某隔震結構教學樓動力彈塑性分析

潘 杰， 熊華章， 陳曉彬

(云南省設計院集團有限公司，云南昆明 650028)

1 工程概況

云南師范大學附屬潤城學校教學樓位于昆明市南部前衛營陳顧村一帶，教學樓建筑面積約為20 958m2，主屋面結構高度為22.5m，地上6層，其中1～5層層高均為3.9m，6層層高為3.0m；結構平面尺寸約156.5m×55.1m。抗震設防烈度為8度(0.2 g)，設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅲ類，抗震設防類別為重點設防類，結構安全等級為一級。上部主體結構根據建筑使用功能需求，采用鋼筋混凝土框架結構體系，并采用隔震設計技術，設計時單獨增設1層隔震層，隔震層層高為1.8m。基礎形式為柱下樁基承臺加防水板基礎，承臺厚度為1.2m，防水板厚度為0.4m。樁型為預應力混凝土空心方樁，樁邊長為450mm，有效樁長約24m，單樁豎向抗壓承載力特征值為1 800kN。該教學樓建筑效果圖見圖1。

圖1 教學樓建筑效果

2 隔震結構的設防目標

本工程隔震設計時主要抗震設防目標如下：

隔震層以上主體結構按本地區抗震設防烈度降低1～7度(0.10 g)進行設計；大震作用下，隔震層以上主體結構各樓層彈塑性層間位移角不大于1/100，且要求“當遭受罕遇地震影響時，不發生危及生命安全和喪失使用價值的破壞”[1]。

3 隔震支座布置方案及性能參數

針對結構平面形狀不規則，設計時將鉛芯隔震支座布置在結構周邊，以減小扭轉效應、提高耗能效率。

設計時選用了天然橡膠支座(LNR)和鉛芯橡膠支座(LRB)，根據以上原則共布置169個隔震支座，其中LRB500: 57個，LRB600: 92個，LRB700: 11個，LNR500: 9個。隔震結構三維模型及隔震支座平面布置簡圖詳見圖2、圖3，隔震支座力學性能參數詳見表1。本工程隔震結構的屈重比為0.026。

圖2 隔震結構三維模型

圖3 隔震支座平面布置

4 地震波的輸入

本工程按GB50011-2010(2016年版)《建筑抗震設計規范》[1]5.1.2-3條要求共選七條地震波，其中2條人工波(REN1、REN2)和5條天然波(TR1、HOL、SAN、TRZ371、BVC)；要求每條時程曲線計算所得結構底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65 %，但不大于振型分解反應譜法計算結果的135 %；多條時程曲線計算所得結果底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80 %，但不大于振型分解反應譜法計算結果的120 %；且要求多組時程波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所用的地

表1 隔震支座力學性能參數

震影響系數曲線相比，在對應于結構主要振型的周期點上相差不大于20 %。加速度時程的最大值按設防基本地震加速度輸入。

5 隔震結構分析計算

隔震前、隔震后結構主要振型、周期詳見表2。

表2 隔震前、后結構主要周期及振型

本工程隔震結構兩個方向基本周期相差不超過CECS126:2001《疊層橡膠支座隔震技術規程》[2]規定的較小值基本周期的30 %。

同時由表2可知采用隔震技術后，結構的周期明顯延長，隔震結構的自振周期約為非隔震結構的2.3倍，對應反應譜曲線中的水平地震影響系數顯著減小，達到了降低地震作用的效果，且兩個方向的基本周期相差很小，表明隔震支座布置較合理，剛度分布均勻。隔震層以上主體結構按本地區設防烈度降低1度(7度0.10 g)進行抗震設計，不再贅述。

6 大震下彈塑性動力時程分析

6.1 模型建立及地震動輸入

利用ETABS2016軟件采用上述七條地震波中的TR1、HOL及REN1三條地震波，對隔震結構模型進行彈塑性動力時程分析，地震加速度時程的最大值取值為400cm/s2。彈塑性時程分析過程中考慮材料非線性，定義集中塑性鉸，鉸屬性采用程序默認鉸屬性。非線性時程分析方法采用程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步直接積分法[3]。

6.2 彈塑性動力時程分析計算結果

上述三條地震波罕遇地震作用下，主體結構X向及Y向最大彈塑性層間位移角包絡值分別為1/153及1/138，滿足預期設防目標要求。

6.3 塑性鉸分布及結構耗能分配

為能夠全面反映整個動力分析過程中結構彈塑性的發展情況，現以TR1地震波X向及Y向地震作用下整體結構的計算結果為例，其整個動力彈塑性時程分析持續40s，在40s時的結構塑性鉸分布情況，具體詳見圖4～圖7中所示；同時輸出TR1地震波X向及Y向罕遇地震作用下，整體結構的能量耗散分布圖，具體詳見圖8、圖9中所示。

圖4 X向大震作用下40s時整體結構塑性鉸分布

圖5 X向大震作用下40s時結構塑性鉸屈服程度

圖6 Y向大震作用下40s時整體結構塑性鉸分布

由圖4～圖7可看出，X向、Y向罕遇地震作用下部分樓層的梁端、柱端出現塑性鉸，且多數塑性鉸處于生命安全(LS)[3]

圖7 Y向大震作用下40s時結構塑性鉸屈服程度

圖8 TR1地震波X向大震作用下結構能量耗散分配

圖9 TR1地震波Y向大震作用下結構能量耗散分配

狀態下,整體結構基本達到了大震下不發生危及生命安全和喪失使用功能破壞的設防目標要求，體現了隔震結構的良好隔震效果和優越性。同時由圖8、圖9可看出，隔震墊耗能占總地震輸入能量的比例較高，表明在罕遇地震作用下隔震墊的耗能減震作用顯著。

7 結論

本工程采用隔震技術后，延長了結構自振周期、增大結構阻尼，通過隔震層的水平變形消耗地震能量，有效降低上部結構地震反應，罕遇地震作用下多數塑性鉸處于生命安全(LS)[3]狀態，顯著提高了主體結構的抗震性能。