某工程基础隔震结构抗震性能分析与评价

江 泳

（福建省建设执业资格注册管理中心，福建福州350100）

某工程基础隔震结构抗震性能分析与评价

江 泳

（福建省建设执业资格注册管理中心，福建福州350100）

摘要:对隔震层位于地下室柱顶的基础隔震四层框架结构，应用有限元软件ETABS进行三维建模和时程分析，同时设计中考虑了优化隔震支座的布置减小结构扭转效应、选取较大直径的隔震支座、加强地下室独立柱的刚度和结构有一定抵抗超烈度的安全储备等措施。设计和计算结果表明:在设防烈度7度（0.15 g）中震作用下 ，水平向减震系数0.35；在7度（0.15 g）大震作用下 ，上部结构基本处于弹性；在超烈度8度（0.20 g）大震作用下 ，独立柱位移角仍然极小，楼层加速度减震效果显著，隔震层水平位移不超过限值的80%，整体结构具有较高的抗震性能。

关键词:基础隔震；地下室柱顶隔震；下部结构

建筑结构基础隔震应用形式分为隔震层设置在地下室柱顶和基础顶面两种［1-4］。当建筑设置地下室时，其隔震层通常位于地下室柱顶，地下室通常采用悬臂的独立柱结构，这样独立柱在大震下存在安全隐患 ，所以在实际工程设计计算分析中存在较多有争议的技术问题值得商榷。文献［5-9］研究认为，由于地震发生呈现随机性 ，隔震结构应有一定范围的抵抗超设防烈度安全储备。马长飞、谭平等人对考虑 P-Δ效应的柱顶隔震结构进行研究，表明了随着隔震层位移的增大，下部结构的 P-Δ效应显著增大［10］；杜永峰等人对地下室悬臂钢筋混凝土柱组成的隔震结构（串联体系）进行了研究。研究认为:常规设计的独立悬臂柱长细比小、刚度大且顶点位移量小，但在特大地震作用下，串联体系极有可能因隔震支座水平位移超过设定的限值从而导致结构垮塌［7］。

由以上文献分析可得，隔震层设置在地下室柱顶的基础隔震工程，其计算分析主要在于隔震层设计和结构在设防烈度地震作用下抗震性能分析，而在超设防烈度地震作用下的地震反应和抗震性能则不做进一步的分析研究。为此本文对某实际地下室柱顶隔震结构进行设防烈度和超设防烈度作用下的地震反应分析，为工程设计应用提出建议。

1　工程概况

工程为一栋四层幼儿园建筑，地点位于福建厦门湖里区，目前正在进行主体结构施工。层1～层3为幼儿园用房，层4为办公，层5为楼梯间，设有地下室，总建筑面积为3 871 m2。层1平面见图1，图1 中X向（东西向）长度43.20 m，Y向（南北向）长度38.80 m，建筑平面变化较不规则；建筑东西立面有收缩退台，南向立面见图2。建筑抗震设防烈度为7度（0.15 g），地震分组为第二组；场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.35 s；场地基本风压为0.8 kN/m2。

图1　层1平面图（单位:mm）

图2　建筑南向立面

混凝土框架结构 ，应用基础隔震技术设计。建筑南向的幼儿园用房主要柱网为7.2 m×7.4 m和7.2 m×5.5 m，幼儿园用房的结构抗侧力构件竖向布置见图3。按照多层民用建筑标准取荷载标准值设计。

图3　结构竖向布置（单位:mm）

使用主要材料:（1）混凝土强度等级:层2及以下为C30，其余为C25；（2）钢筋级别:梁、柱均为Ⅲ级，楼板为Ⅰ级；（3）内、外墙为厚度190 mm的轻质砌块。

主要构件尺寸:（1）隔震层顶部（±0.000 m）框架梁为400 mm×700 mm，板厚为160 mm；（2）层1～层4主要框架柱为500 mm×500 mm，框架梁为250 mm×650 mm；（3）楼屋面板厚为110 mm～120 mm。

2　隔震方案选择

2.1结构隔震方案选择

由上述工程概况可知 ，本结构的特点有:（1）建筑平立面布置的不规则使得结构扭转效应比较明显，如果建筑平面不设缝，则设计需要对结构整体刚度予以调整和加强；（2）经初算，按抗震设计的结构基本周期0.80 s刚度较大；（3）最不利处高宽比小，仅为1.16（15 m/12.9 m）；（4）多层建筑风荷载不大。以上结构特点表明本工程适合应用隔震技术，经方案比选和考虑，选择基础隔震方案。

2.2地下室主体结构选型

地下室主体结构处在隔震层下部，如果采用稳定性较好的框架柱带拉梁的平面框架，设置拉梁将会影响地下室使用。虽然独立柱结构稳定性差，但本工程地下室高度较矮，经比选和考虑采用独立柱结构［7］。根据文献［7-9］研究，设计中应尽可能加大独立柱刚度。

3　结构隔震设计与分析

3.1结构模型建立

进行隔震结构三维非线性时程分析的有限元软件众多，本文应用ETABS软件，结构强度计算和配筋则借助中国建研院结构计算软件 PMPK的SATWE模块，分析中首先对比了ETABS和SATWE这两种软件在结构动力反应上有很好的一致性。

为反映结构实际的受力情况，分别建立隔震与非隔震这两种结构模型（不包含地下室结构），软件ETABS建立的结构分析模型见图4。分析模型包括了隔震层和层1～层5结构的主要结构信息，而地下室结构采用SATWE模块完成，也即结构计算分析分成两部分来接力完成。框架梁、柱采用带有塑性铰的杆系单元模拟，楼板采用膜单元模拟。本工程隔震支座采用隔震橡胶支座，ETABS中的Isolator1单元对于两个剪切变形有耦合的塑性属性，且对其他4个变形有线性有效刚度属性，对于每一个剪切变形自由度，可以独立的指定线性或者非线性属性行为，故采用Isolator1单元来模拟隔震支座。隔震支座分为普通隔震支座（LNR）和铅心隔震支座（LRB），普通隔震支座选用线性恢复力模型，铅心隔震支座选用非线性（典型双线性）恢复力模型。

隔震支座直径的选取是考虑水平位移限值和压应力限值这两个基本条件，初算得隔震支座直径分别为400 mm、500 mm和600 mm。考虑采用较大直径的支座拟使得隔震层有较大的位移安全储备及较小的压应力值。因此经比较和多轮的优化设计，隔震支座直径确定为500 mm和600 mm两种。

铅芯支座沿建筑周边布置 ，经过多轮调整铅芯隔震支座的数量及其位置，使得隔震层刚心与上部结构的质心基本重合，要求两向偏心率小于3%［11］，明显改善了结构扭转效应。同时，铅芯支座的数量考虑需要满足隔震层抗风承载力验算以及上部结构降低烈度的要求，这样铅芯支座为24个。隔震支座布置，隔震层质心和刚心位置见图5，隔震支座规格型号及力学性能参数见表1。按照《建筑抗震设计规范》［6］（GB50011-2010）隔震支座100%和250%剪应变的参数分别对应于中震作用和大震作用。

图4　结构三维分析模型

图5　隔震层支座平面布置图（单位:mm）

3.2隔震层设计

（1）隔震支座选型和布置

表1　隔震支座规格型号及力学性能参数

（2）地下室独立柱截面尺寸设定

地下室独立柱计算高度2 500 mm，根据初步计算，满足受力要求的柱子截面尺寸只需要为450 mm ×500 mm～500 mm×550 mm，但是根据隔震支座安装需要，考虑上下连接钢板的构造要求，因此对于直径500 mm（600 mm）支座，柱子截面尺寸初定为700 mm×700 mm（800 mm×800 mm）。

3.3 地震波选取

由上述工程概况可知 ，本工程场地类别为Ⅱ类，首先选用适用于Ⅱ类场地土的两组较为通用实际记录地震波 ，分别是El Centro（NS）波和Taft（NS）波，再选取一条与工程场地地质条件相近经过合成的时程曲线（人工波）。按照《建筑抗震设计规范》［6］（GB50011-2010）检验了这三组地震波有效性 ，取其峰值（包络值）为时程分析的代表值。地震动输入采用双向输入方式 ，比例选择为1∶0.85［6］。

4　地震反应时程分析

4.1结构动力特性

对隔震与非隔震两种结构模型分别进行在7度（0.15 g）多遇（罕遇）地震作用下的时程分析，结构基本周期经模态分析得到，见表2。两向振动一阶振型均为平动。

表2　结构基本周期和阻尼比

由表2可知，在多遇地震作用下，隔震结构较非隔震结构的周期最小延长3.34倍，在罕遇地震作用下延长更多，有效避开场地的卓越周期，达到隔震设计目的。

4.2结构剪力反应

进行两种结构模型在7度（0.15 g）多遇地震作用下的时程分析 ，楼层层间剪力峰值出现在人工波的作用下，层间剪力峰值见表3。

表3　7度多遇地震下层间剪力比

由表3可知，两种结构模型的层1～层5的最大剪力比值发生在人工波作用下的层1X向（0.35），即水平向减震系数为0.35，小于0.40，减震效果显著，达到上部降低烈度设计的要求。因此，上部结构地震作用计算的水平地震影响系数最大值为0.042 （0.35×0.12），即地震作用换算烈度可为6度强。本工程偏于保守，上部结构地震作用按7度（0.10 g）计算，抗震等级不降低。

4.3结构位移反应

进行两种结构模型在7度（0.15 g）罕遇地震作用下的时程分析，层间位移角峰值出现在人工波的作用下，位移角峰值见表4。图6为Taft波作用下的结构位移时程反应。

由表4和图6可知，隔震结构层1～层5的层间位移角相差小，上部结构可视为整体水平平动，层间位移角最大值为1/530，接近弹性变形。而非隔震结构层间位移角最大值为1/93，弹塑性变形大；地下室结构接力上部的荷载计算得独立柱层间位移角最大值为1/3780，满足要求［5-6］，非隔震结构底层层间位移角为1/1113，但与层1的1/116相差悬殊，即楼层竖向刚度突变；整体结构水平变形集中于隔震层，水平位移峰值为181 mm（X向），是隔震层水平位移限值275 mm的65.8%，即小于75%［8-9］。

表4　7度罕遇地震作用下结构层间位移

4.4超烈度地震作用结构位移反应

进行两种结构模型在超烈度即8度（0.20 g）罕遇地震作用下的时程分析，层间位移角峰值出现在人工波的作用下，位移角峰值见表5。

图6　Taft波作用下结构绝对位移反应

表5　8度罕遇地震作用下结构层间位移

由表5可知，隔震结构层1～层5的层间位移角最大值为1/451，弹塑性变形小，非隔震结构层间位移角最大值为1/75，有较大弹塑性变形；底层独立柱层间位移角最大值为1/3206，非隔震结构底层层间位移角则为1/987；隔震层水平位移峰值为216 mm（Y向），是隔震层水平位移限值275 mm的78.5%。

4.5超烈度地震作用楼层加速度反应

进行两种结构模型在超烈度即8度（0.20 g）罕遇地震作用下的时程分析，楼层加速度反应峰值出现在人工波的作用下，如表6所示。

表6　8度罕遇地震作用下Y 向楼层绝对加速度

由表6可知，层1～层5的楼层加速度减震率在60.4%～89.6%，减震效果十分明显，楼层加速度峰值接近150 gal，结构抗震性态水平处于“基本运行”的状态，从性态水平来看，隔震结构的人体舒适度大为提高。但地下室为抗震结构，基本没有减震效果，有较大的加速度反应［8-9］。

5　结 语

（1）经过优化设计和超烈度地震作用的验算，表明了本隔震工程具有抵抗超烈度地震作用的能力（提高了1度）。

（2）较不规则的结构应用隔震技术能够有效减小结构的扭转效应，使得建筑平面布置更具有灵活性。

（3）选取较大直径的隔震支座，保证隔震层有足够的富余安全度 ，显著提高结构在超大地震作用下的安全性。建议在设防烈度大震作用下隔震支座水平位移不大于其水平位移限值的75%。

（4）独立柱计算简图简化为悬臂柱，加大其刚度，满足超烈度大震作用下完全弹性，建议位移角宜不小于1/1000，抗震等级提高一级，提高下部结构在超大地震作用下的安全性。

参考文献:

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［11］ 傅金华.日本抗震结构及隔震结构的设计方法［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

中图分类号:TU352.1

文献标识码:A

文章编号:1672—1144（2015）01—0046—05

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.01.010

收稿日期 :2014-10-17修稿日期:2014-11-15

基金项目 :福建省厦门市建设与管理局:实际隔震建筑的动力特性测试与研究（厦建科［2014］21号）

作者简介 :江 泳（1975—），男，福建福州人，工程硕士 ，高级工程师，主要从事结构抗震与减隔震设计工作。E-mail:563083537@qq.com

Seismic Behavior Analysis and Evaluation of the Isolation Structure of An Engineering Foundation

JIANG Yong （Registration Center of Certified Qualification for Fujian Construction，Fuzhou，Fujian 350100，China）

Abstract:Regarding to a four-floor kindergarten building with its isolation layer on top of the basement columns，a 3D model was established and the time-history analysis was conducted using the finite element software ETABS.In the design，some measures were also considered including optimizing the arrangement of isolation bearings to reduce torsional effect，selecting the the isolation bearings with larger diameter，strengthening the stiffness of basement independent columns and structures which have certain security storage for resisting ultra intensity.The design and calculation results indicate that the damping coefficient in horizontal direction is 0.35 under 7 degree（0.15 g）moderate earthquake；the upper part of the structure is elastic under 7 degree（0.15 g）strong earthquake；the independent column displacement angle is still minimum under 8 degree（0.20 g）ultra intensive earthquake，and the floor acceleration damping effect is remarkable with the horizontal displacement of the isolation layer less than 80%of the limiting value，therefore the overall structure has a high seismic performance.

Keywords:isolation structure；isolation layer on top of the basement columns；substructure