某多層框架隔震設(shè)計(jì)方法及工程應(yīng)用

陳德寶

摘要：結(jié)合目前隔震設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，總結(jié)了框架隔震設(shè)計(jì)的一般流程。根據(jù)該流程，對(duì)甘肅某多層框架學(xué)生宿舍進(jìn)行隔震全過(guò)程設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)流程的提出使框架隔震設(shè)計(jì)得以規(guī)范化，并可推廣至框剪等其他體系的隔震設(shè)計(jì)工作。

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)；隔震設(shè)計(jì)；時(shí)程分析

引言

自汶川地震以來(lái)，由于隔震建筑在地震中表現(xiàn)性能良好，隔震技術(shù)逐步得到了社會(huì)的重視，在實(shí)際工程中也逐步得到了應(yīng)用。此外國(guó)家和地方也紛紛出臺(tái)規(guī)定，鼓勵(lì)重點(diǎn)設(shè)防類地震高烈度區(qū)3層以上學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院等人員密集公共建筑，優(yōu)先采用減隔震技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。但由于現(xiàn)有隔震設(shè)計(jì)分析軟件較多，模擬隔震過(guò)程各異，導(dǎo)致現(xiàn)在很多的隔震設(shè)計(jì)實(shí)際工作中存在種種問(wèn)題。因此，總結(jié)隔震設(shè)計(jì)工作的一般流程，從而有效指導(dǎo)實(shí)際隔震設(shè)計(jì)工作，是本文探討的重點(diǎn)內(nèi)容。

1隔震原理

隔震設(shè)計(jì)通過(guò)在建筑底部增設(shè)隔震層（一般為橡膠隔震支座），從而延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期，降低水平地震作用，改善建筑的抗震性能，尤其在高烈度地區(qū)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)有的隔震設(shè)計(jì)通過(guò)隔震層將建筑分為上部結(jié)構(gòu)、隔震層、下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)。下面根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范，以多層框架為例，對(duì)隔震各部位逐一分析。

1.1上部結(jié)構(gòu)

需根據(jù)隔震原理建立隔震和非隔震兩個(gè)上部模型，中震彈性時(shí)程分析計(jì)算兩個(gè)模型，根據(jù)模型分析結(jié)果，人工求出水平減震系數(shù)β，隨后非隔震模型用考慮β的反應(yīng)譜法計(jì)算，得到最終配筋結(jié)果。需要注意的是：與豎向地震效應(yīng)相關(guān)的軸壓比等需按原設(shè)防烈度；隔震層以上結(jié)構(gòu)的總水平地震作用不得低于非隔震結(jié)構(gòu)在6度設(shè)防時(shí)的總水平地震作用；最小剪重比限值仍按原設(shè)防來(lái)取值；且β<0.3時(shí)需要考慮豎向地震作用。

1.2隔震支座、隔震支墩

隔震支座需滿足四個(gè)驗(yàn)算要求：（1）重力荷載代表值下豎向壓應(yīng)力限值。（2）罕遇地震下最大壓應(yīng)力限值。（3）罕遇地震下水平、豎向地震共同作用下拉應(yīng)力限值。（4）指定壓應(yīng)力下水平變位限值。隔震支座需進(jìn)行大震時(shí)程計(jì)算并滿足要求。對(duì)于隔震支墩，也需進(jìn)行隔震模型大震計(jì)算并配筋。

1.3下部結(jié)構(gòu)

下部結(jié)構(gòu)需滿足嵌固剛度比、隔震后中震抗震承載力、大震抗剪承載力及層間位移角的限值要求，因此需建立中、大地震模型，利用反應(yīng)譜法得到構(gòu)件大震斜截面和中震正截面的設(shè)計(jì)結(jié)果并包絡(luò)。下部結(jié)構(gòu)層間位移角可用隔震模型大震彈塑性模塊計(jì)算分析并滿足規(guī)范要求。

1.4基礎(chǔ)

基礎(chǔ)可按不考慮隔震層的非隔震模型，施加多遇地震，進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。下面以一工程實(shí)例，詳述以上流程在具體工作中的應(yīng)用。

2工程實(shí)例

2.1工程概況

本工程為甘肅省武威市某學(xué)生宿舍，地下一層、地上九層，建筑高度27.75m，采用框架結(jié)構(gòu)，平面如圖1。該地區(qū)設(shè)防烈度8度；地震加速度值0.20g；地震分組第三組；場(chǎng)地類別Ⅱ類。該建筑為乙類框架，根據(jù)國(guó)家和甘肅地方規(guī)定，需采用隔震結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)一級(jí)。

本工程隔震支座有LRB600、LNR600、LNR700三種疊層橡膠支座，采用單柱單隔震支座，支座布置于地下室柱頂?shù)姆绞?。本工程采用PKPM及ETABS軟件進(jìn)行分析計(jì)算，隔震支座在ETABS中采用Isolator1模擬。計(jì)算非隔震結(jié)構(gòu)的自振特性和內(nèi)力時(shí)，梁、柱采用空間梁柱單元，混凝土樓板采用膜體單元，并按照剛性樓板假定進(jìn)行建模。隔震層由無(wú)鉛芯橡膠隔震支座和鉛芯橡膠隔震支座組成，本構(gòu)關(guān)系分別對(duì)應(yīng)為線性和雙線性模型。

2.2非隔震模型校核及地震波選取

將該工程用ETABS和PKPM軟件建立非隔震模型如圖2，并將總質(zhì)量、前三階周期和底層層間剪力進(jìn)行對(duì)比，如表1。

由表1可知，兩種軟件計(jì)算的質(zhì)量、周期和底層層間剪力差異很小，均可真實(shí)反映非隔震結(jié)構(gòu)基本特性。

采用時(shí)程分析法時(shí)，對(duì)該建筑選取兩組實(shí)際強(qiáng)震記錄（Zone波和Taft波）和一組人工模擬的加速度時(shí)程曲線。小震時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線計(jì)算得到結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法的65%，多條時(shí)程曲線結(jié)構(gòu)底部剪力平均值不小于反應(yīng)譜法的80%。表二是時(shí)程分析法和反應(yīng)譜法結(jié)果的比較。由表二可知，選波滿足規(guī)范要求。

2.3隔震模型建立及與非隔震模型對(duì)比

本工程隔震支座由試驗(yàn)確定參數(shù)，豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值按隔震層以上結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值的20%取值。采用ETABS對(duì)隔震模型和不隔震模型進(jìn)行地震作用下的時(shí)程分析并進(jìn)行比較，前六階振型的結(jié)構(gòu)自振周期如表3：

對(duì)于多層建筑，水平向減震系數(shù)為中震彈性計(jì)算所得的隔震與非隔震各層層間剪力的最大比值。安裝隔震支座后，經(jīng)計(jì)算三種波x，Y向各層層間剪力和層間傾覆力矩均大大降低，最大層間減震系數(shù)為0.385（大于0.3小于0.40），因此隔震技術(shù)可將上部結(jié)構(gòu)地震相應(yīng)降低一度且不用考慮豎向地震作用。隨后非隔震模型采用降低一度的反應(yīng)譜法計(jì)算配筋。同時(shí)進(jìn)行多遇及罕遇地震層間位移角驗(yàn)算，計(jì)算后取三條波計(jì)算的最大值。經(jīng)驗(yàn)算隔震后上部結(jié)構(gòu)各層均滿足規(guī)范規(guī)定的多遇下彈性層間位移角1/550，罕遇地震下彈塑性層間位移角限值1/100的要求。

2.4隔震支座驗(yàn)算

計(jì)算各隔震支座在重力荷載代表值下的軸力及豎向壓應(yīng)力?，F(xiàn)有規(guī)范規(guī)定豎向壓應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)12MPa，且LRB600及LNR600型支座最大設(shè)計(jì)承載力為3391kN，LNR700型支座最大設(shè)計(jì)承載力為4616kN，經(jīng)驗(yàn)算，各支座軸力和壓應(yīng)力均可滿足相關(guān)要求。

采用時(shí)程分析法計(jì)算大震下各支座的軸力、XY向剪力和XY向位移，并驗(yàn)算大震下隔震支座的最大變形不超過(guò)支座有效直徑的0.55倍及支座內(nèi)部橡膠總厚度3倍的較小值。

此外罕遇地震作用下隔震支座的豎向壓應(yīng)力限值不應(yīng)超過(guò)30MPa。以上驗(yàn)算項(xiàng)均滿足相關(guān)要求。同時(shí)查看大震作用各個(gè)隔震支座的抗傾覆應(yīng)力最大值和最小值，所有支座均處于受壓狀態(tài)，不會(huì)引起結(jié)構(gòu)的傾覆。

采用隔震設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)荷載和其他非地震作用的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的總水平力不宜超過(guò)結(jié)構(gòu)總重力的10%。本工程單側(cè)風(fēng)荷載最大水平剪力標(biāo)準(zhǔn)值1949KN，結(jié)構(gòu)總重力荷載為108953kN，剪重比為0.017<0.1驗(yàn)算滿足。

2.5隔震支墩和下部結(jié)構(gòu)

本工程為單層地下室柱頂布設(shè)隔震支座，隔震支墩和下部結(jié)構(gòu)實(shí)際是一體的。根據(jù)抗震規(guī)范，隔震層支墩、支柱及相連構(gòu)件，應(yīng)采用隔震結(jié)構(gòu)罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和力矩進(jìn)行承載力驗(yàn)算。因本工程地下室層高不高，按大震計(jì)算后實(shí)際支墩配筋結(jié)果不大。

3結(jié)論

由以上工程實(shí)例可以看出，采用隔震技術(shù)后，結(jié)構(gòu)的周期延長(zhǎng)近2倍，地震作用大為減小，且隔震結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下的最大層間減震系數(shù)0.385<0.40，結(jié)構(gòu)的抗震性能得到改善，上部結(jié)構(gòu)可按降低一度設(shè)計(jì)。因此，采用隔震技術(shù)，對(duì)于降低高烈度地區(qū)的地震作用效果明顯。此外本文依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范總結(jié)了多層框架隔震設(shè)計(jì)的一般流程，并基于現(xiàn)階段常用的PKPM及ETABS設(shè)計(jì)軟件，將該流程用于具體工程實(shí)例之中，為同類隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作提供了參考。