平面不規(guī)則框剪結(jié)構(gòu)中基礎(chǔ)隔震技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)越性

高 榮 徐 祿 熊光晶

(1.汕頭大學(xué)，廣東 汕頭 515063； 2.汕頭市第二建筑設(shè)計(jì)院，廣東 汕頭 515000)

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平面不規(guī)則框剪結(jié)構(gòu)中基礎(chǔ)隔震技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)越性

高 榮1徐 祿2熊光晶1

(1.汕頭大學(xué)，廣東 汕頭 515063； 2.汕頭市第二建筑設(shè)計(jì)院，廣東 汕頭 515000)

為研究基礎(chǔ)隔震技術(shù)在平面不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景，以汕頭市某既有9層L型混凝土框剪住宅為例，使用ETABS建立了FS，F(xiàn)SI和FTI模型，分析了多遇和罕遇地震下各模型的結(jié)構(gòu)反應(yīng)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果表明，基礎(chǔ)隔震技術(shù)具有良好的安全性和適用性，經(jīng)濟(jì)上也較實(shí)惠。

框剪結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)隔震,層間扭轉(zhuǎn)效應(yīng),經(jīng)濟(jì)性

0 引言

隨著城市化建設(shè)的飛快發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)平面形式也呈現(xiàn)多樣化，不規(guī)則的平面布置形式越來(lái)越多,而平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)在地震中更易發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞。近幾十年發(fā)展起來(lái)的基礎(chǔ)隔震技術(shù)突破了傳統(tǒng)的抗震策略，能明顯減小上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)[1-4],在國(guó)外已有較多應(yīng)用。1993年由聯(lián)合國(guó)工業(yè)發(fā)展組織資助的中國(guó)第一棟平面規(guī)則的橡膠墊隔震住宅樓建于汕頭市，取得良好的抗震效果，獲得國(guó)家建設(shè)部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，1994年還于汕頭召開(kāi)了國(guó)際隔震技術(shù)研討會(huì)[5,6]。然而據(jù)筆者了解，自此以后汕頭市采用隔震技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)僅有四棟，主要原因之一是造價(jià)高，橡膠隔震支座單價(jià)為3 000元～13 000元。注意到，隨著時(shí)間的推移此項(xiàng)造價(jià)與整體房?jī)r(jià)之比會(huì)越來(lái)越小，且汕頭的小高層建筑多數(shù)采用框剪結(jié)構(gòu)，故本文探討平面不規(guī)則框剪結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震技術(shù)的適用性。選取汕頭市某既有9層住宅為研究對(duì)象，采用原結(jié)構(gòu)框架剪力墻模型(FS)，構(gòu)建框剪隔震模型(FSI)和框筒隔震模型(FTI)，以ETABS結(jié)構(gòu)分析軟件為工具，探討三種模型的抗震性能，并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，為推廣隔震設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況及減震方案

選取汕頭某框架剪力墻結(jié)構(gòu)作為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)原型，平面形式為“L”形，地上9層，總建筑面積為3 400 m2，總高度為29.4 m。抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類。基本風(fēng)壓為0.8 kN/m2(按50年重現(xiàn)風(fēng)壓值)，地面粗糙類別為C類。

共設(shè)計(jì)FS,FSI,FTI三個(gè)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比討論。FSI和FTI所用混凝土與鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)與FS相同，隔震支座的規(guī)格與性能指標(biāo)取自衡水震泰隔震公司產(chǎn)品。

FS為既有框架剪力墻結(jié)構(gòu)，其框架柱截面為400×1 000～400×500，剪力墻厚為200～300。

FSI為筆者設(shè)計(jì)并經(jīng)多次修改試算的框架剪力墻基礎(chǔ)隔震方案?？蚣苤图袅ξ恢貌贾门cFS相同，但截面尺寸有明顯減少。其框架柱截面為400×700～400×500，剪力墻的厚度為200～250。

FTI是經(jīng)多次修改計(jì)算的框架筒體基礎(chǔ)隔震方案。FTI與FS和FSI相比，減去了除中心筒外的所有剪力墻，以框架柱替代?？蚣苤孛鏋?00×1 000～400×500，剪力墻厚度200～250。需說(shuō)明，筆者已經(jīng)試算表明，若去掉FTI的隔震墊，同時(shí)顯著加大柱墻截面，形成的不隔震框架筒體結(jié)構(gòu)不能滿足抗震要求。

三個(gè)模型的首層平面及隔震墊布置示意圖見(jiàn)圖1～圖3。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

2.1 多遇和罕遇地震下各模型的結(jié)構(gòu)反應(yīng)

應(yīng)用ETABS結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)三種方案建立計(jì)算模型，進(jìn)行彈性時(shí)程分析及非線性時(shí)程分析，探討對(duì)比各模型的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。在本工程模型動(dòng)力分析中采用兩條實(shí)際地震波，CPC-TOPANGA CANYON波(CPC)，EMC-FAIRVIEW AVE波(EMC)，一條人工波(RH3)。每組地震動(dòng)分為兩種工況，工況一:水平X向(多遇地震下峰值為70 cm/s，罕遇地震下峰值為400 cm/s)，工況二：水平Y(jié)向(多遇地震下峰值為70 cm/s，罕遇地震下峰值為400 cm/s)。需說(shuō)明各隔震模型采用的隔震墊在以下所有地震反應(yīng)驗(yàn)算中均滿足使用要求，故以下只對(duì)比討論各模型上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

2.1.1 多遇和罕遇地震下層剪力的對(duì)比

各模型在三組地震波作用下的層最大剪力平均值分布見(jiàn)圖4,圖5，三種模型的總剪力和層最大剪力比見(jiàn)表1。從圖4,圖5中可見(jiàn)，在多遇和罕遇地震作用下，F(xiàn)SI與FTI的層剪力曲線幾乎重合，兩種隔震模型受到的總剪力和層剪力均遠(yuǎn)小于非隔震模型FS。從表1可知，F(xiàn)SI，F(xiàn)TI在多遇和罕遇地震作用下的總剪力分別比FS減少71%以上，上部結(jié)構(gòu)層最大剪力分別減少61%以上，表明基礎(chǔ)隔震技術(shù)能有效地減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

圖4，圖5中實(shí)曲線的層剪力值對(duì)應(yīng)左縱坐標(biāo)軸，虛曲線的層剪力值對(duì)應(yīng)右縱坐標(biāo)軸，XX-H代表罕遇地震下的XX模型層最大剪力平均值，XX-D代表多遇地震下的XX模型層最大剪力平均值，以下圖示表達(dá)相同。

表1 各模型的總剪力和層最大剪力之比

工況多遇地震下總剪力比(FS∶FSI∶FTI)多遇地震下層最大剪力比(FS∶FSI∶FTI)罕遇地震下總剪力比(FS∶FSI∶FTI)罕遇地震下層最大剪力比(FS∶FSI∶FTI)X方向地震波1∶0．22∶0．191∶0．29∶0．241∶0．14∶0．141∶0．17∶0．17Y方向地震波1∶0．29∶0．291∶0．39∶0．391∶0．17∶0．211∶0．22∶0．28

2.1.2 多遇和罕遇地震下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)比

采用剛性樓板假定，分別輸入前述三組地震波，對(duì)比各模型的層最大扭轉(zhuǎn)角。限于篇幅，僅給出各模型CPC波作用下的層最大扭轉(zhuǎn)角(如圖6,圖7所示)和最大層間扭轉(zhuǎn)角，見(jiàn)表2。從圖中可以看到FSI和FTI的隔震層扭轉(zhuǎn)角都很大，但上部結(jié)構(gòu)層間扭轉(zhuǎn)角都很小。從表2可看到，F(xiàn)SI,FTI在多遇和罕遇地震作用下的上部結(jié)構(gòu)最大層間扭轉(zhuǎn)角比FS減少72%和48%以上,表明隔震墊有效減小了上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

圖6，圖7中各符號(hào)意義同圖4。

表2 各模型上部結(jié)構(gòu)在CPC波作用下的最大層間扭轉(zhuǎn)角及其比值

工況FS最大層間扭轉(zhuǎn)角×10＾-5rad/mFSI最大層間扭轉(zhuǎn)角×10＾-5rad/mFTI最大層間扭轉(zhuǎn)角×10＾-5rad/mFS∶FSI∶FTICPC?X多遇地震波2．40．40．61∶0．16∶0．25CPC?Y多遇地震波6．91．92．61∶0．28∶0．38CPC?X罕遇地震波13．83．57．21∶0．25∶0．52CPC?Y罕遇地震波39．94．111．81∶0．1∶0．3

2.2 三種模型的經(jīng)濟(jì)適用性對(duì)比

表3列出各模型的隔震造價(jià)和使用面積變化數(shù)據(jù)?？梢?jiàn)雖FSI不改變?cè)Y(jié)構(gòu)FS的墻柱位置，但因框架墻柱截面減小，整棟建筑使用面積相對(duì)增加6.27 m2。而FTI用框架柱代替除中心筒外的所有剪力墻，使整棟建筑的剪力墻片數(shù)由原來(lái)140片減至54片，使用面積增加了18.68 m2，為FSI的3倍。FTI的隔震支座費(fèi)用也略低于FSI。此外，根據(jù)網(wǎng)上相關(guān)數(shù)據(jù)以及定額資料，若設(shè)每立方米鋼筋混凝土造價(jià)為1 520元(包括材料費(fèi)與混凝土澆搗養(yǎng)護(hù)，鋼筋制作安裝費(fèi)用等)，可算得FSI和FTI的結(jié)構(gòu)用鋼筋混凝土造價(jià)分別比FS低3.1萬(wàn)元和9.3萬(wàn)元。綜合隔震支座的費(fèi)用，F(xiàn)SI和FTI模型造價(jià)分別比FS模型高46元/m2和25元/m2，再考慮增加的使用面積因素，可判斷采用隔震技術(shù)是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的。又由于基礎(chǔ)隔震技術(shù)可有效減小上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，大幅降低上部結(jié)構(gòu)和人員的生命財(cái)產(chǎn)損失，且震后修復(fù)簡(jiǎn)易，值得推廣。

表3 各模型經(jīng)濟(jì)適用性對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

1)基礎(chǔ)隔震技術(shù)能大幅減小平面不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)在地震中受到的層剪力，有效減小上部結(jié)構(gòu)的層間扭轉(zhuǎn)角，提高結(jié)構(gòu)的安全性。

2)在本文研究范圍內(nèi)，每平方米增加造價(jià)25元即可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)隔震技術(shù)，還可明顯減少框架柱和剪力墻截面積，從而增加使用面積，提高建筑平面布置的靈活性，性價(jià)比高，值得推廣。

[1] 祁 皚，商洪江，范宏偉.高層隔震結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)分析[J].世界地震工程，2011,27(1):121-130.

[2] 王建強(qiáng)，姚謙峰.基礎(chǔ)隔震偏心結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)反應(yīng)分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2004,30(1):103-104.

[3] 黨 育，霍凱成.偏心隔震結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響因素分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,32(14):138-141.

[4] 袁 兵，黃炎生，任立飛，等.框架—剪力墻基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震扭轉(zhuǎn)反應(yīng)[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,34(7):94-97.

[5] 徐忠根，周福霖.我國(guó)首棟橡膠墊隔震住宅樓動(dòng)力分析[J].世界地震工程，1996(1):38-42.

[6] 蘇經(jīng)宇，曾德民.我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)的研究和應(yīng)用[J].世界地震工程與工程振動(dòng)，2001，21(4):94-101.

Superiority of application of base isolation technology in a plane irregular frame-shell wall structures

Gao Rong1Xu Lu2Xiong Guangjing1

(1.ShantouUniversity，Shantou515063，China； 2.ShantouNo.2InstituteofArchitecturalDesignCo.,Ltd，Shantou515000,China)

To study application prospect of the base-isolated technology in the plane irregular building structure. Taking a 9-storey L shape-concrete-frame shear wall building in Shantou as an example, the FS，F(xiàn)SI and FTI model were established with ETABS software. It analyzes structural response and technology economy of various models under frequent and rare earthquake actions, the results show that base isolation technology indicates a better safety and applicability, and it is also affordable.

frame shear wall structure, base isolation, inter-layer torsion effect, economy

1009-6825(2017)14-0033-03

2017-03-02

高 榮(1991- )，女，在讀碩士

TU352

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