隔震加固技术在某校舍抗震加固工程中的应用

邹 会，邹先智，邹德红，卫 海(.江苏鸿基节能新技术股份有限公司， 江苏 南京 003；.宜昌江河工程建设有限责任公司， 湖北 宜昌 44300）

1 研究背景

近年来，灾难性的地震在全球范围内频繁发生，给人民的生命和财产造成巨大损失[1]。汶川地震后，国家高度重视中小学校舍安全工作，国务院办公厅《关于印发全国中小学校舍安全工程实施方案的通知》要求把学校校舍建成最牢固、最安全、最让人民群众放心的建筑。通过几年的实践，尤其在 2012 年芦山地震以后，隔震技术对于对抗地震灾害优势显现，住建部多次发文推广要求采用减隔震技术。

传统结构与隔震结构比较分析如下。

（1）传统结构底部固定，受力大，结构各层变形较大，结构弯剪破坏。地震时激烈晃动，房屋加速度放大100% 至 250%，梁柱裂，内部装饰、设备破坏。

（2）隔震结构底部柔软，不受力，结构变形集中底部，结构弹性平动。地震时缓慢平动(长周期)，房屋加速度减少 100% 至 40%， 结构弹性(变形集中在柔软支座)保护结构和内部装饰、设备，隔震/不隔震（加速度）=1/6，隔震后加速度响应降低明显。

隔震加固新技术与常规抗震加固方法相比具有以下优点。

（1）创面小。传统加固方法涉及整个房子各楼层的梁、板、柱、墙等各构件。但隔震加固方法仅涉及 1 F 以下， 而 2 F 以上教室基本可以原封不动，创面非常小[2]。

（2）工期短。传统加固方法施工周期较长，一般需要3～6 个月，甚至更长时间。但隔震加固方法除装修恢复施工外，一般可在 60 d 以内完成。

（3）造价低。隔震加固绝大多数工作只在首层实施，所以楼层越高的房屋隔震加固造价越低。

（4）抗震安全性高。传统加固方法地震时房屋晃动激烈，变形大，墙柱开裂，内部装饰脱落，结构构件损坏，室内环境布置受损，水电管线损坏严重，地震后建筑无法继续使用，人员安全受到严重威胁。但隔震加固方法加速度减少100%～40%，地震反应减少 1/3～1/10，抗震安全性提高3～10 倍，地震时地震能量通过隔震支座消耗，上部结构基本不损伤，可有效保护房屋结构内部人员及设施的安全[3-5]。

（5）教学秩序影响小。传统加固方法教室内装饰及教学消防设施均须拆除。若是学校宿舍，大量的床、柜需要搬运，学校在安排过渡教室的过程中还需投入较大的资金和精力，对师生的正常教学生活秩序影响也较大。但若采用隔震加固方法，2 F 以上教室无任何破坏，工程结束后，也无须后期恢复。从而能确保学校的正常教学秩序，并且可在施工期间，保证加固教学楼 2 F 以上正常教学[6-7]。

所以相比常规加固方法，隔震加固技术在工期、节能环保性和结构安全性等方面具有明显的优势。

2 工程概况

江苏省某中学教学楼总建筑面积为 2 860㎡，始建于1996 年。主体为 4 层砌体结构，层高 3.6 m，长为 46.5 m，宽度为 28.8 m。

该结构原设计砌体砖强度为 MU 7.5，砂浆强度为 M 5，混凝土结构强度为 C 20。根据某公司检测报告，砌体砖的检测强度等级为 MU 15，砂浆检测强度等级最小值为 M 2.5，混凝土强度等级最小值为 C 21.6。最终确定本次抗震加固工程的材料强度为砖强度等级为 MU 7.5、砂浆 M 2.5、C 20。根据某公司鉴定报告，该建筑不能满足后续使用年限为 40 a的要求，故应对其进行抗震加固改造。

3 隔震加固设计与分析

3.1 加固方案的选择及鉴定报告结论的解决方法

（1）鉴定报告结论及存在的问题。① 按楼层平均抗震能力指数法，计算结果 ＜ 1。② 按楼层综合抗震能力指数法，计算结果 ＜ 1。③ 按墙段综合抗震能力指数法，计算结果 ＜ 1。④ 楼板为预制空心板，结构整体性较差。

（2）加固方法的选择。① 常规方法加固需对承载力不足的大量墙进行外包混凝土等方法进行加固，工作面大，影响使用空间，工期长，对建筑物的装修破坏较大，后期恢复成本高。② 减震方法进行加固，安装阻尼器时会破坏建筑的墙体，恢复成本高，且减震效果有限。③ 隔震方法进行加固，从地震力的降低和抗震措施降低两方面保证建筑物的抗震性能，并且隔震大量的工作量集中在首层楼板及以下，创面小，工期短，最大限度地保留了上部结构的完整性。该结构的建筑类别由丙类提升为乙类，砌体相应的抗震措施要求提高，综合抗震能力指数不满足要求。综上所述，处于 7度（0.10g）烈度区的教学楼，隔震加固方法为优。

（3）隔震加固解决的问题。隔震后，减震系数 ＜0.4 时，抗震措施降低一度采用，地震力按照 GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》第 12.2.5 条取值，经 PKPM重新复核计算得出结论。即绝大部分墙体、楼层的抗震能力指数 ＞ 1，故只需对少量仍不满足的墙体及短肢墙体进行加固处理。

（4）鉴定报告结论的解决方法。① 按楼层平均抗震能力指数法、按楼层综合抗震能力指数法、按墙段综合抗震能力指数法计算结果 ＜ 1。采用隔震技术，减震系数 ＜ 0.4时，抗震措施可降低一度采用，地震力按 GB 50011-2010第 12.2.5 采用。重新对结构进行复核，对少量仍然不能满足抗震能力要求的墙体及短肢墙体采用双面砂浆面层加固。② 楼板为预制空心板，整体性较差。对预制楼板采用粘贴碳纤维并在墙端增设角钢加强房屋整体性。

3.2 三维有限元分析模型

为了准确地进行基础隔震分析，用有限元软件 ETABS对该教学楼在隔震支座以上的结构主体建立了隔震结构的三维有限元分析模型。该教学楼有限元模型的三维视图和二层平面视图如图 1 所示。

图 1 教学楼有限元分析模型三维视图

3.3 输入地震动及其评价

（1）输入地震动。本报告选用 5 条天然地震动记录和2 条人工波（南京波和扬中波），利用 ETABS 有限元软件对教学楼隔震结构进行了整体非线性时程分析，并与未隔震结构进行对比，重点分析了未隔震结构和隔震结构在 7 度（0.10g）多遇地震作用下的最大底部剪力响应等。所选用地震波的详细参数如表 1 所示。部分教学楼 7 度（0.10g）多遇（35 Gal）设计地震动加速度时程如图 2 所示。

表 1 输入地震动参数

图 2 输入地震动加速度时程

部分 7 度（0.10g）多遇（35 Gal）设计地震动和 5%阻尼比规范设计谱对比如图 3 所示。

图 3 输入地震波加速度反应谱与规范设计反应谱对比

（2）基于动力响应的地震动评价。从结构动力响应的角度分析所选用的地震动，根据 GB 50011－2010 的规定，将各条加速度时程曲线的加速度最大值调整到 35 Gal。对未进行基础隔震的结构进行了时程分析和反应谱分析，得到结构最大地震剪力，具体如表 2 所示。

表 2 教学楼非隔震结构时程和反应谱底部剪力对比 kN

由表 2 可以看出，从结构动力响应的角度来分析，所选用的地震动满足规范的要求。采用 7 条时程曲线作用下各自最大地震响应值的平均值作为时程分析的最终计算值，结果可靠，可以用于教学楼隔震设计。

3.4 隔震结构模态分析

模态分析是结构的自振特性分析，主要是确定结构或结构构件的固有频率和振型，也是结构进一步进行动力分析的基础。隔震结构前 6 阶振型周期如表 3 所示。由表 3 可以看出，隔震体系的周期较原结构增大了很多，教学楼基本周期由原来的 0.273 s 延长至 1.697 s，已经远离了结构的基本周期。

3.5 水平向减震系数

隔震结构与非隔震结构在设计地震作用下的各层层间剪力对比如表 4 所示。

表 3 隔震结构前 6 阶振型的周期 s

表 4 教学楼隔震和非隔震结构各层层间剪力对比 kN

由表 4 可知，教学楼采用隔震加固方案后，层间剪力与非隔震结构相比降幅较大。从多条地震波的平均结果来看，教学楼X向层间剪力比平均值为 0.275，Y向最大层间剪力比平均值为 0.283，隔震效果非常显著。

3.6 中震下加速度时程对比

部分 7 度（0.10g）设防地震（100 Gal）作用下未隔震结构与隔震结构 2 F 某边柱加速度时程对比图如图 4 所示。

图 4 教学楼未隔震结构与隔震结构 2 F 某边柱顶点加速度时程对比

从以上结构参考点加速度结果来看，结构布设隔震支座后，结构的动力加速度显著降低，隔震效果明显。

3.7 水平向减震系数计算

隔震后水平地震作用计算的水平地震影响系数可按 GB 50011-2010 第 5.1.4、第 5.1.5 条确定。其中，水平地震影响系数最大值计算如式（1）所示。

式中：αmax1—隔震后的水平地震影响系数最大值（非隔震的水平地震影响系数最大值，按 GB 50011－2010 第 5.1.4 条采用）；

β—水平向减震系数（对于多层建筑，为按弹性计算所得的隔震与非隔震各层层间剪力的最大比值。对高层建筑结构，尚应计算隔震与非隔震各层倾覆力矩的最大比值，并与层间剪力的最大比值相比较，取二者的较大值）；

φ—调整系数（一般橡胶支座，取 0.80；支座剪切性能偏差为 S-A 类，取 0.85；隔震装置带有阻尼器时，相应减少 0.05）。

教学楼结构采用橡胶支座隔震，因此调整系数取 0.8，减震系数根据 ETABS 计算得到（各层层间剪力的最大比值），如式（2）所示。

4 结 语

经抗震鉴定，该教学楼不满足现行抗震规范要求。为提高建筑物的抗震性能、提升建筑的使用功能，对该建筑进行了隔震加固设计。针对某中学教学楼进行了隔震分析计算，得出以下主要结论。

（1）分析软件可靠，计算模型合理。利用大型商业有限元软件 ETABS 建立某中学教学楼未隔震结构和隔震结构的三维有限元模型，并对其分别进行了结构动力特性分析。结果表明，所建立的模型能够准确地反映结构的动力特性，可为以后的动力响应分析提供可靠的计算结果。

（2）时程分析选用地震波合适。所选用的天然地震动符合 GB 50011－2010 要求的天然地震动，所选用的人工地震动根据规范制成。每条时程曲线计算所得的弹性非隔震结构的底部地震剪力均大于反应谱法计算结果的 65%，7 条时程曲线计算所得结构底部地震剪力的平均值大于反应谱法计算结果的 80%。采用 7 条时程曲线作用下各自最大地震响应值的平均值作为时程分析的最终计算值，结果可靠，可用于工程设计。

（3）隔震层设计合理，各隔震支座工作状态良好。隔震支座配置合理，隔震层具有足够的初始刚度保证结构在风荷载、较小地震或其他非地震水平荷载作用下的稳定性，而且隔震层屈服后比屈服前提供了较低的水平刚度，保证结构在较大地震下能很好地减小地震反应。隔震层布置规则，重心和刚心偏差小。隔震支座多工况组合下的竖向压力满足相关规范要求，隔震支座具有足够的稳定性和安全性。

（4）隔震层以上结构可按 7 度（0.10g）设防烈度设防。隔震建筑隔震层以上的结构在7 度（0.10g）设计地震作用下各楼层地震剪力，均小于未隔震结构在 7 度（0.10g）设计地震作用下楼层地震剪力的 0.40 倍。根据 GB 50011－2010 的规定，隔震层以上结构可降低 1 度进行抗震设防。因中小学校舍设防类别提高到乙类设防，提高一度设防，经隔震降低 1 度设防后，按 7 度（0.10g）设防要求进行抗震设防。

（5）隔震后水平地震影响系数。教学楼结构在 7 度（0.10g）设计地震作用下，多遇地震和罕遇地震的水平地震影响系数的最大值分别为 0.08 和 0.50。由 ETABS 得到减震系数最大值 0.283；根据 GB 50011－2010 12.2.5 条，地震影响系数最大值取 0.028 3。综合考虑，最终确定本结构隔震后按照 6 度（0.05g）地震作用进行结构验算。

（6）隔震结构在罕遇地震作用下工作正常。对隔震结构在罕遇地震作用下的响应进行了计算分析，结果表明在罕遇地震作用下，隔震结构满足抗震性能目标，说明隔震层在罕遇地震作用下具有较高的可靠性和稳定性。

（7）隔震方案效益显著。与常规加固方案相比，采用隔震技术具有较佳的综合经济效益，对建筑的抗震性能和使用功能有很大的提高。

由此可见，隔震加固技术相比常规加固方法在工期、节能环保性和结构安全性等综合来看具有明显的优势。