高烈度區(qū)大型公共建筑隔震設(shè)計(jì)與施工*

萬(wàn)學(xué)林，王 偉，廖 飛，王利文，李 茂，潘忠堯

(中建三局集團(tuán)(海南)有限公司, 海南 ?？?570100)

0 引言

我國(guó)地震多發(fā)，高烈度區(qū)分布廣泛，抗震設(shè)防要求高。李文祥等[1]以天河機(jī)場(chǎng)交通中心為背景，采用ETABS軟件建立結(jié)構(gòu)模型，研究了地震波及列車激勵(lì)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，通過(guò)采用組合隔震技術(shù)，大幅度降低加速度響應(yīng)，減震效果明顯；曹陽(yáng)等[2]采用ETABS軟件中的反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法對(duì)高層建筑雙塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)分析，研究結(jié)果表明，采用隔震技術(shù)可有效降低上部結(jié)構(gòu)水平地震作用；羅垚等[3]采用ETABS軟件建立了隔震與非隔震結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行了計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出地下室坡道、扶梯、樓梯等穿越隔震層結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施；劉燦等[4]基于日本等效線性方法，結(jié)合GB 50011—2010(2016年版)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]對(duì)隔震設(shè)計(jì)的基本規(guī)定，歸納隔震簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法，并以某采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)的學(xué)校建筑為例，進(jìn)行非線性時(shí)程分析；沈雁波等[6]對(duì)大面積隔震結(jié)構(gòu)工程隔震支座在非地震作用下產(chǎn)生水平位移的原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決措施；王振東等[7]對(duì)軟弱地基隔震支座變形規(guī)律和特點(diǎn)進(jìn)行了研究，并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果對(duì)變形原因進(jìn)行了分析。

綜上所述，已有學(xué)者對(duì)大型公共建筑和高層建筑隔震設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定研究，但對(duì)高烈度區(qū)大型公共建筑設(shè)計(jì)及施工的研究較少。為此，本文以中共海南省委黨校新校區(qū)建設(shè)項(xiàng)目3號(hào)樓體育中心為依托，對(duì)隔震設(shè)計(jì)與施工技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

中共海南省委黨校新校區(qū)建設(shè)項(xiàng)目位于海南省?？谑忻捞m區(qū)，包括1～11號(hào)樓，其中4，5，11號(hào)樓不含地下室。地上建筑面積約118 639m2，地下建筑面積約58 796m2，總建筑面積約177 435m2?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.3g。在1，3號(hào)樓首層與地下室之間設(shè)置隔震層，隔震層高1.85m，在1號(hào)樓設(shè)置LRB600，LRB700，LRB800，LRB900型鉛芯橡膠支座，在3號(hào)樓設(shè)置LRB600，LRB700，LRB800，LRB900型鉛芯橡膠支座和RB600，RB800，RB900型橡膠支座，共設(shè)162個(gè)支座。

2 隔震設(shè)計(jì)分析

2.1 模型建立

采用ETABS軟件建立3號(hào)樓體育中心隔震結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖1所示。

圖1 有限元模型

2.2 隔震支座長(zhǎng)期面壓計(jì)算

考慮結(jié)構(gòu)重力荷載代表值作用，計(jì)算得到隔震支座長(zhǎng)期面壓最大值為10.86MPa，3號(hào)樓體育中心為丙類建筑，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，可知本項(xiàng)目隔震支座壓應(yīng)力滿足限值要求。

2.3 隔震層抗風(fēng)承載力驗(yàn)算

隔震層須具備足夠的屈服前剛度，以滿足風(fēng)荷載和微振動(dòng)要求。隔震層水平恢復(fù)力由鉛芯橡膠支座和天然橡膠支座共同提供。本工程100年一遇風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的總水平力為3 120kN，小于結(jié)構(gòu)總重(198 401kN)的10%，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第12.1.3節(jié)要求。隔震層屈服力為6 366kN，大于100年一遇風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下隔震層層間剪力的1.4倍(4 368kN)，滿足隔震層抗風(fēng)承載力要求。

2.4 自振周期分析

分別計(jì)算非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)前三階振型下的自振周期，結(jié)果如表1所示。由表1可知，隔震結(jié)構(gòu)自振周期較長(zhǎng)，抗震性能較好。

表1 非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)前3階振型下的自振周期

2.5 彈性時(shí)程與反應(yīng)譜分析

選取適合本工程場(chǎng)地類別的5條天然波和2條人工波進(jìn)行非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析，結(jié)果如表2，3所示。利用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算得到非隔震結(jié)構(gòu)x，y向地震作用下基底剪力分別為70 477，69 995kN，隔震結(jié)構(gòu)x，y向地震作用下基底剪力分別為37 252，37 058kN。由表2，3可知，彈性時(shí)程分析得到的x，y向地震作用下非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)基底剪力與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果比值均>80%，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1.2條的規(guī)定，表明選取的地震波可用于結(jié)構(gòu)時(shí)程分析。

表2 非隔震結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析結(jié)果

2.6 層間剪力分析

非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震作用下最大層間剪力如圖2所示。由圖2可知，采用隔震技術(shù)后，隔震結(jié)構(gòu)x，y向地震作用下最大層間剪力均顯著降低，可將上部結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度降低1度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 結(jié)構(gòu)最大層間剪力

2.7 罕遇地震作用分析

隔震支座在罕遇地震作用下的短期極值面壓是隔震層設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，短期極值面壓計(jì)算時(shí)考慮了重力荷載代表值、雙向水平地震作用及豎向地震作用，其中，短期極大面壓軸力組合包括1.0×恒荷載+0.5×活荷載+1.0×罕遇水平地震作用+0.4×豎向地震作用、1.0×恒荷載+0.5×活荷載+0.4×罕遇水平地震作用+1.0×豎向地震作用；短期極小面壓軸力組合包括0.9×恒荷載-1.0×罕遇水平地震作用-0.4×豎向地震作用、0.9×恒荷載+0.4×罕遇水平地震作用-1.0×豎向地震作用。計(jì)算得到隔震支座短期極大面壓為10.21MPa，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第12.2.4條規(guī)定的丙類建筑橡膠支座壓應(yīng)力限值為15MPa的要求；隔震支座短期極小面壓為2.89MPa，未受拉，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第12.2.4條規(guī)定的橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時(shí)作用下，拉應(yīng)力不應(yīng)大于1MPa的要求。

表3 隔震結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析結(jié)果

2.8 抗傾覆驗(yàn)算

隔震結(jié)構(gòu)抗傾覆力矩主要由上部結(jié)構(gòu)自重提供，即按上部結(jié)構(gòu)重力代表值計(jì)算抗傾覆力矩，進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算，考慮罕遇地震作用，并考慮上部結(jié)構(gòu)各層重心相對(duì)于初始位置存在偏移，以結(jié)構(gòu)變形后各層形心到最外側(cè)邊緣隔震支座軸線的距離為相應(yīng)樓層抗傾覆力矩力臂，抗傾覆安全系數(shù)(抗傾覆力矩與傾覆力矩之比)應(yīng)≥1.2。隔震結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果如表4所示。由表4可知，隔震結(jié)構(gòu)在x，y向地震作用下的抗傾覆安全系數(shù)均滿足要求，表明隔震結(jié)構(gòu)具有良好的抗傾覆能力。

表4 隔震結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果

3 隔震結(jié)構(gòu)施工

隔震支座安裝時(shí)，標(biāo)高、水平位置和水平度需控制在規(guī)范限值和設(shè)計(jì)圖紙?jiān)试S范圍內(nèi)，傳統(tǒng)施工方法需采用全站儀進(jìn)行逐個(gè)定位，安裝速度較慢。為此，建立隔震支座BIM模型，并對(duì)支座安裝工藝進(jìn)行模擬，對(duì)下柱墩鋼筋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證柱墩鋼筋與隔震支座預(yù)埋錨筋不發(fā)生碰撞。柱墩混凝土澆筑完成并達(dá)到強(qiáng)度后進(jìn)行隔震支座安裝，工藝流程如圖3所示。

圖3 隔震支座安裝流程

3.1 測(cè)量放線

隔震層底板澆筑完成后，采用全站儀測(cè)設(shè)建筑軸線，并標(biāo)注在隔震層底板上。同時(shí)，測(cè)設(shè)隔震支座柱墩頂標(biāo)高，并標(biāo)注在隔震層周圍剪力墻上。

3.2 下支墩鋼筋綁扎

根據(jù)柱墩BIM模型，進(jìn)行柱墩鋼筋排布，確定柱墩鋼筋與隔震支座預(yù)埋錨筋沖突位置并調(diào)整。

3.3 預(yù)埋板定位

采用激光掃平儀、全站儀、卷尺進(jìn)行隔震支座預(yù)埋板水平定位，并進(jìn)行預(yù)埋板水平度和標(biāo)高復(fù)核。安裝完成的隔震支座如圖4所示。

圖4 安裝完成的隔震支座

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合?？谑兄泄埠Ｄ鲜∥h校新校區(qū)建設(shè)項(xiàng)目，采用ETABS軟件建立3號(hào)樓體育中心隔震結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)分析，包括隔震支座長(zhǎng)期面壓計(jì)算、隔震層抗風(fēng)承載力驗(yàn)算、自振周期分析、彈性時(shí)程與反應(yīng)譜分析、層間剪力分析、罕遇地震作用分析、抗傾覆驗(yàn)算。隔震設(shè)計(jì)分析結(jié)果表明，采用隔震技術(shù)后，隔震結(jié)構(gòu)受力性能、抗傾覆性能等均得到提高。

通過(guò)采用BIM技術(shù)，對(duì)支座安裝工藝進(jìn)行模擬，對(duì)下柱墩鋼筋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證柱墩鋼筋與隔震支座預(yù)埋錨筋不發(fā)生碰撞。針對(duì)隔震支座傳統(tǒng)施工方法安裝速度慢的問(wèn)題，使用激光掃平儀、全站儀等進(jìn)行測(cè)量定位，保證了支座安裝速度與精度，縮短了工期。