□□ 張 強(qiáng)

(甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

引言

教育建筑是人們?yōu)榱诉_(dá)到特定的教育目的而興建的教育活動(dòng)場所。隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的提高，社會(huì)對(duì)未成年人(中、小學(xué)生和幼兒等)教育活動(dòng)場所在地震發(fā)生時(shí)的保護(hù)措施日益加強(qiáng)[1]，對(duì)此類建筑的抗震設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)是在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置由橡膠支座和阻尼器組成的隔震層，把建筑物上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)分離開，以改變結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)特性，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的自振周期延長、阻尼增大，通過隔震層的水平大變形消耗掉大部分地震能量，有效降低地震引起的上部結(jié)構(gòu)作用，減小層間剪力及相應(yīng)的剪切變形，達(dá)到防震要求[2]。在經(jīng)過了汶川、蘆山等地震后，隔震建筑產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，保障了人民生命財(cái)產(chǎn)安全。甘建設(shè)〔2014〕260號(hào)文件規(guī)定，對(duì)甘肅省位于抗震設(shè)防烈度8度及以上的地震高烈度地區(qū)及地震災(zāi)后重建的4～12層學(xué)校教學(xué)樓、學(xué)生宿舍、醫(yī)院醫(yī)療用房、幼兒園等人員密集公共建筑，必須采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本文基于抗震設(shè)防烈度為8度的某4層小學(xué)教學(xué)樓建筑，采用分部設(shè)計(jì)方法進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)，研究了采用隔震技術(shù)后建筑的抗震性能。

1 工程概況

該工程為武威市涼州區(qū)某小學(xué)教學(xué)樓。共包括教學(xué)樓A、教學(xué)樓B及主席臺(tái)3個(gè)單體結(jié)構(gòu)，其中教學(xué)樓B為“T”字型，體型最為復(fù)雜，本文主要介紹該單體結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)。

教學(xué)樓B主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架，主要構(gòu)件截面尺寸如下：框架柱為600×600，框架梁為300×750、300×700、300×500，次梁尺寸為250×600、200×400。其基本概況見表1，建筑效果圖如圖1所示。

表1 教學(xué)樓B概況表

圖1 建筑效果圖

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

2 隔震設(shè)計(jì)的可行性分析及目的

該工程結(jié)構(gòu)高寬比為0.44，建筑最大高度為16.20 m，其變形特征為剪切變形。建筑場地為Ⅱ類，采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，為保證其具有較好的穩(wěn)定性，在獨(dú)立基礎(chǔ)頂面(隔震層底面標(biāo)高)設(shè)置基礎(chǔ)拉梁。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值見表3，兩個(gè)方向最大為1 795 kN，小于總重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值的10%。該工程±0標(biāo)高地面以下有條件設(shè)置便于檢修的隔震層，兼做管道層；建筑布置和管線布置可適應(yīng)隔震層的罕遇地震水平位移。以上條件均符合GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)[3](以下簡稱“GB 50011—2010”)第12.1.3條對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的基本要求。因而該工程適宜采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)來減小上部結(jié)構(gòu)水平地震作用。擬使上部結(jié)構(gòu)水平地震影響系數(shù)在隔震后減小為規(guī)范數(shù)值的50%。

表3 隔震結(jié)構(gòu)抗風(fēng)驗(yàn)算

3 隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 隔震支座布置及性能參數(shù)

該工程為重點(diǎn)設(shè)防類建筑，GB 50011—2010規(guī)定在重力荷載代表值下，此類建筑橡膠隔震支座的最大豎向壓應(yīng)力為12 MPa。依據(jù)此規(guī)定，初步布置該工程隔震支座如圖2所示，采用1柱1支座或1柱2支座，支座均采用有鉛芯的橡膠支座(LRB)。各型號(hào)隔震支座技術(shù)參數(shù)見表4。

圖2 隔震支座布置圖

表4 隔震支座技術(shù)能參數(shù)

3.2 隔震層的偏心率計(jì)算

保證隔震結(jié)構(gòu)的偏心率是隔震層設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要控制指標(biāo)，隔震支座的剛度中心與上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心應(yīng)盡量重合，否則結(jié)構(gòu)容易在地震作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。根據(jù)DB62/T 25-3121—2016《混凝土建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震技術(shù)規(guī)程》[4]第3.2.2條及條文說明的規(guī)定，隔震層在X向和Y向的偏心率均≯3%。隔震層偏心率計(jì)算步驟見式(1)～(6)：

重心：

(1)

剛心：

(2)

偏心距：

ex=|Yg-Yk|,ey=|Xg-Xk|

(3)

扭轉(zhuǎn)剛度：

Kt=∑[Kex,i(Yi-Yk)2+Key,i(Xi-Xk)2]

(4)

回轉(zhuǎn)半徑：

(5)

偏心率：

(6)

式中，Nl,i——第i個(gè)隔震支座承受的長期軸壓荷載；

Xi,Yi——第i個(gè)隔震支座中心位置坐標(biāo)；

Kex,i,Key,i——第i個(gè)隔震支座等效水平剪切剛度。

該工程隔震層偏心率計(jì)算結(jié)果詳見表5。計(jì)算時(shí)，Kex,i,Key,i取100%水平性能下支座等效水平剪切剛度。通過計(jì)算，X、Y兩個(gè)方向的偏心率分別為0.1%和1.88%，均<3%，滿足規(guī)范要求。

表5 隔震結(jié)構(gòu)的偏心率

3.3 隔震層屈服系數(shù)

隔震層屈服系數(shù)是隔震層屈服力與上層結(jié)構(gòu)重力荷載代表值的比值，其值宜控制在2.0%～4.0%。該工程隔震層屈服系數(shù)為2.64%。

3.4 計(jì)算模型

采用Computers and Structures,Inc.CSI公司的ETABS軟件進(jìn)行計(jì)算分析。其中結(jié)構(gòu)地震作用計(jì)算采用動(dòng)力時(shí)程分析方法，非隔震結(jié)構(gòu)采用振型分解法，隔震結(jié)構(gòu)采用考慮邊界非線性的FNA法。靜力荷載工況采用靜力彈性分析方法。隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)均采用空間有限元模型，差別僅在于隔震模型在支座處設(shè)置隔震單元，計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型

為區(qū)別模擬隔震支座的拉壓剛度，計(jì)算時(shí)橡膠隔震支座采用軟件提供的非線性隔震支座連接單元Rubber Isolator和縫單元Gap共同模擬。其中Isolator單元是一個(gè)雙軸的滯后隔震器。其雙軸剪切變形的滯后隔震屬性如圖4所示。Gap單元為只能承受壓力的非線性連接單元[5]。Gap單元豎向剛度取(1～1/10)K1，Isolator單元的豎向剛度取(1/10)K1(K1為隔震支座豎向剛度)。

圖4 雙軸剪切變形的滯后隔震屬性

3.5 地震波選擇

根據(jù)規(guī)范要求及建筑自振周期和場地特點(diǎn)，計(jì)算時(shí)選取5條天然波(Big Bear-01_NO_907、Chi-Chi,Taiwan-02_NO_2166、Coalinga-01_NO_351、Loma Prieta_NO_743、San Fernando_NO_67)和2條人工波(ArtWave-RH1TG045、ArtWave-RH2TG045)。各組地震波對(duì)應(yīng)反應(yīng)譜與規(guī)范譜對(duì)比如圖5所示。由圖可見，所選7組地震波的反應(yīng)譜與規(guī)范譜在主要周期點(diǎn)上基本符合“統(tǒng)計(jì)意義上相符”。非隔震結(jié)構(gòu)在多遇地震下，基底剪力校核見表6和表7，由表可知地震波的選取滿足規(guī)范要求。

表6 非隔震結(jié)構(gòu)時(shí)程分析和反應(yīng)譜基底剪力校核(X向)

表7 非隔震結(jié)構(gòu)時(shí)程分析和反應(yīng)譜基底剪力校核(Y向)

圖5 地震波反應(yīng)譜與規(guī)范普對(duì)比圖

4 隔震結(jié)果分析

4.1 基本自振周期對(duì)比

經(jīng)過模態(tài)分析，設(shè)防地震作用下，隔震前與隔震后結(jié)構(gòu)的周期對(duì)比見表8。由表可知，采用隔震技術(shù)后，該工程X、Y兩個(gè)方向的基本周期基本相同，表明隔震層兩個(gè)方向剛度分布均勻，隔震支座布置合理。隔震后周期為隔震前周期的3.17～3.23倍，結(jié)構(gòu)的周期明顯延長，有效降低了結(jié)構(gòu)水平地震響應(yīng)。

表8 非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)自振特性的對(duì)比

4.2 水平向減震系數(shù)

設(shè)防地震下，隔震前與隔震后7組地震波時(shí)程分析計(jì)算所得樓層平均剪力詳表9和表10。由表中數(shù)值計(jì)算的X向水平減震系數(shù)為0.267，Y向水平減震系數(shù)為0.307。隔震后水平地震影響系數(shù)αmax可取0.08。根據(jù)GB 50011—2010 12.2.5條及條文說明，因該工程為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，水平減震系數(shù)<0.4時(shí)，上部結(jié)構(gòu)可按8度采取抗震措施，但與抵抗豎向地震作用有關(guān)的抗震構(gòu)造措施不降低。

表9 X向樓層時(shí)程剪力

表10 Y向樓層時(shí)程剪力

4.3 罕遇地震作用下支座變形及拉壓應(yīng)力

罕遇地震作用下，各類型支座在重力荷載代表值與7組地震時(shí)程響應(yīng)平均值的組合下的位移見表11。根據(jù)GB 50011—2010第12.2.6條要求，罕遇地震作用下隔震支座考慮扭轉(zhuǎn)的水平位移應(yīng)小于隔震支座有效直徑的0.55倍和支座內(nèi)部橡膠總厚度3.0倍二者的較小值，由表11可知，各支座位移均滿足規(guī)范要求。

各類型支座在重力荷載代表值與7組地震時(shí)程響應(yīng)平均值的組合下其拉壓應(yīng)力見表12。由表可知支座拉應(yīng)力最大值為0.7 MPa，小于規(guī)范要求1.0 MPa，說明結(jié)構(gòu)質(zhì)心和剛心相距較小，沒有發(fā)生傾覆的趨勢；支座壓應(yīng)力最大值為14 MPa，遠(yuǎn)小于GB 50011—2010第12.2.4條要求的30 MPa，說明該工程的隔震支座布置合理，安全性較好。

表12 罕遇地震下支座拉壓應(yīng)力

4.4 隔震層抗風(fēng)承載力驗(yàn)算

隔震層應(yīng)具有滿足風(fēng)荷載和其他微小水平力下正常使用的初始剛度和屈服承載力，根據(jù)CECS 126—2001《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》[6]第

4.3.4條，隔震支座的水平屈服荷載設(shè)計(jì)值應(yīng)大于風(fēng)荷載作用下隔震層的水平剪力設(shè)計(jì)值。該工程隔震層抗風(fēng)承載力驗(yàn)算見表13，由表可知，隔震層剛度和屈服荷載能夠滿足規(guī)范要求。

表13 隔震層抗風(fēng)承載力驗(yàn)算

5 結(jié)語

結(jié)構(gòu)采用基礎(chǔ)隔震后，結(jié)構(gòu)自振周期延長3倍以上，結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)明顯降低，其中X向樓層剪力降低73.3%，Y向樓層剪力降低69.3%。該工程隔震后上部水平地震作用可降低1度。在罕遇地震作用下支座拉應(yīng)力最大值<1.0 MPa，說明結(jié)構(gòu)質(zhì)心和剛心相距較小，沒有發(fā)生傾覆的趨勢；支座壓應(yīng)力最大值為14 MPa，遠(yuǎn)<30 MPa，該工程的隔震支座布置合理，安全性較好。