关于不规则隔震结构的建筑方案在地震作用下的讨论

张畅 张超（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

关于不规则隔震结构的建筑方案在地震作用下的讨论

张畅 张超
（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

本项目为高烈度区隔震建筑，平面尺寸为78.6 m×36.6 m，高度为15.6 m。因为体型不规则，通过设缝，分为左、中、右三个独立较规则结构。针对工程的特点、超限情况，基于性能化结构设计和建筑的使用要求，通过方案调整，在罕遇地震作用下采用ETABS软件的动力分析和弹性时程分析方法进行结构整体计算分析、稳定分析和隔震层计算，对以上分析结果中的薄弱部位及关键部位采用相应构造措施，以保证抗震性能目标的实现。结果表明优化修改后该结构体系是安全、可行的。

超限结构 隔震分析 隔震支座 方案优化

1 项目概况

本工程位于云南省昆明市寻甸县，为某学校新建教学楼项目。建筑结构高度15.6 m，平面尺寸为78.6 m×36.6 m，总建筑面积5 982.89 m2。布置有普通教室、教师办公室、开水间、卫生间等。见图1。

图1 原建筑方案

2 结构体系

工程所在地抗震设防烈度不小于9度，设计基本地震加速度峰值不小于0.40 g，设计地震分组第二组，Ⅲ类场地，场地特征周期0.55 s。结构采用框架结构形式，工程为水平倒E形状建筑，柱网尺寸约为6.6 m×7.2 m。平面内凹入面积约占楼层总面积的 21%，其中，最不利方向楼板有效宽度占楼板典型宽度方向的29.6%。结构平面属于《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010，以下简称《抗规》）表3.4.3-1中平面不规则形状建筑，同时结构平面尺寸超出 《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）8.1.1条伸缩缝最大间距较多。因为体型不规则，通过设缝分为左、中、右3个独立较规则结构单元，采取各自独立结构体系分析计算。见图2。

图2 原结构布置图

本工程属于重点设防类建筑。根据昆明市规划局、住房和城乡建设局发布的昆建通（2012）157号文件要求，工程采用隔震技术。在基础与一层楼板之间设置隔震层，隔震垫采用600、700直径的天然和铅芯橡胶支座。上部结构采用PKPM建模计算，隔震层采用ETABS进行计算分析。

根据《抗规》12.2.7条：对两相邻隔震结构，其缝宽取最大水平位移之和，且不小于400 mm。经过隔震计算，左中右三部分单体水平位移最大值分别为312 mm、316 mm、313 mm，加上梁上牛腿构造200 mm，则单体间缝宽取值为840 mm。板缝构造措施见图3。

图3 板缝构造措施图

由于缝宽较宽，已严重影响到建筑立面效果及平面使用，结合项目进行重点设防类建筑抗震设计专项审查时专家提出的审查意见，将方案进行了修改，取消单元设缝。见图4。

图4 建筑优化方案

3 结构设计与计算

采用新方案进行结构布置后，单元不设缝按整体进行计算分析。拉大了柱距，对角部及下侧两端竖向构件和外围梁进行了加强，使整体结构双方向动力特性接近，同时对转角处薄弱部位也进行加强，使计算结果能够满足规范要求。构造上通过适当加大板配筋和设置两条温度后浇带解决结构超长和裂缝问题。见图5。

图5 优化后结构布置图

分缝单元方案和优化后整体计算方案隔震层上部结构计算结果参数对照见表1和表2。

表1 结构计算结果

表2 结构计算结果对照

4 隔震分析与计算

《抗规》5.1.2条规定：采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。弹性时程分析时，每条时程计算的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱计算结果的65%，多条时程计算的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。

本工程选取了实际5条强震记录和2条人工模拟加速度时程，7条时程曲线如图6所示，7条时程反应谱和规范反应谱曲线如图7所示，基底剪力对比结果如表3所示。

图6 7条时程曲线

图7 7条时程反应谱与规范反应谱曲线

表3 非隔震结构基底剪力

表4 时程信息表

由图7可知，各时程平均反应谱与规范反应谱较接近。

《抗规》规定：多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。详细情况见表5。

表5 7 条时程反应谱与规范反应谱曲线对比表

由表5可知，采用隔震技术后，结构的周期明显延长，且满足相关规定要求。

隔震层以上结构隔震前后，结构层间剪力比值平均值的最大值为0.247，根据《抗规》第12.2.5条，确定隔震后水平地震影响系数最大值 αmax1＝βαmax/ψ=0.247×0.320/ 0.850×1.5=0.139。综合考虑后，上部结构设计隔震后水平地震影响系数最大值取0.160。

根据《抗规》12.1.3条，采用隔震的结构风荷载的产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%，本结构总重力为100192 kN，风荷载产生的总水平力为901 kN，满足要求。经过计算，隔震层最大水平位移320 mm，上部结构的周边设置了竖向隔离缝，缝宽400 mm。上部结构和下部结构之间，设置完全贯通的水平隔离缝，缝高20 mm，用柔性材料填充。

5 结 语

随着科学技术的进步，新型材料的革新，房屋的高度可以越建越高，体量模型可以越建越大，这是自然规律。用地地块形状的差异和建筑方案中的个性化设计也会出现很多不规则体型建筑。作为结构设计人员，应该综合考虑经济造价和建筑平面使用及立面效果表现的因素，不应为了追求规则抗侧力结构单元而盲目设置防震缝。对于不规则建筑，可以采取多种方式的精确计算、有效的加强措施和对薄弱部位采用相应的抗震性能化设计方法来取得满足规范、规程的结果。

工程方案目前已经通过专项审查，进入施工图设计阶段。本项目结合实际情况做了两种方案比较，用PKPM和ETBAS软件的振型分解反应谱法和弹性时程分析方法进行结构整体计算分析，并采用隔震设计以保证高烈度区下建筑抗震性能目标的实现，通过计算结果表明该结构体系安全、可行。

2016-05-17）

张畅（1980-），男，湖南长沙人，大学本科，工程师，目前从事结构设计工作。