某8.5度區(qū)框架結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)與分析

許 迪

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

地震是群災(zāi)之首，因其巨大的破壞力和突發(fā)性，常給人們的生活帶來毀滅性的打擊，造成較為嚴(yán)重的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失。我國是世界上遭受地震較為嚴(yán)重的國家，曾經(jīng)遭受到較為嚴(yán)重的損失。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用建筑物自身材料的剛度和強(qiáng)度抵抗和消耗地震的能量，保護(hù)建筑使用對象的生命和財(cái)產(chǎn)安全。隨著抗震技術(shù)的研究發(fā)展，于高烈度區(qū)采用以柔克剛的隔震技術(shù)越來越被設(shè)計(jì)師認(rèn)可和采用。隔震技術(shù)通過隔震支座的設(shè)置，使地震時(shí)地面輸入建筑物的能量由隔震支座裝置吸收和削減，通過設(shè)置支座對地上結(jié)構(gòu)的動力性能進(jìn)行調(diào)整，使建筑物在地震時(shí)的振動反應(yīng)大為降低，有效保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)、人員安全和內(nèi)部設(shè)置[1-3]。

1 工程概況

本溫泉小鎮(zhèn)位于云南省麗江市，其中對擬建酒店采用隔震結(jié)構(gòu)。擬建酒店地上6層，地下1層，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。本工程合理使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為乙級，抗震設(shè)防類別為丙類，見圖1。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]附錄A的劃分，結(jié)合地勘報(bào)告，本工程所在地的抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震分組第二組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.30g，場地土類別Ⅲ類，場地特征周期為0.55 s。

為了減少框架梁、柱的截面和配筋，滿足建筑室內(nèi)平面效果要求和取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，隔震支座和隔震層擬設(shè)置在地下室頂，隔震支座下部結(jié)構(gòu)柱頂之間設(shè)置框架主梁不設(shè)樓板以便于隔震支座的檢修維護(hù)。

2 上部結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析主要結(jié)果及主要設(shè)計(jì)構(gòu)造

上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)水平地震作用按設(shè)防烈度8度(0.30g)降低1度設(shè)計(jì)，即水平地震影響系數(shù)的最大值為0.12?？拐鸬燃壪鄳?yīng)取為三級(抗震構(gòu)造措施按二級)，隔震層下部結(jié)構(gòu)抗震等級仍按8度(0.30g)考慮取為二級(抗震構(gòu)造措施按一級)。

隔震層以上結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜分析計(jì)算指標(biāo)如表1所示，完全滿足規(guī)范要求。

隔震措施應(yīng)符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》12.2.7條的相關(guān)規(guī)定。隔震層頂部設(shè)置梁板式樓蓋，且符合下列要求：

1)隔震支座的相關(guān)部位應(yīng)采用現(xiàn)澆混凝土梁板結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆板厚度不應(yīng)小于160 mm；2)隔震層頂部梁、板的剛度和承載力，宜大于一般樓蓋梁板的剛度和承載力；3)隔震支座附近的梁、柱應(yīng)計(jì)算沖切和局部承壓，加密箍筋并根據(jù)需要配置網(wǎng)狀鋼筋。

表1 隔震結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析結(jié)果

3 支座選擇和下部結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)參數(shù)分析，所采用的設(shè)計(jì)隔震支座性能[5]如表2所示。

表2 隔震支座力學(xué)性能參數(shù)

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。

隔震層下的結(jié)構(gòu)(包括地下室和隔震塔樓下的底盤)中直接支承隔震層以上結(jié)構(gòu)的相關(guān)構(gòu)件，應(yīng)滿足嵌固的剛度比和隔震后設(shè)防地震的抗震承載力要求，并按罕遇地震進(jìn)行抗剪承載力驗(yàn)算。為增強(qiáng)下部結(jié)構(gòu)的剛度和整體性，在下部結(jié)構(gòu)中設(shè)置剪力墻及柱頂設(shè)置拉梁。

使用PKPM中的“EPDA&PUSH”模塊進(jìn)行靜力彈塑性分析(pushover)表明：下部結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的層間位移角小于1/200，滿足規(guī)范要求。

4 時(shí)程分析法對隔震結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充分析結(jié)果

采用ETABS模型(如圖2所示)，對減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析法分析。根據(jù)《抗規(guī)》的要求，時(shí)程分析法每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線的平均值不應(yīng)小于80%。根據(jù)場地類別、地震等級、地震特點(diǎn)等參數(shù)，選出多組與目標(biāo)反應(yīng)譜接近的天然地震波。

7組地震波在反應(yīng)譜法與時(shí)程分析法下的結(jié)構(gòu)底部剪力結(jié)果如表3所示。分析結(jié)果表明，采用時(shí)程分析所得底部剪力均小于反應(yīng)譜方法分析結(jié)果。該系統(tǒng)采用反應(yīng)譜方法分析即可滿足規(guī)范可靠度要求。

表3 時(shí)程分析法與反應(yīng)譜方法分析結(jié)果對比 kN

5 計(jì)算結(jié)果的把控

本工程案例初步計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)支座布置不當(dāng)時(shí)，結(jié)構(gòu)角部部分隔震支座在8.5度罕遇地震作用下出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，并超過了規(guī)范限制1 MPa，如表4所示。

通過表4可發(fā)現(xiàn)，角部柱子3號與46號出現(xiàn)了451.9 kN與488.8 kN的軸向拉力。為了解決該問題，通常有以下幾種有效的方法：第一，若支座位移還有較大的富余，可以適當(dāng)降低隔震支座群的總剛度，使得隔震結(jié)構(gòu)的第一周期遠(yuǎn)大于場地特征周期，從而達(dá)到阻隔更多地震能量的目的。第二，若支座位移已經(jīng)接近限值，那么隔震支座群的總剛度就不能被大幅度地減少；若角部拉應(yīng)力超限值不多，那么可以在角部柱下設(shè)置雙橡膠支座，以滿足規(guī)范限值要求。第三，若以上兩種方法都達(dá)不到要求，可以選擇性地替換1條～2條計(jì)算結(jié)果離散性較大的天然地震波。第四，降低隔震目標(biāo)，調(diào)整結(jié)構(gòu)布置方案。

本工程案例中通過在角部柱下設(shè)置雙隔震支座的方法解決了該問題。

在本工程案例的分析計(jì)算過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)形式固定，隔震支座布置基本合理的情況下，隔震效果也有“瓶頸”。這是因?yàn)樵谝话闱闆r下，隔震支座群的阻尼越大，隔震效果越好。但當(dāng)隔震結(jié)構(gòu)的自振頻率遠(yuǎn)小于地震波振動頻率后，通過增加隔震支座阻尼的方式已經(jīng)很難達(dá)到良好的隔震效果。本工程案例在罕遇地震作用下支座的受力與位移情況如表4所示。

6 平面不規(guī)則情況和抗震加強(qiáng)措施

因本工程考慮偶然偏心影響的地震作用下，部分單體的局部樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移(或?qū)娱g位移)大于該樓層平均值的1.2倍，屬扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

針對結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，通過對整體結(jié)構(gòu)的平面布置調(diào)整，合理調(diào)整整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的剛度以最大限度地限制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，從而增強(qiáng)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。其中，在雙向地震作用及偶然偏心地震力作用下的樓層最大彈性水平位移與該層平均位移的比值均不超過1.40。同時(shí)，應(yīng)控制結(jié)構(gòu)的前兩個(gè)周期均為平動周期，第三周期為扭轉(zhuǎn)周期。

7 結(jié)語

對某8.5度區(qū)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析和支座優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以得出如下結(jié)論：

1)隔震結(jié)構(gòu)分析，首先應(yīng)根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇合適的結(jié)構(gòu)形式、支座布置位置和方式。2)完善時(shí)程分析、推覆分析和時(shí)程分析。不同類型的分析形式互相補(bǔ)充方可發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不同角度的不同問題。時(shí)程分析根據(jù)場地土特點(diǎn)選擇合適的天然地震波。3)隔震支座的布置方案應(yīng)合理，建議將高阻尼的隔震支座布置在結(jié)構(gòu)角部與周邊，低阻尼隔震支座可盡量布置在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，既能發(fā)揮隔震效果，又能節(jié)省造價(jià)。4)通過調(diào)整隔震支座的布置方案，選擇合適的支座類別與型號，能夠提高隔震體系的合理性。