談隔震支座在結(jié)構(gòu)抗震中的應(yīng)用

張 嫻

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

0 引言

在我國(guó)的唐山地震以及汶川地震之后，建筑行業(yè)的抗震隔震設(shè)計(jì)發(fā)展非常迅速。在地震中，采用了隔震設(shè)計(jì)的廬山人民醫(yī)院綜合樓在強(qiáng)烈地震中的表現(xiàn)良好，使得設(shè)計(jì)人員對(duì)于隔震在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性有了新的認(rèn)識(shí)，在地震的8度區(qū)，采用減震隔震技術(shù)顯得尤為重要。一些重要的建筑比如學(xué)校和醫(yī)院等，采用隔震技術(shù)能夠保證樓梯的地震加速度峰值不超過150 cm/s2，從而保證大部分設(shè)備在地震中仍然能夠正常運(yùn)行，對(duì)人民的生命與財(cái)產(chǎn)有著重要意義。本文通過某小學(xué)的教學(xué)樓隔震設(shè)計(jì)與分析，對(duì)于隔震支座在結(jié)構(gòu)抗震中的應(yīng)用提供了新的思路。

1 隔震設(shè)計(jì)思路

隔震一般是指在建筑結(jié)構(gòu)中放置一個(gè)隔震層，用來隔斷地震力與上部結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系。一般隔震層的水平剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其余的樓層水平剛度。在設(shè)計(jì)中，一般都將隔震層放在基礎(chǔ)上面形成基礎(chǔ)隔震，這也是當(dāng)前絕大多數(shù)建筑采用的隔震形式。采用隔震支座能夠延長(zhǎng)整個(gè)主體結(jié)構(gòu)的自振周期，降低地震作用對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，從而達(dá)到預(yù)期的隔震要求。

在多層結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)中，可以先制定一個(gè)隔震的目標(biāo)，一般是將地震的作用降低一度或者降低一度半，然后根據(jù)需要降度的目標(biāo)建立模型，一個(gè)模型是可以精確描述力學(xué)參數(shù)的隔震模型，另一個(gè)模型是去掉隔震層以及隔震層以下的，以框架柱的支座建模成鉸支座的非隔震模型進(jìn)行分析。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，層間位移角在設(shè)計(jì)時(shí)可以取值1/450～1/250之間，如果希望在地震作用下，上部結(jié)構(gòu)仍然完好，則可以選擇較小的層間位移角計(jì)算值。

2 實(shí)際工程案例

2.1 工程設(shè)計(jì)概況

某學(xué)校的教學(xué)樓，設(shè)計(jì)高度為15.1 m，為地上3層混凝土框架結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)使用年限為50年，設(shè)防烈度為8度，基本地震加速度為0.2g，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防類別為乙類。在設(shè)計(jì)中如果采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，那么抗震構(gòu)造措施需要提高一度進(jìn)行考慮，則按照9度進(jìn)行抗震構(gòu)造措施設(shè)計(jì)，這樣抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸就會(huì)比較大，具體表現(xiàn)為框架柱的設(shè)計(jì)尺寸可能為1 m×1 m，這樣占據(jù)了較大的使用空間。因此在設(shè)計(jì)中采用了基礎(chǔ)隔震技術(shù)來降低地震對(duì)主體結(jié)構(gòu)的作用，同時(shí)降低設(shè)計(jì)中上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施要求，提高建筑的上部結(jié)構(gòu)抗震能力，設(shè)計(jì)平面圖見圖1。

2.2 隔震設(shè)計(jì)分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)平面圖可以看出，該建筑物的高寬比較小，所以層間剪力影響著水平減震系數(shù)，想要降低一度考慮上部結(jié)構(gòu)的抗震能力，需要在隔震支座的設(shè)計(jì)中，使得水平抗震系數(shù)小于0.4。采用兩條人工模擬加速時(shí)程曲線與強(qiáng)震記錄曲線對(duì)該建筑物進(jìn)行支座設(shè)計(jì)，不斷計(jì)算配置隔震支座后的水平抗震系數(shù)計(jì)算值，直到該數(shù)據(jù)小于0.4，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)支座型號(hào)及數(shù)量進(jìn)行選擇，最終在每一個(gè)框架柱下布置支座，各支座型號(hào)根據(jù)軸力而定，共布置51個(gè)支座。

2.3 隔震效果分析

根據(jù)計(jì)算與分析可以得到，在各種8度地震作用下的該小學(xué)的主體結(jié)構(gòu)水平地震作用值都小于7度作用下非隔震模型所受的地震作用值，所以在這種條件下，降低一度來進(jìn)行抗震構(gòu)造措施設(shè)計(jì)是合理和安全的，隔震后的地震水平加速度降低，水平自振周期延長(zhǎng)，使得建筑結(jié)構(gòu)抗震能力更強(qiáng)，更加安全。

3 隔震支座應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性與社會(huì)效益

根據(jù)隔震支座的應(yīng)用綜合分析，可以得知，使用隔震支座不僅僅使得結(jié)構(gòu)更加安全，而且在經(jīng)濟(jì)性以及對(duì)社會(huì)效益的貢獻(xiàn)上，隔震支座有著一定的優(yōu)勢(shì)。

3.1 隔震支座經(jīng)濟(jì)性

由于隔震支座降低了上部結(jié)構(gòu)承受的水平地震力，因此在設(shè)計(jì)中，所采用的結(jié)構(gòu)柱的尺寸可以減小，配筋可以降低，從而節(jié)約建設(shè)的原料，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的提高。尤其是在8度區(qū)以上的地震作用較強(qiáng)的地區(qū)，往往工程造價(jià)的節(jié)約可以達(dá)到整個(gè)工程造價(jià)的10%左右，即使是在抗震強(qiáng)度較低的7度區(qū)，材料節(jié)約的成本也可以降低5%左右(見表1)。

表1 隔震與非隔震結(jié)構(gòu)的材料用量比較

結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)的價(jià)格，混凝土的造價(jià)約為400元/m3，鋼筋的造價(jià)約為5 000元/t，隔震支座的造價(jià)大約為10 000元/套，可以得到工程造價(jià)節(jié)約大約為20萬元，這表明采用抗震隔震設(shè)計(jì)之后工程造價(jià)將會(huì)下降，這只是針對(duì)3層混凝土框架結(jié)構(gòu)而言，主體結(jié)構(gòu)用量小，樓層低，面積小，所以經(jīng)濟(jì)效益不夠明顯，如果是針對(duì)高層設(shè)計(jì)而言，那么節(jié)約的成本會(huì)更大。

3.2 隔震支座的社會(huì)效益

由于抗震支座能夠顯著地提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，因此具有很強(qiáng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，主要表現(xiàn)在地震中，結(jié)構(gòu)的受損很小，能夠節(jié)約大量的資源與勞力，在恢復(fù)結(jié)構(gòu)功能的造價(jià)中，有隔震設(shè)計(jì)的建筑恢復(fù)的造價(jià)更低，而且主要建筑結(jié)構(gòu)的功能基本不受影響，抵御地震的能力更強(qiáng)。

4 加強(qiáng)隔震設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

作為建筑隔震設(shè)計(jì)應(yīng)用的主體，設(shè)計(jì)單位應(yīng)當(dāng)更好地推廣隔震設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)單位的作用，設(shè)計(jì)單位僅僅是參與圖紙會(huì)審以及一些設(shè)計(jì)變更等程序，參與度較小。但是在隔震設(shè)計(jì)推廣的今天，設(shè)計(jì)單位應(yīng)當(dāng)改變?cè)诠こ淌┕ぶ械淖饔谩：芏嗍┕挝粚?duì)于隔震設(shè)計(jì)的理念以及一些核心技術(shù)并不了解，因此需要設(shè)計(jì)單位加強(qiáng)減震隔震技術(shù)在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的質(zhì)量保證作用。具體體現(xiàn)在圖審之前做好隔震技術(shù)的專項(xiàng)交底，強(qiáng)調(diào)隔震技術(shù)對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的重要性，加強(qiáng)隔震技術(shù)的質(zhì)量控制。在第三方監(jiān)管中，設(shè)計(jì)單位也應(yīng)當(dāng)對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)性能進(jìn)行監(jiān)管，防止不合格的抗震產(chǎn)品流入市場(chǎng)。最后在隔震產(chǎn)品安裝之前，也需要設(shè)計(jì)單位參與驗(yàn)收，在安裝后，也需要設(shè)計(jì)單位的人員確認(rèn)其功能后才能夠進(jìn)行隱蔽，保證隔震層的質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。

5 結(jié)語

當(dāng)前，我國(guó)建筑在地震后大量應(yīng)用了隔震設(shè)計(jì)，本文也通過具體案例對(duì)隔震支座在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的使用進(jìn)行了描述，并對(duì)隔震支座的經(jīng)濟(jì)性與經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，采用隔震支座能夠延長(zhǎng)主體結(jié)構(gòu)的自振周期，減小上部結(jié)構(gòu)受到的地震作用，具有經(jīng)濟(jì)效益，能夠節(jié)約建材。為了能夠保障隔震技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工中，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮設(shè)計(jì)單位的作用，保證隔震技術(shù)的應(yīng)用水平。