隔震橡膠支座在砌體結構抗震加固中的應用

張 濤，王志明，朱國鋒

(1.南京金宇建筑設計有限公司,江蘇 南京 211119; 2.典筑設計集團有限公司,江蘇 南京 210004; 3.江蘇文博建筑設計有限公司,江蘇 丹陽 212322)

0 引言

自2021年9月1日起施行的《建設工程抗震管理條例》[1]第二十一條規定：位于高烈度設防地區、地震重點監視防御區的學校、幼兒園、醫院、養老機構、兒童福利機構、應急指揮中心、應急避難場所、廣播電視等已經建成的建筑進行抗震加固時,應當經充分論證后采用隔震減震等技術,保證其抗震性能符合抗震設防強制性標準。隔震技術在加固改造工程中的應用改變了結構設計人員對抗震設計的概念,提高了建筑的抗震性能。

1 概述

砌體結構側向剛度較大,延性較差,在地震作用下,底部墻體經常出現脆性破壞。本工程在首層地下位置設置了隔震層,采用橡膠隔震支座在隔震層處將建筑物分為上下兩個部分。地震作用時,橡膠支座可以延長上部結構的自振周期,減少了上部結構的水平地震作用。因此,在砌體結構抗震中采用橡膠支座,可以讓上部結構更容易滿足抗震要求,特別是遇到需要提高抗震設防要求的砌體結構。

2 工程概況

本工程為五層砌體結構,建造于20世紀80年代,設防烈度為7度,設防類別為丙類,場地類別為Ⅲ類。該建筑自竣工以來,一直作為某單位的辦公大樓使用,期間未進行過建筑使用功能的改變及結構構件的拆改。建筑標準層平面圖如圖1所示。

3 結構安全性及抗震鑒定

為了解該建筑目前的結構安全狀況,進行了結構安全性[2]及抗震鑒定[3],主要鑒定結論如下：

1)經現場檢測,該建筑物基礎未出現不均勻沉降現象,梁、墻、板等受力構件未見受力變形及裂縫。

2)該建筑抗震措施不滿足抗震設防丙類建筑要求。

3)該建筑物綜合抗震能力指數大于1,滿足抗震設防丙類建筑的鑒定要求。

4)綜上所述,根據該建筑材料強度、結構體系、抗震措施及驗算結果,對該建筑安全性進行鑒定評級,該建筑為A類建筑,安全性鑒定等級為Csu級。

4 建筑功能調整

因建設方對建筑使用的功能的要求,現將一層—三層辦公室改為幼兒園教室,樓面活荷載[4]為2.0 kN/m2;四、五層作為老師辦公室,樓面活荷載[5]為2.5 kN/m2。總體來講,本次建筑功能的調整將該建筑由丙類設防提高為乙類,辦公室樓面荷載略有增加。

5 砌體結構改造加固設計方案的確定

依據《既有建筑鑒定與加固通用規范》及該建筑的鑒定報告,該建筑為A類建筑,后續工作年限為30 a,可執行原設計時的可靠性標準[6-7]。經驗算,該建筑承載力滿足要求,上部結構抗震構造措施不滿足規范要求。若提高抗震設防類別,抗震構造措施的要求將會更加嚴格,這會帶來加固設計上的困難及加固費用的增加。綜合考慮采用橡膠支座的隔震技術進行加固,分別按非隔震及隔震結構進行建模計算。通過計算分析,非隔震模型計算結果見表1,滿足《疊層橡膠支座隔震技術規程》[8]4.1條設置橡膠支座的條件。該建筑采用在一層以下設置隔震層,上部結構抗震措施不再提高,即按丙類設防的加固方案。

表1 非隔震模型計算結果

6 砌體結構隔震層設計

6.1 隔震層的設置

隔震層設置在室外地面以下,基礎頂面以上的空間范圍內。隔震層采用梁板結構,樓板厚160 mm,上部墻體采用混凝土雙夾梁托換,雙夾梁兼做隔震層的結構梁及隔震支墩[9],外墻隔震支座剖面圖如圖2所示。

6.2 橡膠隔震支座的選擇

隔震常用的橡膠支座為LRB支座(鉛芯橡膠支座)和LNB支座(天然橡膠支座)(見圖3,圖4),由支座的滯回模型(如圖5,圖6所示)可以看出,LNB支座以剪切變形為主,LRB支座除剪切變形外尚有豎向剛度,能夠承擔結構豎向荷載。

本項目選用的橡膠支座性能指標見表2。

6.3 橡膠隔震支座的布置及計算

按照《疊層橡膠支座隔震技術規程》4.3.1條,橡膠隔震支座的布置要求,在建筑四周及樓梯間等荷載較大的縱橫墻交接處布置LRB支座,其余縱橫墻交接處布置LNB支座,采用PKPM減隔震模塊進行試算。根據計算結果調整隔震支座的平面布置,直至滿足規范要求。根據最終的計算結果,隔震支座平面布置圖如圖7所示。

表2 非隔震模型計算結果

采用震型反應譜法的隔震計算結果見表3,表4：在設防烈度地震作用下,隔震層剛心與質心偏心率小于3.0%,抗傾覆安全系數大于1.2,滿足規范要求。

表3 隔震層偏心率

隔震橡膠支座第二形狀系數為5.4>5,在重力荷載代表值作用下,豎向最大壓應力出現在樓梯間外墻處,最大值為10.02 MPa<12 MPa;在地震作用下最大水平位移出現在外墻轉角處,最大值為51.28 mm<220 mm,橡膠支座壓應力和位移均滿足規范要求。

表4 罕遇地震下隔震結構整體抗傾覆驗算

由以上計算的數據可知,該建筑的隔震橡膠支座選型合適,支座平面布置合理可行。

7 對比改造加固前后計算結果

分別建立隔震模型和非隔震模型,采用PKPM軟件計算后,將計算結果的數據整理分析,對比隔震前后計算數據的變化,見表5—表7。

表5 非隔震與隔震結構模型的周期

表6 非隔震與隔震結構模型的層間剪力比

表7 非隔震與隔震結構模型的層間傾覆力矩比

通過對隔震和非隔震模型計算數據的對比,可以看出,砌體結構采取隔震設計以后底部剪力約為非隔震設計底部剪力的0.4倍～0.47倍,底部傾覆力矩約為非隔震設計的0.37倍。可見,橡膠支座隔震設計可以有效減小地震對隔震層以上結構的作用。

8 隔震加固設計注意事項

橡膠支座的隔震設計首先要確定建筑是否滿足適用條件。同時,平時要多收集橡膠支座廠家的資料信息,獲取常用橡膠支座的基本參數。設計時綜合考慮設計、施工、造價等多種因素,與建設方協商選擇合適的橡膠支座。

9 結論

本次設計的改造項目采用隔震橡膠支座,可以有效減小基礎以上結構的地震作用。既滿足了使用功能的改變,又減小了上部結構的加固量。可見,在砌體結構改造加固中,通過設置隔震層、合理布置橡膠支座,能夠滿足相關規范的要求。其中最主要的原因是,地震時,橡膠支座可以產生較大的水平位移,延長了上部結構的基本周期,減小了上部結構的地震效應,從而實現“小震不壞,中震可修,大震不倒”[10]的抗震設防目標。