裝配式框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震的隔震效果研究

陳春鳴 牟星 周超 肖紅飛

摘要：傳統(tǒng)的裝配式框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是強(qiáng)度高、自重輕、整體性好。但是，傳統(tǒng)的裝配式框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計在地震中極易被破壞，隔震設(shè)計具有以柔克剛的減震優(yōu)勢，所以對裝配式框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔震設(shè)計是很必要的。本文利用PKPM和ETABS建模，對一座20層高的裝配式框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔震設(shè)計和傳統(tǒng)非隔震設(shè)計進(jìn)行時程分析，對比受力作用效果。通過比較上部結(jié)構(gòu)的層剪力、傾覆力彎矩等參數(shù)計算結(jié)構(gòu)隔震系數(shù)，分析隔震設(shè)計的隔震效果。

關(guān)鍵詞：裝配式;框架結(jié)構(gòu);隔震

中圖分類號：TU352 ????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

傳統(tǒng)的裝配式框架結(jié)構(gòu)是指由梁和柱以剛接或者鉸接相連接而成，構(gòu)成承重體系的結(jié)構(gòu)，即由梁和柱組成框架共同抵抗使用過程中出現(xiàn)的水平荷載和豎向荷載。中國建筑科學(xué)研究院對2008年汶川大地震中部分裝配式框架結(jié)構(gòu)房屋的調(diào)查結(jié)果表明，裝配式框架結(jié)構(gòu)在地震中倒塌或嚴(yán)重破壞的約為40%，采用基礎(chǔ)隔震可以延長結(jié)構(gòu)的周期，適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)的阻尼，使結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)大大減小，同時使結(jié)構(gòu)的位移集中于隔震層，上部結(jié)構(gòu)像剛體一樣，自身相對位移很小，從而可減少由于設(shè)計不當(dāng)而出現(xiàn)的強(qiáng)梁弱柱和薄弱層等問題。

1工況簡介

本文所采用的建筑模型是一棟21層（含隔震層）的鋼筋混凝土裝配式框架結(jié)構(gòu)，建筑高度為73.8m（含隔震層1.8m），結(jié)構(gòu)層高3.6m。使用年限為50年?？拐鹪O(shè)防烈度分為8度和7度，場地類別Ⅱ類，場地特征周期0.35s?；镜卣鸺铀俣?.2g，地面粗糙類別B類，基本風(fēng)壓0.35kN/m2，建筑類別丙類。

2基礎(chǔ)隔震裝配式框架結(jié)構(gòu)設(shè)計原則和依據(jù)

基礎(chǔ)隔震裝配式框架結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足傳統(tǒng)裝配式框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則即框架柱網(wǎng)布置時，要從滿足生產(chǎn)工藝要求、滿足建筑的平面要求、使結(jié)構(gòu)合理和方便施工四個方面考慮?？蚣艿闹W(wǎng)力求做到簡單、規(guī)則、對稱、整齊，以便于隔震支座的布置，同時隔震支座的布置應(yīng)力求使鉛芯橡膠支座（LBR）和非鉛芯橡膠支座（LNR）結(jié)合使用。內(nèi)部布置非鉛芯橡膠支座保證隔震層具有足夠的恢復(fù)力外沿布置鉛芯橡膠支座控制隔震層的位移。

設(shè)計依據(jù)為《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）及其他有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)隔震的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計軟件為中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的商業(yè)軟件PKPM/SATWE，本項目利用該軟件進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計和分析。美國CSI公司開發(fā)的有限元軟件ETABS，本項目利用它進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)的非線性時程分析和震型分解反應(yīng)譜分析。

3地震波的選取

本文采用的是基于設(shè)計反應(yīng)譜的規(guī)范法。其優(yōu)點是所選擇的地震波反應(yīng)譜與規(guī)范的反應(yīng)譜擬合較好，便于時程分析與振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行比較。地震動三要素即地震動強(qiáng)度、地震動譜特征和地震動持續(xù)時間。結(jié)構(gòu)隔震后的前三階振型周期點上，所選地震波的平均時程的地震影響系數(shù)與規(guī)范譜的差值如表2，均小于20%，滿足規(guī)范要求。

4有限元模型的建立和分析對比

建立PKPM模型，在20層上部結(jié)構(gòu)下加層高1.8m的隔震層，確定轉(zhuǎn)換梁和柱的截面。通過SATWE完成上部結(jié)構(gòu)的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計，并計算分析控制模型柱的軸壓比，梁的配筋率在規(guī)范的合理范圍內(nèi)，做到節(jié)約成本，結(jié)構(gòu)合理。

ETABS模型的準(zhǔn)確性，主要通過ETABS非隔震模型與PKPM模型的比較，主要振型周期中ETABS模型與PKPM模型相差最大為2.32%，總質(zhì)量相差為4.1%。模型吻合較好。

5隔震效果分析

減震系數(shù)為設(shè)防烈度地震力作用下隔震結(jié)構(gòu)的層剪力或者層傾覆力矩與非隔震結(jié)構(gòu)的比值，比值越小則隔震效果越好。如表2和圖2，圖3所示，裝配式框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震的隔震效果較好，減震系數(shù)在0.4-0.7之間，地震作用大小為影響減震系數(shù)的主要因素。

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）12.2.7規(guī)定“隔震層以上結(jié)構(gòu)的抗震措施當(dāng)水平向減震系數(shù)大于0.4時不應(yīng)降低非隔震時的有關(guān)要求：水平向減震系數(shù)小于0.4時，可適當(dāng)降低本規(guī)范有關(guān)章節(jié)對非隔震建筑的要求，但烈度降低不得超過1度，與抵抗豎向地震作用有關(guān)的抗震措施不應(yīng)降低?！闭麄€結(jié)構(gòu)的減震系數(shù)為各層減震系數(shù)的包絡(luò)值，即取減震系數(shù)最大值，由以上裝配式框架結(jié)構(gòu)減震系數(shù)對比圖知工況（層高、場地類型）設(shè)防烈度為8度時，減震系數(shù)小于7度時的減震系數(shù)，即減震效果優(yōu)于設(shè)防烈度為7度。8度設(shè)防烈度裝配式框架結(jié)構(gòu)20層結(jié)構(gòu)的減震系數(shù)位于0.43-0.50之間。

6結(jié)論

裝配式框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震設(shè)計具有很好的隔震效果，在7度和8度設(shè)防地區(qū)可以削減超過50%上部結(jié)構(gòu)的地震作用，所以結(jié)構(gòu)截面相近的工況下隔震結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)非隔震結(jié)構(gòu)更安全。經(jīng)分析比較知，地震作用越大隔震效果越好，裝配式框架結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計適用于地震高發(fā)地區(qū)，隔震技術(shù)的進(jìn)一步研究和推廣將有利于保障人們的財產(chǎn)和生命安全。

基金項目：2018年廣東省高等教育教學(xué)改革項目“基于微課的翻轉(zhuǎn)課堂模式在房屋建筑學(xué)中的教學(xué)實踐”;2018年東莞理工學(xué)院城市學(xué)院高等教育教學(xué)改革項目重點項目（項目編號：2018yjjg007）。

作者簡介：陳春鳴（1987-），男，漢族，湖南雙峰人，碩士研究生，講師，從事綠色建筑和新型混凝土結(jié)構(gòu)方面研究。

參考文獻(xiàn)

[1]王曙光，陸偉東，劉偉慶，孫臻.昆明新國際機(jī)場航站樓基礎(chǔ)隔震設(shè)計及抗震性能分析[J].震動與沖擊，2011，30（11）：261-267.

[2]周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制[M].北京：地震出版社，1997.

[3]GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[4]朱玉華.多鉛芯橡膠支座力學(xué)性能研究綜述[J].低溫建筑技術(shù)，2010（02）：38-40.

[5]王建強(qiáng)，王利娟.鉛芯疊層橡膠支座恢復(fù)力模型研究[J].世界地震工程，2005，21（02）：151-154.

[6]日本建筑學(xué)會.隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].劉文光譯.北京：地震出版社，2006.