某隔震結構工程項目分析

作者簡介：何嘯（1989—），男，碩士，工程師，研究方向為多高層混凝土結構、混凝土結構抗震/隔震。

摘要：為驗證結構在隔震設計下的抗震性能的目的，本文通過介紹某學校教學樓結構隔震設計過程，對隔震結構進行設防地震分析計算及罕遇地震彈性塑性驗算，并對比分析結構隔震前后動力特性、抗震性能的差別，研究結果表明：經過以上分析論證此結構設計方案能夠保證結構隔震效果良好、抗震性能優良，能夠實現“中震不壞、大震可修、巨震不倒”的設計理念。

關鍵詞：隔震設計 抗震性能 時程計算 有限元分析

中圖分類號：TU973.31

Abstract： In order to verify the seismic performance of a structure under seismic isolation design， this paper introduces the seismic isolation design process of the teaching building structure in a school， carries out the seismic analysis and calculation of the seismic isolation structure and the elastoplastic calculation of rare earthquakes， and compares and analyzes the differences in the dynamic characteristics and the seismic performance of the structure before and after seismic isolation. The results of the study show that through the above analysis and demonstration， the design scheme of the structure can ensure that the structure has good seismic isolation effects and good seismic performance， and it can achieve the design concept of \"no damage under medium earthquakes， repairable damage under major earthquakes and no collapse under mega earthquakes\".

Key Words： Seismic isolation design; Seismic performance; Time-course calculation; Finite element analysis

我國基礎設施建設正處于高速發展時期，一座座高樓如雨后春筍般拔地而起。2008年“5.12汶川大地震”刻骨銘心的傷痛警醒著我們，科學防震減災至關重要，新建建筑的抗震性能已經成為基建工程的重中之重。依照現行規范、技術規程進行抗震設計基本能夠保證結構在罕遇地震發生時，不發生倒塌。但在設防烈度較高的地區或者重點設防類、特殊設防類建筑，遵循傳統抗震設計理念進行結構設計，會導致結構構件尺寸較大，犧牲了使用空間、影響了建筑功能，且即使建筑能夠“大震不倒”，由于結構構件損傷較大也難以修復。為更加有效地保障人民生命財產安全、提高基礎設施建設的經濟效益，國內外專家學者提出了隔震設計理念。

李志豪等人[1]在基底隔震已展現優越抗震性能的基礎上，建立了層間隔震建筑在模態坐標下的非線性運動方程，基礎等效線性化和模態疊加，給出了可預測層間隔震高層建筑地震響應的復模態反應譜分析方法。吳小賓等人[2]基于對瀘定地震中2棟隔震建筑的震害情況的調查，提出了隔震建筑設計應全專業協調，與阻尼器連接支墩需進行剪扭驗算。王朋[3]以多級設防為目標，在普通橡膠支座的基礎上設計出改進型隔震支座，數值模擬分析結果表明：改進型隔震支座在不同工況下能表現出變剛度特性，通過合理設計可以有效地解決傳統橡膠支座存在的矛盾問題。潘毅等人[4]通過對瀘定6.8級地震醫療建筑震害調查與分析，發現采用隔震技術的醫療建筑結構性能良好，且其內部非結構構件和醫療設備也基本無損傷。本文通過設防地震分析及罕遇地震彈性塑性驗算，對比兩個計算軟件（YJK、ETABS）的分析計算結果，確保本結構設計的抗震性能優良、隔震效果顯著。

1工程概況

本工程抗震設防烈度為8（0.2g），第三組，Ⅱ類場地，場地特征周期0.45 s。采用框架結構形式，樓層數為2層，建筑結構高度12 m，寬25.2 m，長44.0 m，高寬比0.48。屬于重點設防類，乙類建筑。

2 隔震結構整體設計

結構設計軟件YJK計算模型3D圖如圖1所示。YJK采用“整體分析設計法”作為結構隔震設計的方法，通過設防地震下的復振型分解反應譜法結合迭代分析確定底部剪力比。基于反應譜結果自動迭代確定隔震層的等效剛度和等效阻尼比，迭代計算中計算隔震層等效剛度和等效阻尼比的公式采用《建筑隔震設計標準》（GB/T 51408-2021）[5]中公式4.6.4-1、2。上述方法可考慮隔震支座的非線性屬性。

根據《建筑隔震設計標準》（GB/T 51408-2021）[5]第4.7.2條，隔震區域構件（對于該結構為上、下支墩）應進行罕遇地震下的承載力驗算，需滿足抗彎不屈、抗剪彈性的要求，同時考慮隔震支座大變形帶來的附加彎矩作用。YJK軟件可進行上述驗算并根據計算結果進行配筋。后續進行罕遇地震彈塑性時程分析的時候對隔震區域構件的性能狀態進行特別評估。

該結構共使用了24個隔震支座，隔震結構屈重比為0.025。

根據《建筑隔震設計標準》（ GB/T 51408-2021）[5]YJK主要計算結果如下。

（1）隔震層偏心率：X方向0.69%，Y方向1.59%，滿足《建筑隔震設計標準》（ GB/T 51408-2021）" [5]第4.6.2-4條中不宜大于3%的要求。

（2）在1.0恒載+0.5活載的荷載組合下，支座壓應力最大值為11.53MPa，小于12 MPa，滿足規范要求。

（3）隔震層抗風承載力驗算：，即1.4×656.9=919.66 kN＜6×63+12×90=1458 kN（各鉛芯支座的屈服力之和），滿足規范要求。

（4）隔震支座水平彈性恢復力驗算：F=12 400 kNgt; =1 750 kN，滿足規范要求。

3 設防地震分析

《建筑隔震設計標準》（ GB/T 51408-2021） [5]第4.2.2-1條規定：隔震結構的自振周期應根據不同地震作用烈度下的支座水平位移確定，可采用振型分解反應譜法結合迭代計算確定。通過YJK結構計算軟件，基于復振型分解反應譜法自動迭代計算，得到隔震前、后結構的自振周期，具體情況見表1。

由表1結果可知，隔震后結構周期延長約3～4倍，效果明顯，且滿足《疊層橡膠支座隔震技術規程》（CECS 126-2001）[6]中規定隔震房屋兩個方向的基本周期相差不宜超過較小值的30%的要求。由表2結果可知，隔震前后結構底部剪力比最大值為0.39，滿足《建筑隔震設計標準》（ GB/T 51408-2021）[5]第6.1.3-2條規定，隔震層以上結構可按設防烈度降低1度確定抗震措施。隔震后結構最大層間位移角為1/445（X）、1/509（Y），滿足《建筑隔震設計標準》（ GB/T 51408-2021）[5]表4.5.1條規定。

4 罕遇地震整體模型彈塑性驗算

通過有限元軟件ETABS對結構進行計算分析。ETABS計算模型3D圖如圖2所示。對比ETABS模型計算結果與YJK模型計算結果，質量差值0.2%，前三振型自振周期最大差值為2.8%。根據上述結果可知，模型二者一致。

《建筑抗震設計規范》[7]（GB50011-2010）5.1.2條規定了時程分析法及彈性時程分析中天然波及人工波的選擇要求。根據上述規范規定，本工程選取了5組天然波及2組人工波。

結構在各地震波作用下的基底剪力計算結果如表3所示。

從表3可知，所選的7組地震波與CQC法最大差異為86%，證明其滿足規范要求，對于本工程合適恰當。

ETABS有限元分析軟件采用逐步積分法（Hilber-Hughes-Taylor）進行運動微分方程求解。彈塑性時程分析過程不考慮結構的幾何非線性，只考慮材料非線性；采用小變形假定。彈塑性時程分析過程中，按7組地震波進行計算分析，取所有地震波作用下的平均值為最終結果。

根據分析結果可知：隔震層最大水平位移165 mm＜0.55D且＜3Tr≥279 mm（D為最小隔震支座直徑、Tr為最小隔震支座的橡膠層總厚度）；隔震支座最大拉應力為0.49 MPa，最大壓應力為15.77 MPa，滿足規范要求；罕遇地震下層間位移角平均值分別為1/306（X）、1/364（Y），滿足規范要求；由上部結構重力代表值計算的抗傾覆力矩與罕遇地震下傾覆力矩之比為13.34，滿足規范要求。

6結語

本文通過兩個有限元軟件，對某學校教學樓結構進行設防地震和罕遇地震下的地震反應分析。經分析可知，采用隔震設計后，結構自振周期延長約3～4倍，隔震后的結構自振周期遠離了場地特征周期，可有效減小地震效應；隔震支座的選取和布置安全合理，滿足相關規范中的相關規定，上部結構可按設防烈度降低1度確定抗震措施；根據多組地震波作用下地震效應的計算結果，驗證了隔震結構在罕遇地震作用下的抗震性能。罕遇地震下，小部分梁柱結構進入塑性狀態，大部分結構構件仍處于彈性階段，結構擁有足夠的安全度，隔震效果明顯。

參考文獻

[1] 李志豪，黃國慶，陳新中，等.層間隔震高層建筑復模態反應譜分析[J/OL].工程力學：1-11 （2023-08-29）[2023-09-21].https：//link.cnki.net/urlid/11.2595.O3.20230828.1054.006.

[2] 吳小賓，彭志楨，周定松.瀘定地震中典型隔震建筑震害分析[J/OL].建筑結構：1-9 （2023-05-29）[2023-09-21].https：//doi.org/10.19701/j.jzjg.20222480.

[3] 王朋，于彬，史慶軒，等.改進型橡膠隔震支座力學性能研究[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2023，55（2）：180-185.

[4] 潘毅，彭鑫，王騰，等.瀘定6.8級地震醫療建筑震害調查與分析[J/OL].建筑結構學報：1-21（2023-07-04） [2023-09-21].https：//doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0853.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑隔震設計標準：GB/T 51408-2021[S].北京：中國計劃出版社，2021.

[6] 廣州大學，中國建筑科學研究院.疊層橡膠支座隔震技術規程：CECS126：2001[S].北京：中國計劃出版社，2001.

[7] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑抗震設計規范：GB50011-2010（2016版）[S].北京：中國建筑工業出版社，2016.