带筒仓厂房层间隔震设计与抗震性能研究

雷传章

（广东省建筑设计研究院有限公司,广州 510010）

0 引言

随着老旧工业厂房改造加固加快，建筑结构与设备筒仓等一体化厂房加固改造方面除了满足生产工艺需求外，还需要考虑当前地震设计标准较原有标准提升的问题，这给厂房改造加固方案提出了挑战。工业厂房结构中存在大量设备管线，在地震作用下不仅需要建筑结构保持安全防止倒塌，其内部的设备也需保持相应的运行能力，避免对生产造成影响[1]。工业建筑结构往往存在大开洞、不规则现象，这不利于结构自身的抗震，而厂房内部的筒仓、设备等抗震安全同样对工业生产会产生较大影响[2，3]。由于生产工艺需求而产生的下部大底盘+上部生产区间类建筑结构成为常见工业厂房类型之一，对于此类工业厂房在考虑厂房结构抗震安全的同时，还需考虑由于筒仓等仓储类设备不同位置、高造价、大质量占比的影响，合理考虑地震下结构与筒仓类设备的的相互作用也成为此类厂房设计的关键因素[4]。层间隔震技术通过在大底盘与上部塔楼间设置隔震层，延长上部塔楼的振动特性以降低地震响应，使得其成为大底盘+上部生产区间类型厂房的潜在抗震能力提升方案[5]。束伟农等对西安高烈度区某地铁上盖结构塔楼进行隔震设计和构件优化，基于弹塑性分析结果得出层间隔震技术结合构件性能化设计措施可有效保证高烈度区地铁上盖结构的抗震性能[6]；徐飞鸿等基于MIDAS软件对某15层钢框架结果进行层间隔震性能分析，得出隔震后上部结构周期延长、加速度响应减小的结论[7]；曹加良等[8]对层间隔震可简化为双质点模型的适用范围进行了讨论，并结合模型质量比、周期比敏感性对简化模型振型进行了参数相关性分析，研究指出简化为双质点后每个质点所有振型参与向量和必须为一是判断双质点模型是否合理的前置条件。查军龙等[9]分析工业厂房结构及非结构构件的抗震参数，提出基于地震动强度、工程需求参数和损伤参数的工业仓储类结构抗震能力适用性评价方法。程瑜等[10]建立某粮库筒仓混凝土有限元模型，对单仓和群仓不同烈度地震下的动力反应进行了规律性研究。研究结合某大底盘工业厂房结构上部塔楼包含筒仓仓储设备，为提升厂房整体抗震能力采用层间隔震设计方案，并进行设防烈度地震动时程分析。

1 工程概况

1.1 结构概况

某带筒仓工业厂房结构为6层，1～2层为成品储料平台高度层高为4.5m、3～6屋加工区域层高为4m。场地类别III类、地震分组第II组，场地特征周期0.55s，设防烈度为8度0.2g，1～2层外部柱 700mm×700mm、内部柱 900mm×900mm，底层梁 900mm×600mm、700mm×600mm，底层板150mm。上部办公区域柱700mm×700mm，梁700mm×400mm，板300mm。1层平台恒载6kN/m2，2层平台恒载4.5kN/m2，活载3.5kN/m2，上部作业区域恒载 4.5kN/m2，活载 4kN/m2，计算模型如图1所示。

图1 有限元分析模型

工程计算模型采用SAP2000，结构设计软件，依照相关规范要求的设计参数输入，采用梁单元和板单元建立模型并进行模拟分析。

上部作业区域3～5层中心有大型现浇混凝土筒仓，筒仓上部长6m、宽4m，出料口为1m×1m方孔，筒仓壁厚300mm，出料口、底部、顶部标高分别为12、13、17m。结合场地谱及设备厂家提供目标谱，人工拟合一条地震动R波进行地震时程分析，人工拟合地震波有效持时不少于8s，总持时不少于20s，设防烈度下强度为0.2g，罕遇地震下强度为0.4g，图2为0.2g设防烈度下加速度反应谱对比，短周期段拟合地震动波谱包络目标谱满足设计要求。

图2 加速度谱对比

1.2 改造加固流程

整个厂房的改造涉及到厂房结构和筒仓的安全保证，同时又需要减小对生产流程、作业区域和物料运输的影响。在确定加固改造方案之前，需先对原有厂房进行基础信息的全面调查，委托专业房屋检测鉴定单位进行信息收集。结合上述目标与限制，拟采用层间隔震方案进行加固设计，采用层间隔震后可以使上部生产作业区的作业分区、筒仓设计最大限度的减小扰动，但是会使跨越隔震层的作业管线遭受较大的位移二次应力影响，因此层间隔震方案设计的关键在于结构、筒仓计算和管线重设计。该厂房加固改造流程见图3。

图3 厂房改造加固流程

1.3 隔震设计方案

拟采用层间隔震技术提升结构与设备抗震能力，在2层平台顶部外加1.8m高隔震层，支座布设在外加隔震层内，隔震层同步作物料短储层使用。铅芯橡胶支座（LRB）布置在角柱边柱提高抗扭，橡胶支座（NRB）布置在内柱底提供恢复力。支座布设方案见图4、支座类型与支座力学参数见表1。

图4 水平隔震支座布置

表1 水平隔震支座力学参数

2 抗震能力评价

2.1 厂房结构抗震性能分析

表2为未隔震结构、隔震结构自振周期对比，可见层间隔震后塔楼周期为2.26s较未隔震结构0.62s延长3.62倍。

表2 模态信息

图5为0.2gR波地震下X向层剪力包络图，结果显示0.2g加速度输入下上部隔震厂房层剪力峰值均小于未隔震结构层剪力峰值。

图5 层剪力包络图

图6为0.2gR波地震下X向层加速度峰值包络图，结果显示层间隔震塔楼在0.2g输入下的顶部加速度峰值为3.51m/s2，与未隔震结构顶部加速度峰值9.59m/s2相比降低63.43%，表明层间隔震有效降低上部作业区层加速度响应。

图6 层加速度峰值

图7为0.2gR波地震下X向层位移峰值曲线随高度变化图，结果显示未隔震结构层位移峰值随高度增加呈放大趋势，而层间隔震结构水平变形则集中在隔震层内，上部作业区域保持平动。

图7 层位移峰值曲线

图8为0.2gR波地震下顶层加速度反应谱对比，未隔震结构谱峰值为40.9m/s2，隔震结构顶部加速度峰值26.4m/s2，仅为未隔震结构的64.5%，而在长周期区域隔震结构则有峰值5.7m/s2出现，结果表明低周区内层间隔震结构顶层加速度反应谱峰值明显降低，但在长周期区域内层间隔震结构谱值明显高于未隔震结构。

图8 顶层加速度反应谱对比

2.2 筒仓抗震能力分析

图9为0.2gR波地震下筒仓顶部17m标高处地震加速度时程对比图，结果显筒仓顶部隔震时加速度峰值为3.73m/s2，与未隔震时顶部加速度峰值11.13m/s2相比降低66.4%。

图9 筒仓顶部加速度时程对比

图10为0.2gR波地震下筒仓顶部17m标高处加速度反应谱对比，结果显示筒仓顶部隔震时加速度谱峰值为12.12m/s2，与未隔震时顶部加速度谱峰值22.01m/s2相比降低45.5%。

图10 筒仓17m标高处加速度谱对比

图11为0.2gR波地震下隔震层顶部标高处相对位移时程对比，结果显示未隔震时顶部相对位移为22mm，隔震层隔震层顶部相对位移为92mm，相比未隔震放大4.18倍。相对位移的放大对原有结构中铺设的管线产生极大的二次应力，对该部分跨隔震沟管线的设计需在后续重点考虑。

图11 筒仓顶部加速度时程对比

2.3 支座滞回分析

图12为0.2gR波地震下铅芯橡胶支座滞回曲线，地震作用下LRB支座滞回环饱满、耗能能力稳定，可以有效降低经隔震层输入到上部的能量。

图12 LRB支座滞回曲线

图13为0.4gR波罕遇地震下各支座极限面压图，结果显示极大压应力为10.02MPa小于规范12MPa，最大拉应力为0.62MPa小于规范1MPa，表明罕遇地震下隔震支座性能满足限值。

图13 各支座极限面压

3 结语

研究为提升厂房-筒仓整体抗震能力采用层间隔震设计方案，并进行设防烈度地震动时程分析。结果显示：

（1）层间隔震后塔楼周期延长3.62倍，能够有效避开场地特征周期，减小地震响应。

（2）0.2g地震输入下，塔楼位移集中在隔震层内，塔楼顶层加速度峰值较未隔震降低63.43%，反应谱峰值降低66.5%；筒仓顶部17m标高处加速度时程峰值降低66.4%。各支座滞回饱满耗能稳定，且0.4g地震时支座最大压应力为10.02MPa，最大拉应力为0.62MPa均小于规范限值，表明层间隔震设计有效提升工业厂房筒仓抗震性能。