昌吉市第一小学教学综合楼隔震结构设计

朱果 谢雪梅

昌吉市第一小学教学综合楼为平面L型布置，主体结构形式为钢筋混凝土框架，设计采用了基础隔震技术。结构计算分析结果表明：在L型平面未脱缝的情况下，减震系数位于0.3～0.4之间（设防地震作用下），上部结构（隔震层以上）的水平地震作用及抗震措施按设防烈度降低1度设计；通过结构隔震设计，显著延长了该教学综合楼的结构自振周期，有效降低了上部结构的地震作用效应和扭转效应。

教学楼; 隔震设计; 隔震支座; 地震作用; 扭转效应

TU352.1 A

［定稿日期］2022-01-24

［作者简介］朱果（1987—），男，硕士，高级工程师，一级注册结构工程师，从事结构工程设计工作；谢雪梅（1987—），女，硕士，工程师，一级注册结构工程师，从事结构工程设计工作。

1 工程概况

昌吉市第一小学位于昌吉市（新疆维吾尔自治区），本工程为新建教学综合楼项目，总建筑面积约为4 800 m2。

本工程抗震设防烈度为8度0.20g，地震分组为第三组［3］，建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期0.45 s。基本风压按50年一遇W0=0.60 kN/m2设计，地面粗糙度为B类［4］。

根据抗震设防分类标准，综合教学楼属于重点设防类（乙类建筑）［3］，结构安全等级为一级，结构设计使用年限为50年。本工程地上4层（无地下室），建筑主体高度16.65 m，宽度20.5 m，高宽比0.81。隔震支座设置在与基础相连的下支墩上，基础形式采用柱下独基，主体结构形式为现浇钢筋混凝土框架［2］（图1）。

2 隔震设计及分析

2.1 隔震支座参数及布置

依据项目情况以及结构布置和荷载分布，本工程隔震支座设置在基础顶部，隔震支座采用铅芯橡胶支座（LRB）和天然橡胶支座（LNR）2种类型［6］。结构外围四周的地震位移相对较大，在这些位置设置水平刚度和耗能能力较大的铅芯橡胶支座，可以有效的提高结构抗扭刚度，在主体内部則设置承担轴力为主的天然橡胶支座。本工程设置铅芯橡胶支座29个，天然橡胶支座5个，合计34个隔震支座，其隔震支座的布置见图2。

本工程所用的铅芯橡胶支座及天然橡胶支座的具体设计参数如表1所示，与橡胶支座相连的隔震上下支墩以及与其相连的结构构件均按中震弹性，大震抗剪弹性、抗弯不屈服的抗震性能目标进行设计［5］。

天然橡胶支座和铅芯橡胶支座的水平荷载与位移曲线模型如图3所示。天然橡胶隔震支座的水平剪力和水平位移曲线计算时简化为线弹性模型；铅芯橡胶隔震支座根据其非线性特性，计算时简化为双线性模型［1］。

2.2 隔震层偏心率计算及隔震前后周期对比

因为隔震支座的抗扭转能力较弱，在设计值中布置隔震支座时，应尽量使上部结构的质心和隔震层的刚心重合（小于3%），以减小结构的扭转效应。本工程隔震支座设置后的偏心率计算结果如表2所示，满足规范要求。

隔震前后结构前两振型的周期对比见表3，隔震前后的结构前三周期均为平动、平动、扭转，设防地震作用下，前两振型的结构平动周期基本相同。对比隔震前后，结构前两振型的平动周期在隔震后延长了3倍左右，有效地避开了场地的卓越周期。

2.3 地震波选取

根据《抗规》（GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》简称《抗规》）第5.1.2条的规定，当进行时程分析选取地震波时，人工波和天然波应依据设计地震分组和建筑场地类别条件选取相应的数量，天然波的数量不应小于总数的2/3，地震影响系数曲线人工波和天然波的平均值应与振型分解反应谱法所采用的在统计意义上相符。在进行弹性时程分析时，振型分解反应谱的结构底部剪力应小于所有单条地震波计算结果的65%，且应小于多条地震波计算结果平均值的80%。

本工程共选取了如表4所示的5条天然地震波和2条人工地震波，选取的7条地震波的基底剪力和规范反应谱基底剪力对比结果如表5所示，均满足规范要求。

根据《抗规》关于输入地震波有效持续时间的规定，从时程波最开始最大峰值的10%起最后最大峰值的10%止，本工程选取的2条人工波和5条天然波时程曲线的有效持续时间详见表6，均达到结构基本周期5～10倍的要求，保证了结构顶点的移可以按结构基本周期往复5～10次。

根据《抗规》5.1.2规定，地震影响系数曲线，选取的地震波应与振型分解反应谱应在统计意义上相符。所谓“在统计意义上相符”是指地震影响系数曲线在对应于结构主要振型的周期点上（一般是前3周期），选取地震波的平均值与振型分解反应谱相比，应相差不大于20%。由图4和图5可知，在隔震前后，地震影响系数曲线，选取的地震波平均值与规范反应谱接近。

2.4 减震系数计算

经过7条地震波的非线性时程分析，在设防地震作用下，隔震前后结构X、Y向层间剪力比值的平均值最大值为0.324，详见表7，根据《抗规》式（12.2.5）关于隔震后的水平地震影响系数最大值计算，αmax1＝β×αmax/ψ=0.324×0.16/0.85=0.061。

根据《抗规》条文说明第12.2.7表8的规定，本工程减震系数β＜0.4，因此隔震后上部结构设计的水平地震影响系数最大值按降一度即7度0.1g选取，取αmax=0.08。由于本工程为重点设防类建筑，因此上部结构隔震后的抗震措施应按7度0.1g提高一度查表确定，即按表8所对应的8度0.20g选取［8］，以满足预期的隔震设计目标。

2.5 隔震支座验算及隔震缝宽设置

2.5.1 支座应力

根据《抗规》表12.2.3，乙类建筑的橡胶隔震支座压应力限值为12 MPa，在重力荷载代表值（1.0D+0.5L）作用下，本工程所有橡胶隔震支座的最大压应力为11.6 MPa，满足规范要求。

在罕遇地震作用下，在荷载组合1.10D+0.55L+1.00Fek下和1.20D+0.60L+0.50Fek下支座最大压应力为13.99 MPa＜25 MPa，满足相关规范要求。

在罕遇地震作用下，在荷载组合0.90D-0.05L-1.0Fek下和0.08D-0.10L-0.5Fek下支座均未产生拉应力，满足相关规范要求。

2.5.2 支座位移

根据《抗规》第12.2.6条，隔震支座在罕遇地震作用下的位移不应超过该支座的直径0.55倍及3Tr的较小值，其中Tr为隔震支座内部的橡胶层总厚度。在荷载组合（1.0×恒荷载＋0.5×活荷载＋1.0×水平地震）工况下，，隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移为185.11 mm，满足规范要求。

2.5.3 隔震缝宽

根据《抗规》12.2.7条，隔震结构的周边应设置连通竖向隔离缝，隔离缝的设置需保证隔震层在罕遇地震下的自由变形。隔震缝宽宜大于等于隔震橡胶支座在罕遇地震下的最大水平变形的1.2倍且大于200 mm。满足隔震支座安装及检修空间要求，本工程沿建筑四周设置的隔震缝宽为350 mm。

2.6 隔震层抗风承载力验算

根据《抗规》12.1.3条，对隔震结构，风荷载的产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%，本结构风荷载的产生的总水平力X向为857.9 kN，Y向为938.4 kN，总重力为79 804.8 kN。

为满足微振动和风荷载的要求，隔震支座必须具备足够的屈服承载力和屈服前刚度，根据CECS126：2001《叠层橡胶支座隔震技术规程》第4.3.4条要求［6］，隔震支座应按下式进行抗风验算：

γwVwk≤VRw，即

X向：1.5×857.9=1286.85kN＜21×63+8×90=2043 kN（各铅芯支座的屈服力之和）

Y向：1.5×938.4=1407.6kN＜21×63+8×90=2043 kN（各铅芯支座的屈服力之和）

满足要求。

式中：VRw为取隔震支座的屈服荷载设计值；γw为风荷载分项系数，取1.5；Vwk为风荷载作用下隔震层的水平剪力标准值。

2.7 隔震层水平抗恢复力特性

为满足微振动和风荷载的要求，隔震支座必需具备足够的屈服前刚度，铅芯橡胶支座和天然橡胶支座共同组成了隔震层的水平恢复力特性。图6给出了隔震层的水平恢复力特性，铅芯橡胶支座水平刚度简化为双线性模型、天然橡胶支座的水平刚度简化为线性模型。

隔震层屈服前的刚度为：

K1=21×13.11+8×15.19+5×0.98=401.73 kN/mm

隔震层屈服后的刚度为：

K2=21×1.01+8×1.17+5×0.98=35.47 kN/mm

经验算，满足要求。

隔震支座的弹性恢复力验算：

K100Tγ≥1.40VRw

式中：K100为隔震支座在水平剪切应变100%时的水平等效刚度；Tγ为隔震支座内部橡胶总厚度。

即有：

支座弹性恢复力F=21×1.58×112+8×1.87×130+5×0.98×112=6209.76 kN

1.4VRW=1.4×2043=2 860.2 kN

F>1.4VRW

隔震支座弹性恢复力满足要求。

3 隔震节点构造

隔震支座的上下连接示意如图7所示，隔震支座上下支墩通过螺栓与隔震支座的上下联结板连接，连接所用的锚固钢筋或螺栓均按罕遇地震工况下的内力进行强度验算［7］。

隔震层结构周边隔离沟示意如图8所示，与隔震层上部结构相连的附属构件均才有柔性连接或设置水平隔离缝，缝宽30 mm，水平隔离缝采用柔性粘结胶材料填充，以防止风雨砂尘飘入或防鼠虫等爬入。沿隔震层周边设置竖向隔离缝，即隔震沟，隔震沟连通设置，不得影响上部结构的水平自由变形，隔震沟缝宽不小于1.2 倍罕遇地震时隔震支座最大水平位移且不小于200 mm。

4 结论

根据国家及新疆维吾尔自治区的相关要求，鼓励重点设防类建筑应采用减隔震技术。昌吉市第一小教学综合楼工程设计基于提高结构抗震性能、保护非结构构件、实现建筑功能、结构经济性等诸多原因，采用了基础隔震技术，设计结果表明，通过结构隔震可以有效耗散地震能量，减小水平地震作用，提高主体结构的抗震性能，在不脱缝的情况下改善结构的抗扭性能。

参考文献

［1］ 日本建筑学会.隔震结构设计［M］.刘文光，译.冯德民，校.北京：地震出版社，2006.

［2］ 混凝土结构设计规范：GB 50010-2010（2015年版）［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010

［3］ 建筑抗震设计规范：GB5011-2010（2016年版）［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010

［4］ 建筑结构荷载规范：GB 50009-2012［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012

［5］ 建筑隔震设计规范（征求意见稿）［EB/OL］.（2018-01-11）［2019-06-20］.http：//www.mohurd.gov.cn/zqyj/201801/t20180112_234778.html.

［6］ 叠层橡胶支座隔震技术规程：CECS 126：2001［S］.北京：中国工程建设标准化协会，2001.

［7］ 橡胶支座第3部分：建筑橡胶支座：GB 20688.3-2006［S］.北京：中国标准出版社，2006.

［8］ 混凝土建筑结构基础隔震技术规程：DB62/T25-3121-2016［S］. 北京：中國建材工业出版社，2016.