生命安全，避免地震災害給國家和人民造成巨大財產損失，體現了“以人為本”的設計指導思想，變被動救災為主動防災減災。

1 工程概況

某教學樓工程位于甘肅省榆中縣，結構形式為鋼筋混凝土框架結構，地下1層，地上4層。地下1層為隔震檢修層，地上4層建筑功能為普通教室、教師辦公室、廣播室、衛生保健室、體育器材室、功能教室、衛生間等。教學樓總長48.3 m，總寬16.8 m，建筑面積為3 793 m2。地下1層層高為2.1 m，1層～4層層高為3.6 m，樓梯間、水箱間出屋面，層高為3.6 m。室內外高差0.75 m，建筑高度為15.15 m。本工程抗震設防烈度8度，建筑耐火等級為二級，填充墻砌體施工質量控制等級為B級，結構安全等級為二級，建筑設計使用年限為50年。教學樓結構采用基礎隔震設計，教學樓基礎形式為樁基礎。

2 結構隔震目標及隔震設計參數

2.1 結構隔震目標

在可能發生的罕遇地震的情況下，使上部結構的水平地震作用減小，降低主體結構主要構件發生塑性損傷的概率，使結構的地震反應能被控制在安全的范圍內，確保人員安全，減輕地震災害對建筑物的破壞程度。

2.2 結構隔震設計參數

根據《中國地震動參數區劃圖》及《建筑抗震設計規范》可知，該教學樓的抗震設防類別為乙類(重點設防類)，抗震設防烈度為8度，設計地震基本加速度0.20g，設計地震分組為第三組，結構阻尼比為0.05，場地特征周期為0.45 s。

該教學樓若按一般框架結構設計，其主要結構設計參數如下：多遇地震水平地震影響系數最大值為0.16，罕遇地震水平地震影響系數最大值為0.9，框架抗震等級為一級，框架柱軸壓比限值為0.65。

依據該教學樓的隔震分析報告提供的主要分析內容及參數如下：該結構的水平向減震系數β=0.324 6，依據DB 62/T25—3055—2011甘肅省建筑抗震設計規程，結構的水平向減震系數小于0.4，抗震設防烈度為8度，抗震設防類別為乙類建筑，建筑高度為15.15 m<24 m，隔震后上部結構的抗震措施可降低，因此，上部結構的框架抗震等級可降為二級，但框架柱的軸壓比限值仍按一級框架考慮，即軸壓比限值仍為0.65。隔震后的水平地震影響系數αmax1=0.064 9。在罕遇地震作用下，隔震支座拉應力不應大于1 MPa，壓應力不應大于2倍的設計壓應力限值。

依據《建筑抗震設計規范》第12.2.7.2條“水平向減震系數不大于0.4時(設置阻尼器時為0.38)，可適當降低本規范有關章節對非隔震建筑的要求，但烈度降低不得超過1度，與抵抗豎向地震作用有關的抗震構造措施不應降低。”，在對該教學樓結構采用PKPM結構軟件進行計算時，其隔震后的水平地震影響系數αmax1=0.064 9進行調整，按抗震設防烈度降低半度進行設計，故隔震后的水平地震影響系數α取值為0.08，按抗震設防烈度降低半度進行上部結構計算。

故該教學樓結構隔震設計的主要參數如下：隔震后的水平地震影響系數最大值為0.08，罕遇地震水平地震影響系數最大值為0.9，框架抗震等級為二級，框架柱軸壓比限值為0.65。

罕遇地震下各隔震支座的最大位移為195 mm。根據建筑抗震設計規范12.2.7的規定：隔震結構應采取不阻礙隔震層在罕遇地震下發生大變形的構造措施，建筑上部結構周邊應設置豎向隔離縫，縫寬不宜小于各隔震支座在罕遇地震下的最大水平位移值的1.2倍，且不小于200 mm。本工程各隔震支座在罕遇地震下的最大位移為195 mm，其1.2倍為234 mm，取整后為250 mm。故豎向隔離縫凈寬應不小于a=250 mm。上部結構與下部結構之間還應設置完全貫通的水平隔離縫，縫高20 mm，并用柔性材料填充。

3 隔震層結構構造設計

3.1 隔震層的層高

該教學樓地下1層為隔震檢修層，該層再無其他建筑功能，隔震層的層高應以預留隔震支座基本的檢修空間為主要因素確定，層高過高工程造價相應增大，不經濟；層高過低不利于施工人員進入隔震層對隔震支座進行維護檢修。隔震層的梁下凈高控制在1.2 m～1.5 m左右為宜，隔震層層高控制在1.8 m～2.1 m左右為宜。該教學樓的隔震層層高為2.1 m，梁高分別為0.7 m,0.6 m,0.5 m，板厚為160 mm，梁下最小凈高為1.4 m，板下凈高約為1.9 m，隔震檢修層的凈空高度合理。

3.2 隔震層的頂板樓蓋

隔震層頂部樓蓋應設計為鋼筋混凝土現澆梁板式樓蓋，現澆板厚度不應小于160 mm，隔震層頂部框架梁、板的剛度和承載力宜大于上部一般框架梁、板的剛度和承載力。隔震層頂部框架梁、板的混凝土強度達到100%時，方可拆除模板。

3.3 隔震層外墻

隔震層地面設置鋼筋混凝土構造底板，板厚不宜小于200 mm，構造底板沿隔震層四周外側上柱墩外邊懸挑形成隔震層外墻，隔震層外墻與懸挑的構造底板澆筑為整體，隔震層外墻應按能夠抵抗地下室外側土壓力的鋼筋混凝土懸臂外墻設計。隔震層外墻與四周上支墩的凈距不應小于250 mm，隔震層外墻與四周下支墩的凈距應考慮隔震支座的檢修空間，其凈間距不小于600 mm，兩者取較大值進行控制。隔震層外墻與隔震層頂板之間設置完全貫通的水平隔離縫，縫高20 mm，并用柔性材料填充。隔震層底板、外墻、頂板的設計以及外墻與下支墩的間距如圖1所示。

3.4 隔震支座的上支墩、下支墩

該教學樓的基礎形式為樁基礎，為了便于預埋隔震橡膠支座的錨栓，需在樁基礎頂部設置下支墩(即鋼筋混凝土承臺)，樁頭錨入下支墩長度為100 mm。下支墩頂面安裝隔震橡膠支座，隔震橡膠支座上部為上支墩(截面較大的鋼筋混凝土框架柱)，上支墩頂部為上部結構的框架柱。考慮到上支墩作為框架柱的嵌固支墩，其截面高度及寬度宜不小于框架柱截面高度及寬度+200 mm。下支墩(承臺)作為隔震支座的錨固支墩，其平面的寬度及長度宜不小于上支墩截面寬度及高度+300 mm～400 mm，下支墩(承臺)平面的寬度及長度應滿足樁基承臺的構造要求，下支墩(承臺)的高度h不應小于100 mm+基礎梁最大高度+500 mm，500 mm為下支墩露出隔震層地面的最小高度，便于隔震支座的檢修維護及更換。下支墩、隔震支座、上支墩的設置如圖1所示。

4 隔震支座的選型與布置

依據該教學樓的隔震分析報告，本工程的隔震支座均采用橡膠隔震支座，橡膠隔震支座分為兩種類型，一種為鉛芯橡膠支座(有阻尼裝置，編號為LRB)，一種為無鉛芯橡膠支座(編號為LNR)。橡膠隔震支座的類型及型號(有效直徑)均根據隔震報告的隔震計算分析出的結構位移及框架柱柱底內力確定。鉛芯橡膠支座一般布置于周邊框架柱下，無鉛芯橡膠支座一般布置于中部框架柱下，根據結構位移控制需要，部分中部框架柱下也會布置鉛芯橡膠支座。在結構設計中，橡膠隔震支座的選型與布置應嚴格按照隔震分析報告提供的參數進行設計。橡膠隔震支座與上、下支墩的連接采用預埋螺桿套筒，預埋螺桿套筒的直徑、錨固長度及孔位均應以隔震分析報告提供的參數進行設計，并應滿足《建筑抗震設計規范》第12.2.8.2條的要求。

該教學樓在隔震層內每根框架柱的上、下支墩之間設置一個橡膠隔震支座。各橡膠隔震支座底標高(即下支墩頂標高)相同，由于橡膠隔震支座的型號(有效直徑)不同，其高度也不同，故需根據橡膠隔震支座高度推算橡膠隔震支座頂標高(即上支墩底標高)。隔震支座上支墩、隔震支座形心和下支墩的截面形心應重合。該教學樓選用的橡膠隔震支座為LRB400支座22個、LNR400支座12個、LRB500支座12個。

橡膠隔震支座與上、下支墩的連接采用預埋螺桿套筒，在下支墩的頂面預埋螺桿套筒及鋼板，橡膠隔震支座吊裝就位后安裝固定螺栓，在橡膠隔震支座上部鋼板頂部支模板、綁扎鋼筋并預埋上支墩底部的螺桿套筒及鋼板，安裝上支墩底部的固定螺栓，然后澆筑上支墩混凝土。在結構設計時尚應說明橡膠隔震支座產品的質量外觀、力學性能、耐久性能的復試檢驗要求和橡膠隔震支座的安裝偏差要求。

5 結語

通過對某框架結構教學樓基礎隔震設計中上部結構隔震目標的確定、上部結構隔震設計參數的確定進行分析，對如何提取、運用隔震分析報告中的主要參數提供一些經驗參考，并對隔震層結構構造、隔震支座的選型與布置的重點進行剖析，為高烈度區教育、醫療類多層公共建筑的基礎隔震設計、施工提供一些經驗性的參考。