体育馆结构隔震设计方法应用研究

卢炳斗 （合肥工业大学设计院（集团）有限公司，安徽 合肥 230009）

近年来，我国采用了抗震新技术—减震隔震技术的工程经受了汶川、芦山等地震考验，保障了人民生命财产安全。实践证明，减震隔震等抗震新技术不仅能有效减轻地震作用、提升工程抗震能力，还能有效地减小房屋建筑的层间变形，保护建筑装饰装修和室内仪器设备。该项新技术在国内部分城市已经成功应用，取得了较好的经济效益和社会效益。

某中学体育教学和篮球训练馆如图1所示，建筑面积12028m（其中地上8007m，地下为4021m），地上共2层，地下1层，建筑高度为22.55m，室内外高差为1.85m。

图1 建筑整体立面效果

结构设计使用年限为50 a，建筑结构安全等级为二级，抗震设防类别为重点设防类（乙类），抗震设防烈度按8度（0.2g）设防，设计地震分组为第一组，特征周期为0.35s。主体结构为钢筋混凝土框架隔震结构，隔震层设置在地下室层，隔震支座设置在地下室柱顶，屋盖采用双向空间管桁架结构，结构三维计算模型以及隔震层位置示意图如图2、图3所示。

图2 结构三维计算模型

图3 隔震层位置示意图

1 采用隔震结构技术的可行性

工程抗震设防烈度较高，按国家抗震抢险救灾的经验，体育馆在平时不仅作为教学训练的场所，在重大灾害发生时还承担着安置灾民和存放重要物资的战略安全岛的作用。

工程体型基本规则，建筑平面尺寸为 81.0m×51.6m，高宽比为0.44，远远小于规范4.0的限值；工程场地条件较好，属于Ⅱ类场地，基础采用柱下独立基础+肋梁防水板，整体性能好，能够确保基础的整体稳定性；基本风压为0.35kN/㎡，风荷载产生的水平荷载标准值为1 048kN，占结构总重力的0.9%，小于规范10%的限值要求，能保证隔震建筑的使用舒适性；且上部结构的质量和刚度分布比较均匀。因此，本工程采用隔震技术具备现实需要和技术可行的。

2 隔震支座选择及平面布置

根据目前较常采用的隔震支座类型，本工程选用普通叠层支座和铅心叠层橡胶支座作为隔震装置。

隔震支座的选择主要考虑以下几个方面的因素：①隔震层的水平位移限值由隔震支座的位移限值决定，因此宜采用相对较大直径的支座，一般不宜小于直径400㎜；②隔震支座的直径种类不宜太多，以有利于协调各支座的侧向变形，充分发挥隔震层的减震能力；③根据GB 50011-2010第12.2.3条，乙类建筑在重力荷载代表值作用下，上部结构各柱传递给橡胶隔震支座的竖向压应力不应大于 12.0MPa；综合以上因素，计算在重力荷载代表值作用下的柱底内力，初步选定天然橡胶隔震支座的直径为LNR400，LNR500两种。

隔震支座是否带铅芯主要考虑两个方面：①本工程不设置其他的抗风装置，隔震层的偏心调整主要由铅芯支座来承担；②加设铅芯可有效控制隔震层的位移，增强结构的抗扭刚度，为结构提供更有效的耗能能力。

根据GB 50011-2010第12.2.3条、12.2.4条，隔震支座的极限水平变位应大于其有效直径的0.55倍和支座内部橡胶总厚度3倍两者的较大值，隔震支座的拉应力不应大于1MPa，对于以上2个指标的把握，将在罕遇地震作用下进行验算。

基于以上因素的考虑，为了得到更好的隔震效果，工程采用天然橡胶支座和铅芯橡胶支座组合使用，选择2种带铅心的隔震支座，分别为LRB600和LRB700两种，将其布置在平面的周边、角部和荷载较大的柱底，隔震支座布置平面如图4所示。

图4 隔震支座平面布置图

图4中每个柱脚旁上方标注数字为节点编号，中间的代号为支座型号（N4表示 LNR400，N5表示LNR500，B6表示LRB600，B7表示LRB700），下方数字为每个支座承担的重力荷载代表值（单位：kN）。

计算得到，在重力荷载代表值作用下，支座应力在 7.00～11.3MPa 之间，小于规范要求的12MPa；隔震支座在罕遇地震作用下的位移如图5所示，图5中单位为mm。隔震支座最大位移限值见表1所列，由图5可见，各隔震支座位移均满足规范要求。

图5 罕遇地震作用下隔震支座位移（mm）

隔震支座最大位移限值(mm) 表1

3 隔震结构分析

根据《建筑抗震规范》（GB 50011-2010）第 12.2.2 条要求，采用较为精确的时程分析法进行计算，工程选用盈建科（YJK）整体分析软件进行计算。YJK的非线性时程分析功能提供了橡胶隔震单元（Rubber Isolator），隔震单元的两个剪切自由度具有二轴塑性的相关特性，其余四个自由度具有线性弹性特性。对于每个剪切变形自由度，用户可独立地指定线性或非线性的属性。

选取的地震波信息 表2

隔震与非隔震的各层层间剪力 表3

《叠层橡胶支座隔震技术规程》（CECS126:2001）中规定，当采用时程分析时选用的地震波应满足下列要求：对甲、乙类建筑应选用符合工程地震和场地特性的人工模拟地震加速度时程曲线及实际强震记录的地震波数不宜少于4条，其中至少有1条人工模拟地震加速度时程曲线。选取的各条地震波信息见表2。当采用时程分析法时按设计基本地震加速度（中震）输入进行计算，表3中给出了隔震与非隔震结构在所选四条地震波下的中震时程分析的结果。由表3可知，X方向层间最大剪力比为0.359，Y方向层间最大剪力比为0.386，按《建筑抗震设计规范》（GB5001-2010）第12.2.5.2条的规定，可近似取水平减震系数为β=0.39。与目标水平减震系数（β=0.40）接近。

由以上计算结果可知，结构层间剪力大大降低，最大层间减震系数为0.39（小于0.40），满足减震目标，因此采用隔震技术可将上部结构水平地震作用所对应烈度和结构抗震措施对应烈度均降低一度，即上部结构地震作用可按照7度（0.10g）进行设计。

4 结语

①采用隔震技术后，结构的周期延长了2.3倍，地震作用大为减小；隔震后，结构的水平位移集中在隔震层，基底剪力、层间位移角大大减小。

②隔震结构按设计基本地震加速度计算的层间剪力比值为 0.27＜0.39＜0.40，因此，上部结构的地震响应大大降低，结构的抗震性能得到很好的改善。

③隔震后水平地震作用计算的水平地震影响系数按（《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）12.2.5）中 的 公 式α=βα/ψ计算得出为0.078，大大降低了上部结构的水平地震输入，进而降低了上部结构抗震构造措施，取得了较好的社会经济效益，成为结构意义上了“绿色建筑”。