某框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)研究

周玉生, 葛志毅

(中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230023)

0 引 言

近十幾年來(lái),我國(guó)在工程結(jié)構(gòu)的隔震、減振與振動(dòng)控制方面的研究逐漸增多，越來(lái)越多的相關(guān)工程建成并投入使用。減、隔震設(shè)計(jì)開(kāi)始從理論和試驗(yàn)研究向工程試點(diǎn)和應(yīng)用的方向發(fā)展，幾種實(shí)用的隔震體系在規(guī)范化和產(chǎn)業(yè)化方面取得了明顯的進(jìn)展[1]。隔震體系的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將十分顯著,是一種極具推廣和應(yīng)用價(jià)值的新技術(shù)[2]。在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中也已經(jīng)增加了相關(guān)的設(shè)計(jì)依據(jù)。疊層橡膠支座的行業(yè)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)業(yè)已推出并成熟，并已有隔震結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)地震的考驗(yàn)驗(yàn)證了隔震設(shè)計(jì)的可行性[3]。目前隔震技術(shù)在云南、新疆等高烈度分布廣泛地區(qū)應(yīng)用已較為成熟，在低烈度地區(qū)范圍較廣的東部區(qū)域發(fā)展較慢。而新建的學(xué)校、醫(yī)院等重點(diǎn)設(shè)防建筑物上需要提高一級(jí)抗震等級(jí)，在此情況下應(yīng)用傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)將會(huì)使抗側(cè)力構(gòu)件截面過(guò)大，提高工程建設(shè)成本繼而影響建筑的使用要求。本文就這一問(wèn)題，針對(duì)某一位于江蘇省內(nèi)的框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓進(jìn)行分析，對(duì)該教學(xué)樓的結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)并與非隔震模型進(jìn)行對(duì)比分析，比較二者的地震響應(yīng)情況。通過(guò)對(duì)比分析隔震設(shè)計(jì)前后結(jié)構(gòu)的差異，為隔震技術(shù)的進(jìn)一步推廣進(jìn)行探討。

1 工程概況

本工程為一棟22.100 m高的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓，地上五層無(wú)地下室。無(wú)平面與豎向不規(guī)則的超限情況，結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與剛心基本重合。本工程原始抗震設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù)1.1，場(chǎng)地類(lèi)型為Ⅲ類(lèi)，場(chǎng)地特征周期為T(mén)g=0.55 s，抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)，設(shè)防烈度為8度，基本地震加速度為0.20g，基本風(fēng)壓與雪壓均為0.35 kN/m2，結(jié)構(gòu)阻尼比ζ=0.05，基礎(chǔ)形式為柱下交叉梁條形基礎(chǔ)。作為對(duì)照的隔震方案為基礎(chǔ)隔震，在一層下布置隔震層，混合采用鉛芯橡膠隔震支座(LRB)與天然橡膠隔震支座(LNR)。考慮后期維護(hù)與成本，隔震層高度定為2.0 m[4]。根據(jù)抗震模型下的首層柱底的軸力初步確定隔震支座的直徑，最后經(jīng)計(jì)算共使用34橡膠套支座，其中包括LRB支座19套， LNR支座15套，直徑均為600 mm，每一框架柱下布置一個(gè)橡膠支座，其形心同框架柱截面形心一致。支座布置圖如圖1所示，所選支座的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 隔震支座布置圖

表1 隔震支座參數(shù)

2 模型建立與地震波的選取

2.1 模型參數(shù)與建立

通過(guò)工程有限元分析軟件YJK2.0.3對(duì)該教學(xué)樓建立有限元模型，建模時(shí)忽視填充墻，通過(guò)周期折減系數(shù)來(lái)反應(yīng)填充墻對(duì)模型的影響[5]，不考慮樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。原始抗震設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如下:多遇地震水平地震影響系數(shù)峰值為0.16，罕遇地震水平地震影響系數(shù)峰值為0.9，框架抗震等級(jí)為一級(jí)，豎向構(gòu)件軸壓比限值為0.65。

隔震設(shè)計(jì)時(shí)隔震支座采用前處理及計(jì)算模塊中的單點(diǎn)約束進(jìn)行設(shè)置，非隔震模型對(duì)應(yīng)位置的柱子用特殊柱下的下端鉸接來(lái)處理，梯形屋頂建模時(shí)采用平屋頂方式建模，層高為檐口與屋脊處的平均值，荷載按投影關(guān)系放大。YJK模型如圖2所示。

圖2 YJK模型

2.2 地震波的選取

根據(jù)《抗規(guī)》5.1.2條規(guī)定，進(jìn)行彈性分析時(shí)程時(shí)，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)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。根據(jù)上述條文對(duì)本文中所選的地震波進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)軟件分別采用時(shí)程分析與振型分解反應(yīng)譜法對(duì)結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下的底部剪力進(jìn)行計(jì)算。三條波時(shí)程圖形如圖3所示，下文分別將三條波分別簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)P波(Loma Prieta_NO_738)與HM波(Hector Mine_NO_1768)，人工波(ArtWave-RH3TG055)，最終的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出本次分析所采用的地震波均滿足《抗規(guī)》5.1.2中的相關(guān)要求。

圖3 計(jì)算所用時(shí)程曲線

表2 時(shí)程分析和振型分解反應(yīng)譜的底部剪力對(duì)比

3 動(dòng)力響應(yīng)分析

3.1 自振周期

本結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，前幾振型參與質(zhì)量系數(shù)較高，故選取前9個(gè)振型進(jìn)行模態(tài)對(duì)比分析。兩個(gè)模型的前9階自振周期數(shù)值與其比值見(jiàn)表3。分析結(jié)果顯示，采用隔震設(shè)計(jì)后自振周期要大幅度超過(guò)采用隔震設(shè)計(jì)前，二者的比值在1.19～2.19。前三階的自振周期差距較為明顯，而不起主要作用的較高階振型自振周期則差距不大。對(duì)比分析結(jié)果顯示：采用隔震設(shè)計(jì)大幅度增加了該教學(xué)樓的自震周期，從而能夠有效避開(kāi)場(chǎng)地的卓越周期，降低該教學(xué)樓所收到的地震作用效果，從而降低結(jié)構(gòu)在地震中的破壞情況。

表3 隔震設(shè)計(jì)和非隔震設(shè)計(jì)的自振周期對(duì)比

3.2 基底剪力

囿于篇幅，本文僅給出隔震模型及非隔震模型在人工波作用下的X方向(長(zhǎng)軸)和Y方向(短軸)的基底剪力時(shí)程反應(yīng)，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。結(jié)果顯示，隔震模型在X方向和Y方向的基底剪力均要明顯小于非隔震模型，其中X方向基底剪力的最大值只有非隔震樓的33.57%，Y方向的最大值也僅有非隔震樓的34.41%。對(duì)比可以看出,隔震后結(jié)構(gòu)的基底剪力明顯減低，水平地震效應(yīng)明顯降低。

圖4 人工波基底剪力對(duì)比圖

3.3 水平減震系數(shù)計(jì)算

表4、表5為隔震、非隔震結(jié)構(gòu)各層剪力對(duì)比情況，結(jié)構(gòu)各層(不考慮隔震層)層間剪力的最大比值為0.37。根據(jù)《抗規(guī)》第12.2.5條，隔震后結(jié)構(gòu)的水平地震影響系αmax1=βαmax/φ=0.074。故其隔震后的水平地震影響系數(shù)αmax1=0.074，后續(xù)設(shè)計(jì)按這一數(shù)值對(duì)水平地震作用進(jìn)行調(diào)整，結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度按降低一度進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目的水平向減震系數(shù)大于0.3，隔震層以上結(jié)構(gòu)無(wú)須考慮豎向地震的影響。減震系數(shù)β=0.37，根據(jù)《抗規(guī)》第12.2.7條，上部結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施(不含豎向地震構(gòu)造措施)降低一度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表4 X方向非隔震與隔震結(jié)構(gòu)各層層間剪力及比值

表5 Y方向非隔震與隔震結(jié)構(gòu)各層層間剪力及比值

故采用隔震設(shè)計(jì)后，后續(xù)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)修改為:水平地震影響系數(shù)峰值為與罕遇地震水平地震影響系數(shù)峰值保持不變，減震系數(shù)為0.37，框架抗震等級(jí)為二級(jí)，框架柱軸壓比限值要求不降低，保持為0.65。

3.4 隔震層驗(yàn)算

根據(jù)《抗規(guī)》中相關(guān)規(guī)定:在初始重力荷載代表值作用下，乙類(lèi)建筑隔震支座壓應(yīng)力不應(yīng)大于12 MPa，本工程最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在支座19處，數(shù)值為9.97 MPa。

在大震作用下，隔震支座不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力，若無(wú)法避免產(chǎn)生拉應(yīng)力時(shí)，其數(shù)值大小不應(yīng)超過(guò)1 MPa;大震下隔震層水平位移同樣有所要求，其最大位移不超過(guò)支座有效直徑的0.55倍和支座內(nèi)部橡膠總厚度3.0倍二者的較小值(本工程中為330 mm)。

對(duì)隔震層進(jìn)行大震下的驗(yàn)算時(shí)，隔震支座拉應(yīng)力與水平位移計(jì)算均采用的荷載組合:1.0×恒荷載+0.5×活荷載+1.0×水平地震。經(jīng)計(jì)算，在大震作用下，結(jié)構(gòu)最下排部分支座存在受拉情況，最大為33支座，數(shù)值為0.73 MPa，滿足規(guī)范要求。本工程中隔震支座的水平位移最大值出現(xiàn)在0°方向LP波的24號(hào)支座，數(shù)值為292.59 mm，小于330 mm，滿足規(guī)范要求。原抗震設(shè)計(jì)下教學(xué)樓與相鄰建筑之間留有160 mm防震縫，現(xiàn)按《抗規(guī)》第12.2.7條規(guī)定，縫寬應(yīng)修改為1.2倍最大水平位移，即351 mm，取整后為360 mm。隔震層需要足夠的屈服前剛度和屈服承載力，用來(lái)抵抗水平荷載作用。對(duì)本文中的結(jié)構(gòu)主要水平荷載為風(fēng)荷載，在驗(yàn)算時(shí)風(fēng)荷載取100年一遇(0.40 kN/m2)。

隔震層抗風(fēng)驗(yàn)算公式為：風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)(1.5)×風(fēng)荷載作用下隔震層的水平剪力標(biāo)準(zhǔn)值≤抗風(fēng)裝置的水平承載力設(shè)計(jì)值?？癸L(fēng)驗(yàn)算見(jiàn)表6，隔震支座滿足風(fēng)荷載下的抗剪要求。

表6 隔震支座風(fēng)荷載驗(yàn)算

通過(guò)對(duì)隔震層的驗(yàn)算，隔震層已滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、減隔震方案對(duì)比

4.1 工程造價(jià)對(duì)比

采用YJK2.0.3中的工程量統(tǒng)計(jì)模塊對(duì)隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，兩個(gè)模型保證梁柱的材料性能完全相同，除首層柱為C35外混凝土強(qiáng)度均為C30，鋼筋統(tǒng)一為HRB400。結(jié)構(gòu)軸網(wǎng)采用統(tǒng)一尺寸，荷載工況相同。統(tǒng)計(jì)兩個(gè)模型±0.000以上結(jié)構(gòu)的材料用量，匯總結(jié)果見(jiàn)表7，表中所含數(shù)據(jù)不包括附屬二次結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、隔震支座與因隔震設(shè)置的隔震溝、隔震支座等相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工程量。

表7 上部結(jié)構(gòu)工程量對(duì)比

從表7可以看出，該教學(xué)樓在采用了基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)后，上部主體結(jié)構(gòu)的鋼筋使用量能減少了約36%的用量，混凝土總用量減少約15%，其中梁、柱混凝土減少了25%。采用隔震設(shè)計(jì)減小了上部主體結(jié)構(gòu)的造價(jià)，提升了整個(gè)建筑的經(jīng)濟(jì)性。

4.2 抗震效果對(duì)比

按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，底層柱子主要為700 mm×750 mm與650 mm×700 mm兩種截面，外邊框主梁采用350 mm×750 mm與350 mm×500 mm兩種截面，內(nèi)框主梁采用300 mm×750 mm與300 mm×500 mm。地震作用下最大層間位移角X方向?yàn)?/563，Y方向?yàn)?/578。采用隔震支座后，底層柱子主要為650 mm×600 mm與600 mm×550 mm兩種截面，外邊框主梁采用250 mm×750 mm與250 mm×500 mm兩種截面，內(nèi)框主梁采用250 mm×750 mm與250 mm×500 mm，地震作用下最大層間位移角X方向?yàn)?/947，Y方向?yàn)?/895?？梢钥闯龈粽鸾Y(jié)構(gòu)在完成預(yù)定設(shè)防目標(biāo)的情況下還能在一定程度的減小上部結(jié)構(gòu)尺寸，為建筑功能提供更大的發(fā)揮空間。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)某框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓進(jìn)行基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)，結(jié)合隔震模型的參數(shù)與地震波選擇，隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)的自震周期與基底剪力對(duì)比，初步判定隔震設(shè)計(jì)已初步達(dá)到預(yù)計(jì)效果，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求對(duì)隔震層進(jìn)行驗(yàn)算，隔震設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。對(duì)比隔震模型與抗震設(shè)計(jì)的上部結(jié)構(gòu)造價(jià)與抗震效果，得出隔震結(jié)構(gòu)可以大幅降低上部結(jié)構(gòu)造價(jià)與減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)果可為教育、醫(yī)療類(lèi)等重點(diǎn)設(shè)防的多層公共建筑的基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)提供參考。