某隔震结构教学楼动力弹塑性分析

2020-07-21熊华章陈晓彬

四川建筑 2020年1期

潘杰，熊华章，陈晓彬

(云南省设计院集团有限公司，云南昆明 650028)

1 工程概况

云南师范大学附属润城学校教学楼位于昆明市南部前卫营陈顾村一带，教学楼建筑面积约为20 958m2，主屋面结构高度为22.5m，地上6层，其中1～5层层高均为3.9m，6层层高为3.0m；结构平面尺寸约156.5m×55.1m。抗震设防烈度为8度(0.2 g)，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅲ类，抗震设防类别为重点设防类，结构安全等级为一级。上部主体结构根据建筑使用功能需求，采用钢筋混凝土框架结构体系，并采用隔震设计技术，设计时单独增设1层隔震层，隔震层层高为1.8m。基础形式为柱下桩基承台加防水板基础，承台厚度为1.2m，防水板厚度为0.4m。桩型为预应力混凝土空心方桩，桩边长为450mm，有效桩长约24m，单桩竖向抗压承载力特征值为1 800kN。该教学楼建筑效果图见图1。

图1 教学楼建筑效果

2 隔震结构的设防目标

本工程隔震设计时主要抗震设防目标如下：

隔震层以上主体结构按本地区抗震设防烈度降低1～7度(0.10 g)进行设计；大震作用下，隔震层以上主体结构各楼层弹塑性层间位移角不大于1/100，且要求“当遭受罕遇地震影响时，不发生危及生命安全和丧失使用价值的破坏”[1]。

3 隔震支座布置方案及性能参数

针对结构平面形状不规则，设计时将铅芯隔震支座布置在结构周边，以减小扭转效应、提高耗能效率。

设计时选用了天然橡胶支座(LNR)和铅芯橡胶支座(LRB)，根据以上原则共布置169个隔震支座，其中LRB500: 57个，LRB600: 92个，LRB700: 11个，LNR500: 9个。隔震结构三维模型及隔震支座平面布置简图详见图2、图3，隔震支座力学性能参数详见表1。本工程隔震结构的屈重比为0.026。

图2 隔震结构三维模型

图3 隔震支座平面布置

4 地震波的输入

本工程按GB50011-2010(2016年版)《建筑抗震设计规范》[1]5.1.2-3条要求共选七条地震波，其中2条人工波(REN1、REN2)和5条天然波(TR1、HOL、SAN、TRZ371、BVC)；要求每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65 %，但不大于振型分解反应谱法计算结果的135 %；多条时程曲线计算所得结果底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80 %，但不大于振型分解反应谱法计算结果的120 %；且要求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

表1 隔震支座力学性能参数

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 %。加速度时程的最大值按设防基本地震加速度输入。

5 隔震结构分析计算

隔震前、隔震后结构主要振型、周期详见表2。

表2 隔震前、后结构主要周期及振型

本工程隔震结构两个方向基本周期相差不超过CECS126:2001《叠层橡胶支座隔震技术规程》[2]规定的较小值基本周期的30 %。

同时由表2可知采用隔震技术后，结构的周期明显延长，隔震结构的自振周期约为非隔震结构的2.3倍，对应反应谱曲线中的水平地震影响系数显著减小，达到了降低地震作用的效果，且两个方向的基本周期相差很小，表明隔震支座布置较合理，刚度分布均匀。隔震层以上主体结构按本地区设防烈度降低1度(7度0.10 g)进行抗震设计，不再赘述。

6 大震下弹塑性动力时程分析

6.1 模型建立及地震动输入

利用ETABS2016软件采用上述七条地震波中的TR1、HOL及REN1三条地震波，对隔震结构模型进行弹塑性动力时程分析，地震加速度时程的最大值取值为400cm/s2。弹塑性时程分析过程中考虑材料非线性，定义集中塑性铰，铰属性采用程序默认铰属性。非线性时程分析方法采用程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步直接积分法[3]。

6.2 弹塑性动力时程分析计算结果

上述三条地震波罕遇地震作用下，主体结构X向及Y向最大弹塑性层间位移角包络值分别为1/153及1/138，满足预期设防目标要求。

6.3 塑性铰分布及结构耗能分配

为能够全面反映整个动力分析过程中结构弹塑性的发展情况，现以TR1地震波X向及Y向地震作用下整体结构的计算结果为例，其整个动力弹塑性时程分析持续40s，在40s时的结构塑性铰分布情况，具体详见图4～图7中所示；同时输出TR1地震波X向及Y向罕遇地震作用下，整体结构的能量耗散分布图，具体详见图8、图9中所示。