某隔震結(jié)構(gòu)教學(xué)樓動(dòng)力彈塑性分析

潘 杰， 熊華章， 陳曉彬

(云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，云南昆明 650028)

1 工程概況

云南師范大學(xué)附屬潤(rùn)城學(xué)校教學(xué)樓位于昆明市南部前衛(wèi)營(yíng)陳顧村一帶，教學(xué)樓建筑面積約為20 958m2，主屋面結(jié)構(gòu)高度為22.5m，地上6層，其中1～5層層高均為3.9m，6層層高為3.0m；結(jié)構(gòu)平面尺寸約156.5m×55.1m。抗震設(shè)防烈度為8度(0.2 g)，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。上部主體結(jié)構(gòu)根據(jù)建筑使用功能需求，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，并采用隔震設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)單獨(dú)增設(shè)1層隔震層，隔震層層高為1.8m?；A(chǔ)形式為柱下樁基承臺(tái)加防水板基礎(chǔ)，承臺(tái)厚度為1.2m，防水板厚度為0.4m。樁型為預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁，樁邊長(zhǎng)為450mm，有效樁長(zhǎng)約24m，單樁豎向抗壓承載力特征值為1 800kN。該教學(xué)樓建筑效果圖見(jiàn)圖1。

圖1 教學(xué)樓建筑效果

2 隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)防目標(biāo)

本工程隔震設(shè)計(jì)時(shí)主要抗震設(shè)防目標(biāo)如下：

隔震層以上主體結(jié)構(gòu)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度降低1～7度(0.10 g)進(jìn)行設(shè)計(jì)；大震作用下，隔震層以上主體結(jié)構(gòu)各樓層彈塑性層間位移角不大于1/100，且要求“當(dāng)遭受罕遇地震影響時(shí)，不發(fā)生危及生命安全和喪失使用價(jià)值的破壞”[1]。

3 隔震支座布置方案及性能參數(shù)

針對(duì)結(jié)構(gòu)平面形狀不規(guī)則，設(shè)計(jì)時(shí)將鉛芯隔震支座布置在結(jié)構(gòu)周邊，以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、提高耗能效率。

設(shè)計(jì)時(shí)選用了天然橡膠支座(LNR)和鉛芯橡膠支座(LRB)，根據(jù)以上原則共布置169個(gè)隔震支座，其中LRB500: 57個(gè)，LRB600: 92個(gè)，LRB700: 11個(gè)，LNR500: 9個(gè)。隔震結(jié)構(gòu)三維模型及隔震支座平面布置簡(jiǎn)圖詳見(jiàn)圖2、圖3，隔震支座力學(xué)性能參數(shù)詳見(jiàn)表1。本工程隔震結(jié)構(gòu)的屈重比為0.026。

圖2 隔震結(jié)構(gòu)三維模型

圖3 隔震支座平面布置

4 地震波的輸入

本工程按GB50011-2010(2016年版)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]5.1.2-3條要求共選七條地震波，其中2條人工波(REN1、REN2)和5條天然波(TR1、HOL、SAN、TRZ371、BVC)；要求每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65 %，但不大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的135 %；多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)果底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80 %，但不大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的120 %；且要求多組時(shí)程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地

表1 隔震支座力學(xué)性能參數(shù)

震影響系數(shù)曲線相比，在對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差不大于20 %。加速度時(shí)程的最大值按設(shè)防基本地震加速度輸入。

5 隔震結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

隔震前、隔震后結(jié)構(gòu)主要振型、周期詳見(jiàn)表2。

表2 隔震前、后結(jié)構(gòu)主要周期及振型

本工程隔震結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向基本周期相差不超過(guò)CECS126:2001《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》[2]規(guī)定的較小值基本周期的30 %。

同時(shí)由表2可知采用隔震技術(shù)后，結(jié)構(gòu)的周期明顯延長(zhǎng)，隔震結(jié)構(gòu)的自振周期約為非隔震結(jié)構(gòu)的2.3倍，對(duì)應(yīng)反應(yīng)譜曲線中的水平地震影響系數(shù)顯著減小，達(dá)到了降低地震作用的效果，且兩個(gè)方向的基本周期相差很小，表明隔震支座布置較合理，剛度分布均勻。隔震層以上主體結(jié)構(gòu)按本地區(qū)設(shè)防烈度降低1度(7度0.10 g)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，不再贅述。

6 大震下彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析

6.1 模型建立及地震動(dòng)輸入

利用ETABS2016軟件采用上述七條地震波中的TR1、HOL及REN1三條地震波，對(duì)隔震結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，地震加速度時(shí)程的最大值取值為400cm/s2。彈塑性時(shí)程分析過(guò)程中考慮材料非線性，定義集中塑性鉸，鉸屬性采用程序默認(rèn)鉸屬性。非線性時(shí)程分析方法采用程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步直接積分法[3]。

6.2 彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果

上述三條地震波罕遇地震作用下，主體結(jié)構(gòu)X向及Y向最大彈塑性層間位移角包絡(luò)值分別為1/153及1/138，滿足預(yù)期設(shè)防目標(biāo)要求。

6.3 塑性鉸分布及結(jié)構(gòu)耗能分配

為能夠全面反映整個(gè)動(dòng)力分析過(guò)程中結(jié)構(gòu)彈塑性的發(fā)展情況，現(xiàn)以TR1地震波X向及Y向地震作用下整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果為例，其整個(gè)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析持續(xù)40s，在40s時(shí)的結(jié)構(gòu)塑性鉸分布情況，具體詳見(jiàn)圖4～圖7中所示；同時(shí)輸出TR1地震波X向及Y向罕遇地震作用下，整體結(jié)構(gòu)的能量耗散分布圖，具體詳見(jiàn)圖8、圖9中所示。

圖4 X向大震作用下40s時(shí)整體結(jié)構(gòu)塑性鉸分布

圖5 X向大震作用下40s時(shí)結(jié)構(gòu)塑性鉸屈服程度

圖6 Y向大震作用下40s時(shí)整體結(jié)構(gòu)塑性鉸分布

由圖4～圖7可看出，X向、Y向罕遇地震作用下部分樓層的梁端、柱端出現(xiàn)塑性鉸，且多數(shù)塑性鉸處于生命安全(LS)[3]

圖7 Y向大震作用下40s時(shí)結(jié)構(gòu)塑性鉸屈服程度

圖8 TR1地震波X向大震作用下結(jié)構(gòu)能量耗散分配

圖9 TR1地震波Y向大震作用下結(jié)構(gòu)能量耗散分配

狀態(tài)下,整體結(jié)構(gòu)基本達(dá)到了大震下不發(fā)生危及生命安全和喪失使用功能破壞的設(shè)防目標(biāo)要求，體現(xiàn)了隔震結(jié)構(gòu)的良好隔震效果和優(yōu)越性。同時(shí)由圖8、圖9可看出，隔震墊耗能占總地震輸入能量的比例較高，表明在罕遇地震作用下隔震墊的耗能減震作用顯著。

7 結(jié)論

本工程采用隔震技術(shù)后，延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)自振周期、增大結(jié)構(gòu)阻尼，通過(guò)隔震層的水平變形消耗地震能量，有效降低上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，罕遇地震作用下多數(shù)塑性鉸處于生命安全(LS)[3]狀態(tài)，顯著提高了主體結(jié)構(gòu)的抗震性能。