某中学教学楼隔震设计分析

卢 成

(云南省城乡规划设计研究院 云南昆明 650228)

引 言

近年来我国西部地区地震活动的频繁，自2008年汶川地震后全国各地的建设部门均对减隔震技术的推广应用有了进一步的认识。根据《云南省人民政府办公厅关于加快推进减隔震技术发展与应用的意见》对于省内8、9度抗震设防区三层以上的中、小学校建筑应首先采用减隔震技术。隔震技术主要分为地基隔震、基础隔震和上部结构隔震等，其中基础隔震是目前工程中技术比较成熟的一种隔震技术[1]。

本文在对云南晋宁市的某一中学教学楼的上部结构设计时采用了在基顶处设置橡胶隔震支座的方法，通过时程分析法确定结构的减震系数及进行大震下抗震性能的分析，并提出对隔震层的设计要求。

1 工程概况

该工程为晋宁市的某一中学教学楼，为6层钢筋混凝土框架结构，建筑总高度23.1m，层高3.9m。依据抗震设防标准，该建筑的抗震设防类别为重点设防，抗震设防类别8度(0.2g)第三组，场地类别Ⅲ类，特征周期0.65s;基本风压0.3kN/m2。隔震层设于标高±0.000处，隔震层板厚为160mm，板筋为10@180双层双向。隔震层下支墩设置于基础上，用于安装橡胶隔震支座，基础采用经济性较好的柱下混凝土独立基础。

该教学楼建筑平面如(图1)所示，根据《建筑抗震设计规范》[2](2010版)(简称抗规)对于平面规则性的要求及《混凝土结构设计规范》[3](2010版)(简称砼规)中对混凝土结构长度及伸缩缝设置间距的要求，将平面分缝为7栋结构单体。本文仅取其中一栋结构(图1左右端部)作隔震分析，结构三维模型见(图2)。

图1 建筑平面图

图2 结构三维模型图

2 隔震结构分析

2.1 计算模型

本工程上部结构施工图采用PKPM软件设计，但由于橡胶隔震支座在模型中无法模拟，故采用ETABS软件进行补充计算。ETABS软件在非线性动力分析时可以近似的模拟橡胶隔震支座的力学性能且可以将在PKPM中建立的模型导至ETABS软件中。

由于隔震橡胶支座相对于与其连接的混凝土框架柱的抗扭刚度、抗弯刚度都非常小，为了使模型结构的受力状态接近真实状态，在非隔震结构模型的一层柱底下端设为铰接约束。

为了验证两种软件所分析模型的一致性，对非隔震结构的ETABS模型与SATWE模型在结构质量、周期和各层间的剪力进行了对比分析，结果表明其数值差距很小。

2.2 地震波的选取

本工程按场地特征周期(Tg=0.65s)共选取了5条实际强震记录和2条人工模拟加速度时程，其时程反应谱和规范反应谱曲线如(图3)所示，其平均反应谱曲线与规范反应谱曲线在结构的前3个振型的影响系数最大差值为7%，符合规范要求。按抗规，取七条时程曲线进行时程分析时计算值可取七条时程计算的平均值与规范反应谱的较大值。

图3 7条时程反应谱与规范反应谱曲线

2.3 隔震支座布置

根据《叠合橡胶支座隔震技术规程》[4]及抗规的要求，按照竖向平均压应力值，大震下的支座的拉应力值，及支座的极限水平位移等综合因素，本栋结构共使用了42个橡胶隔震支座。因本栋结构长宽比较大，为控制其扭转影响，支座均采用有铅芯隔震支座LRB500、LRB600(图4)，隔震支座平面布置见(图5)。隔震结构屈重比为0.039，支座性能参数见(表1)。

表1 隔震支座力学性能参数

图4 震安公司生产的隔震支座 图5 隔震支座布置图

2.4 减震系数计算及抗震设防烈度

本工程按设计基本加速度计算出七条地震波作用下隔震与非隔震结构的层间剪力比见(表2)，由(表2)可得到隔震结构和非隔震结构的各层层间剪力比(七条地震波的平均值)，为使本结构具有一定的安全度，最终水平向减震系数按0.4考虑，即上部结构设计时的水平地震影响系数为0.4x0.16/0.8=0.08，按抗规本工程满足上部结构烈度降一度的设计要求，但由于本建筑设防类别属于重点设防(乙类建筑)，按照《建筑工程设防分类标准》[5]乙类建筑的设防类别应提高一度，故综上原因本栋结构的设防类别仍按本地区设防8度(0.2g)进行设计。

表2 隔震与非隔震模型层间剪力比

2.5 罕遇地震分析

2.5.1 隔震层水平位移验算

本工程通过七条地震波计算分析得到隔震层最大水平位移为185mm，小于0.55×500mm=275mm(500mm为较小的隔震垫直径)，满足规范要求。为保证上部结构在地震时运动不受到阻碍，发挥隔震层的效果，上部结构均与周边室外地坪设置贯通的空隙;按抗规规定隔震结构缝宽宜大于1.2×185=222m(大于200mm)，故本工程上部与周边设300mm宽隔震沟，上部与下部结构之间设缝高为20mm(图6)，并用柔性材料填充，穿越隔震层的楼梯及管线等处均设置相应的滑动支座及软连接等构造措施。对于本工程各单体之间的缝宽，考虑结构上部位移(高度已接近24m)，因此各栋之间的隔震缝宽度取为600mm。

图6 隔震缝设置大样

2.5.2 层间位移角验算

对结构进行罕遇地震下的层间变形验算见(表3)。

表3 罕遇地震下隔震结构层间位移角

由(表3)可知采用隔震技术后隔震层以上的最大层间位移角为1/230，满足抗规及橡胶支座隔震规程对钢筋混凝土框架大震下位移角小于1/50的性能要求，表明结构在采用隔震技术后，结构的安全度有了显著的提高，抗震性能良好。

2.6 隔震支座拉应力验算

根据抗规隔震支座拉应力验算采用荷载组合:1.0×恒荷载±1.0×水平地震－0.5×竖向地震，得到罕遇地震下各个支座承受的最大拉应力，其荷载组合为:1.0D±1.0Fek－0.5×0.2(1.0D+0.5L)=0.90D－0.05L±1.00Fek，当荷载组合为:0.90D－0.05L+1.00Fek时，最大拉应力为:0.180MPa(小于1MPa)，当荷载组合为:0.90D－0.05L－1.00Fek时，最大拉应力为:0.227MPa(小于1MPa)，可见在罕遇地震作用下，隔震支座拉应力满足规范要求。

3 隔震支座的支墩设计

根据隔震支座的安装要求，上下支墩的柱截面按支座 LRB500、LRB600分别取为 700mmx700mm、800mmx800mm。由于下支墩设计时需计算在大震下隔震支座处的水平力、竖向力、及弯矩作用;为减小柱截面配筋，其高度宜取小值，本工程下支墩高度取为500mm高。同时为了便于平时隔震支座的检修，保证隔震层梁底到地面一定的净高(本工程隔震层主梁高750mm)，上支墩高度统一取为1000mm高(图7)。隔震层作为嵌固端与隔震层上一层刚度比为10.7，满足抗规对嵌固刚度比的要求。

图7 隔震层剖面示意图

4 抗风承载力验算

根据抗规本工程在风荷载作用下的总水平剪力值不宜大于结构总重力荷载值的10%，即限制隔震结构在风荷载等水平荷载作用下不会发生较大的位移，计算结果见(表4)。

表4 风荷载水平剪力验算

可见风荷载产生的总水平力值远远小于总重力值的10%，即在本地区风荷载在水平荷载中不起控制作用。

5 结语

通过时程分析计算法得到隔震结构与非隔震结构的层间剪力比值并得出结构的减震系数及其隔震后结构抗震性能的分析，可以验证在高烈度地区对于多层混凝土框架结构采用基础隔震技术减震效果良好，可以明显的减小结构的水平向地震作用，从而达到提高结构安全性的目的。

致谢:感谢云南震安减震技术有限公司为本工程设计提供的技术支持与咨询。

[1]罗迪，贾莉，安海玉，丁永军.某教学楼隔震性能设计与分析[J].建筑结构.2014.44(16):33－35.

[2]GB50011－2010，建筑抗震设计规范[S].

[3]GB50010－2010，混凝土结构设计规范[S].

[4]CECS126:2001，叠层橡胶支座隔震技术规程[S].

[5]GB 50223—2008建筑工程设防分类标准[S].