唐山市某办公楼基础隔震研究
2018-12-28刘学敏钱浩然
刘学敏 钱浩然
(山西工程技术学院土木与建筑工程系,山西 阳泉 045000)
1 概述
建筑结构隔震技术的发展始于20世纪60年代,多年来,世界各国对此项技术开展了广泛深入的研究,并取得了引人瞩目的成果[1]。橡胶隔震支座是世界上普遍采用,技术成熟的隔震装置。本文结合工程实际,对唐山某运动器械办公楼进行了系统的隔震分析,内容包括设防地震和罕遇地震下隔震与非隔震上部结构的地震响应,并对结构的振动周期、层间剪力、隔震支座变形、支座耗能等进行了分析。
2 工程概况
本工程为框架结构办公楼,总层数为6层,首层层高4.5 m,其余层层高3.9 m,为平面布置不规则结构,其抗震设防烈度为8度,设计基本加速度为0.2g,工程场地类别为Ⅲ类,设计地震分组为一组,抗震设防类别为丙类,其结构有限元模型如图1所示。
隔震建筑的设防目标即要达到“小震不坏、中震不坏或轻微破坏、大震不丧失使用功能或可修”。初步确定本工程隔震目标,为设防地震时上部结构水平地震作用降低1度,在罕遇地震作用下可以减少构件塑性损伤,确保结构与人员安全[3]。
3 隔震分析
3.1 隔震支座布置
该办公楼无地下室,需要在柱底设置隔震层,隔震层高为1.6 m。要求隔震层刚度中心宜与上部结构刚度中心重合,丙类建筑的橡胶隔震支座在重力荷载代表值的竖向压应力不应超过15 MPa[2]。最后确定采用铅芯橡胶支座(LRB400,LRB500)和天然橡胶隔震支座(RRB400,RRB500)共29个,为了减少结构的扭转变形和水平位移,铅芯橡胶支座布置在结构平面的四周[3],见图2。隔震支座参数如表1所示。
3.2 地震波选取
根据本地区所处场地类别和设计地震分组选择了两条天然波和一条人工波,其中一条天然波选用了适合三、四类场地,持续时间为19.19 s的南北向天津波,另一条为适合三类场地,持续时间为54 s的南北向EL-centro波,人工波通过标准反应谱生成。时程分析的结果取3条地震波反应的包络值,见表2。
表1 隔震支座参数表
表2 地震作用基底剪力表
3.3 隔震结构动力特性
框架结构在柱底设置隔震支座后,结构成为具有较大变形能力延性抗震结构体系。在多遇地震下,橡胶支座具有足够的水平刚度抵抗上部结构水平力,使结构产生较小的变形;在设防地震和罕遇地震下结构具有适当的刚度和变形能力,延长结构的固有自振周期,同时避开所在场地的特征周期,大大减弱了隔震层以上结构的水平地震作用,见表3,表4。
表3 结构前三阶自振周期表
表4 设防地震作用下的楼层剪力表
上部结构的水平向减震系数为0.217,根据《建筑抗震设计规范》条文说明12.2.5中表7可知,隔震后该结构水平地震作用所对应的烈度可降低1度按7度(0.10g)进行计算,达到了预定目标。此外隔震层以上结构的总水平地震作用不得低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用。
3.4 罕遇地震隔震层校核
罕遇地震作用下,铅芯橡胶隔震支座取250%水平剪切变形时的等效刚度,时程分析所采用的地震加速度时程最大值为400 cm/s。隔震支座最大水平位移取三条地震波时程分析的包络值,且该值不应超过有效直径的0.55倍和橡胶层总厚度3倍二者的最小值。从表5中可以看出隔震支座最大水平位移均小于其允许的极限位移值,满足规范要求。
为了较直观地看橡胶隔震支座在大震下的耗能情况,以铅芯橡胶支座HRB500为例,天津波作用下的滞回曲线,可以看出铅芯橡胶支座在大震下的滞回曲线比较饱满,隔震支座耗能性能良好,见图3,图4。
表5 隔震支座最大水平位移 mm
4 结语
采用基础隔震技术后,上部结构的设防水准一般可降低1度,可减少一些结构的构造措施,及一些结构构件的尺寸或配筋,从而使上部结构能节约部分工程造价:1)本工程采用橡胶隔震支座后,结构前三阶振动周期得到明显延长,隔震后第一阶自振周期为隔震前的2.7倍,这有效避开了地震波中的高频成分,从而大大减小了地震响应。2)设置橡胶隔震支座后,结构的水平变形主要集中隔震层,上部结构变形很小,上部结构的地震响应被大大减小,类似于整体平动,上部结构的水平向减震系数为0.217,相应的设防烈度可按降低1度计算。3)在罕遇地震作用下,隔震支座最大水平位移值均小于支座有效直径的0.55倍和橡胶层总厚度3倍二者的较小值,且支座的滞回曲线较饱满耗能良好。