體育館結構隔震設計方法應用研究

盧炳斗 （合肥工業大學設計院（集團）有限公司，安徽 合肥 230009）

近年來，我國采用了抗震新技術—減震隔震技術的工程經受了汶川、蘆山等地震考驗，保障了人民生命財產安全。實踐證明，減震隔震等抗震新技術不僅能有效減輕地震作用、提升工程抗震能力，還能有效地減小房屋建筑的層間變形，保護建筑裝飾裝修和室內儀器設備。該項新技術在國內部分城市已經成功應用，取得了較好的經濟效益和社會效益。

某中學體育教學和籃球訓練館如圖1所示，建筑面積12028m（其中地上8007m，地下為4021m），地上共2層，地下1層，建筑高度為22.55m，室內外高差為1.85m。

圖1 建筑整體立面效果

結構設計使用年限為50 a，建筑結構安全等級為二級，抗震設防類別為重點設防類（乙類），抗震設防烈度按8度（0.2g）設防，設計地震分組為第一組，特征周期為0.35s。主體結構為鋼筋混凝土框架隔震結構，隔震層設置在地下室層，隔震支座設置在地下室柱頂，屋蓋采用雙向空間管桁架結構，結構三維計算模型以及隔震層位置示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 結構三維計算模型

圖3 隔震層位置示意圖

1 采用隔震結構技術的可行性

工程抗震設防烈度較高，按國家抗震搶險救災的經驗，體育館在平時不僅作為教學訓練的場所，在重大災害發生時還承擔著安置災民和存放重要物資的戰略安全島的作用。

工程體型基本規則，建筑平面尺寸為 81.0m×51.6m，高寬比為0.44，遠遠小于規范4.0的限值；工程場地條件較好，屬于Ⅱ類場地，基礎采用柱下獨立基礎+肋梁防水板，整體性能好，能夠確保基礎的整體穩定性；基本風壓為0.35kN/㎡，風荷載產生的水平荷載標準值為1 048kN，占結構總重力的0.9%，小于規范10%的限值要求，能保證隔震建筑的使用舒適性；且上部結構的質量和剛度分布比較均勻。因此，本工程采用隔震技術具備現實需要和技術可行的。

2 隔震支座選擇及平面布置

根據目前較常采用的隔震支座類型，本工程選用普通疊層支座和鉛心疊層橡膠支座作為隔震裝置。

隔震支座的選擇主要考慮以下幾個方面的因素：①隔震層的水平位移限值由隔震支座的位移限值決定，因此宜采用相對較大直徑的支座，一般不宜小于直徑400㎜；②隔震支座的直徑種類不宜太多，以有利于協調各支座的側向變形，充分發揮隔震層的減震能力；③根據GB 50011-2010第12.2.3條，乙類建筑在重力荷載代表值作用下，上部結構各柱傳遞給橡膠隔震支座的豎向壓應力不應大于 12.0MPa；綜合以上因素，計算在重力荷載代表值作用下的柱底內力，初步選定天然橡膠隔震支座的直徑為LNR400，LNR500兩種。

隔震支座是否帶鉛芯主要考慮兩個方面：①本工程不設置其他的抗風裝置，隔震層的偏心調整主要由鉛芯支座來承擔；②加設鉛芯可有效控制隔震層的位移，增強結構的抗扭剛度，為結構提供更有效的耗能能力。

根據GB 50011-2010第12.2.3條、12.2.4條，隔震支座的極限水平變位應大于其有效直徑的0.55倍和支座內部橡膠總厚度3倍兩者的較大值，隔震支座的拉應力不應大于1MPa，對于以上2個指標的把握，將在罕遇地震作用下進行驗算。

基于以上因素的考慮，為了得到更好的隔震效果，工程采用天然橡膠支座和鉛芯橡膠支座組合使用，選擇2種帶鉛心的隔震支座，分別為LRB600和LRB700兩種，將其布置在平面的周邊、角部和荷載較大的柱底，隔震支座布置平面如圖4所示。

圖4 隔震支座平面布置圖

圖4中每個柱腳旁上方標注數字為節點編號，中間的代號為支座型號（N4表示 LNR400，N5表示LNR500，B6表示LRB600，B7表示LRB700），下方數字為每個支座承擔的重力荷載代表值（單位：kN）。

計算得到，在重力荷載代表值作用下，支座應力在 7.00～11.3MPa 之間，小于規范要求的12MPa；隔震支座在罕遇地震作用下的位移如圖5所示，圖5中單位為mm。隔震支座最大位移限值見表1所列，由圖5可見，各隔震支座位移均滿足規范要求。

圖5 罕遇地震作用下隔震支座位移（mm）

隔震支座最大位移限值(mm) 表1

3 隔震結構分析

根據《建筑抗震規范》（GB 50011-2010）第 12.2.2 條要求，采用較為精確的時程分析法進行計算，工程選用盈建科（YJK）整體分析軟件進行計算。YJK的非線性時程分析功能提供了橡膠隔震單元（Rubber Isolator），隔震單元的兩個剪切自由度具有二軸塑性的相關特性，其余四個自由度具有線性彈性特性。對于每個剪切變形自由度，用戶可獨立地指定線性或非線性的屬性。

選取的地震波信息 表2

隔震與非隔震的各層層間剪力 表3

《疊層橡膠支座隔震技術規程》（CECS126:2001）中規定，當采用時程分析時選用的地震波應滿足下列要求：對甲、乙類建筑應選用符合工程地震和場地特性的人工模擬地震加速度時程曲線及實際強震記錄的地震波數不宜少于4條，其中至少有1條人工模擬地震加速度時程曲線。選取的各條地震波信息見表2。當采用時程分析法時按設計基本地震加速度（中震）輸入進行計算，表3中給出了隔震與非隔震結構在所選四條地震波下的中震時程分析的結果。由表3可知，X方向層間最大剪力比為0.359，Y方向層間最大剪力比為0.386，按《建筑抗震設計規范》（GB5001-2010）第12.2.5.2條的規定，可近似取水平減震系數為β=0.39。與目標水平減震系數（β=0.40）接近。

由以上計算結果可知，結構層間剪力大大降低，最大層間減震系數為0.39（小于0.40），滿足減震目標，因此采用隔震技術可將上部結構水平地震作用所對應烈度和結構抗震措施對應烈度均降低一度，即上部結構地震作用可按照7度（0.10g）進行設計。

4 結語

①采用隔震技術后，結構的周期延長了2.3倍，地震作用大為減小；隔震后，結構的水平位移集中在隔震層，基底剪力、層間位移角大大減小。

②隔震結構按設計基本地震加速度計算的層間剪力比值為 0.27＜0.39＜0.40，因此，上部結構的地震響應大大降低，結構的抗震性能得到很好的改善。

③隔震后水平地震作用計算的水平地震影響系數按（《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）12.2.5）中 的 公 式α=βα/ψ計算得出為0.078，大大降低了上部結構的水平地震輸入，進而降低了上部結構抗震構造措施，取得了較好的社會經濟效益，成為結構意義上了“綠色建筑”。