底框結(jié)構(gòu)隔震加固的優(yōu)化分析

黃麗靜, 楊 濤

(1.軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院，北京 100036；2.華通設(shè)計(jì)顧問(wèn)工程有限公司，北京 100034)

底框砌體結(jié)構(gòu)由于底層空間較大，常作為沿街商業(yè)用房，應(yīng)用廣泛。但底框結(jié)構(gòu)上部砌體墻本身是一種脆性材料，抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度都很低，而砌體墻不僅僅是承重構(gòu)件，還作為抗側(cè)力構(gòu)件，與底層的框架結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，形成兩種差異很大的抗側(cè)力體系。而且縱向由于材料不同，質(zhì)量和剛度也有較大的變化，分布極為不均勻，這對(duì)抗震來(lái)說(shuō)是很不利的，容易造成較大的震害。汶川地震災(zāi)害已充分證實(shí)了這一點(diǎn)。隔震技術(shù)應(yīng)用于底框結(jié)構(gòu)加固改造中是一種新的設(shè)計(jì)思路。

在國(guó)外已經(jīng)有很多隔震加固改造的實(shí)例，尤其是在許多歷史文化價(jià)值很高的文物建筑中都積極采用了隔震加固技術(shù)[1-2]。目前美國(guó)已經(jīng)有數(shù)十棟房屋采用隔震技術(shù)進(jìn)行了加固[1]，包括混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)以及木結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)形式。此外，日本、新西蘭等國(guó)家也緊隨其后，將隔震技術(shù)應(yīng)用于房屋加固改造工程中，均取得了很好的效果。

本文通過(guò)一個(gè)實(shí)際底框結(jié)構(gòu)加固工程，運(yùn)用大型通用有限元分析軟件SAP2000建立了傳統(tǒng)抗震模型、基礎(chǔ)隔震模型以及層間隔震模型，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和動(dòng)力時(shí)程分析，通過(guò)分析對(duì)比得出隔震措施在底框結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢(shì)及采用隔震措施對(duì)既有底框結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)的可行性。

1 工程概況

本文采用的工程實(shí)例是某醫(yī)院杏林大廈。本工程修建于20世紀(jì)90年代初，圖紙完成于1992年，按89系列規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。本建筑屬于乙類建筑，地上一層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、2～5層為砌體結(jié)構(gòu)。地上一層層高為4.8 m，其余各層層高為3.3 m，構(gòu)件截面尺寸：柱為500 mm×500 mm，A～D軸梁為240 mm×450 mm，首層1軸、6軸梁為370 mm×700 mm，其余梁為240 mm×600 mm?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板厚100 mm，全部混凝土采用C30。上部砌體部分采用燒結(jié)普通磚MU10、砂漿M5砌筑，墻體厚度除1軸和6軸為370 mm外其余各墻厚度均為240 mm。上部磚房均按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》在橫墻與縱墻交界處設(shè)置構(gòu)造柱，構(gòu)造柱截面尺寸為240 mm×240 mm，圈梁高180 mm。標(biāo)準(zhǔn)平面布置見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面布置(單位：mm)

2 模型建立

采用有限元軟件SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，在幾何建模過(guò)程中，結(jié)構(gòu)首層梁和柱采用三維框架單元，樓板采用膜單元，并采用剛性樓板假定，墻體采用均質(zhì)殼單元。模擬隔震支座時(shí)采取SAP2000中的Rubber Isolater單元。

隔震支座的數(shù)量及型號(hào)選用原則：計(jì)算出上部結(jié)構(gòu)所有荷載傳到柱底的最大軸力設(shè)計(jì)值，即為每個(gè)隔震支座上的軸力設(shè)計(jì)值。由GB 5001-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第12.2.3條規(guī)定的隔震支座的平均壓應(yīng)力的限值，計(jì)算確定出每個(gè)支座的直徑。本工程中，經(jīng)過(guò)荷載統(tǒng)計(jì)，得出最大柱軸力設(shè)計(jì)值為1 359 kN，選取鉛芯橡膠隔震支座GZY400。具體參數(shù)見表1。

建立三個(gè)模型方案。方案一：傳統(tǒng)抗震模型；方案二：隔震支座置于基礎(chǔ)頂；方案三：隔震支座置于一、二層之間對(duì)應(yīng)底層柱位置，其形心均與柱截面形心重合，每個(gè)柱均設(shè)置一個(gè)隔震支座。通過(guò)SAP2000建立的底框砌體結(jié)構(gòu)仿真模型如圖2所示。

表1 隔震支座GZY400結(jié)構(gòu)參數(shù)

選用著名的El-Centro波和Taft波，其卓越周期分別為0.3 ～0.4 s和0.4 s。本工程場(chǎng)地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)計(jì)分組為第一組，因此特征周期值為0.35 s，選取的地震波的卓越周期與建筑場(chǎng)地接近，且其平均地震影響系數(shù)曲線均與規(guī)范中地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。

3 地震反應(yīng)分析

3.1 模態(tài)分析對(duì)比

對(duì)三種方案的分析模型進(jìn)行模態(tài)分析，得出各個(gè)結(jié)構(gòu)方案的周期。表2給出了前三階自振周期的對(duì)比結(jié)果。

表2 三種方案的周期對(duì)比 s

由表2可以看出，三種方案的前兩階自振周期十分接近，表明本工程隔震結(jié)構(gòu)的自振特性主要由前兩階水平方向的平動(dòng)效應(yīng)控制，此外第三階扭轉(zhuǎn)振型效應(yīng)也參與了一部分貢獻(xiàn)。

傳統(tǒng)隔震結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的基本周期為0.5849 s，與場(chǎng)地的卓越周期十分接近，這對(duì)于抗震是很不利的。采用隔震結(jié)構(gòu)以后，不論是哪種隔震方式，結(jié)構(gòu)的基本周期都增加了2倍多，周期有了很大程度的延長(zhǎng)，有效地避開了場(chǎng)地的卓越周期，從而避開了場(chǎng)地地震波的主要成分。此外由于結(jié)構(gòu)的基本周期被延長(zhǎng)，由地震反應(yīng)譜曲線也可看出，在超過(guò)卓越周期之后，隨著周期的延長(zhǎng)，上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)將大大減小，這對(duì)結(jié)構(gòu)是非常有利的。

3.2 多遇地震下單方向輸入地震波的地震反應(yīng)對(duì)比

對(duì)傳統(tǒng)抗震、基礎(chǔ)隔震和層間隔震這三種方案在多遇地震(35 cm/s2)情況下，分別沿東西向和南北向輸入EL-Centro波、Taft波和人工波，得到各方案在單向地震波作用下結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)、層間剪力以及層間位移的反應(yīng)，并對(duì)各方案進(jìn)行分析對(duì)比，得出最適宜的隔震加固方案。

(a) 方案一模型

(b) 方案二模型

(c) 方案三模型圖2 SAP2000建立的三維有限元分析模型

3.2.1 加速度反應(yīng)

將各樓層在El-Centro波、Taft波和人工波作用下的加速度反應(yīng)求取均值進(jìn)行對(duì)比分析，見圖3和圖4。

圖3 三種方案各樓層?xùn)|西向加速度反應(yīng)

圖4 三種方案各樓層南北向加速度反應(yīng)

由圖3和圖4中可以看出，不管是基礎(chǔ)隔震還是層間隔震方案，對(duì)于結(jié)構(gòu)加速度的降低有著顯著的效果，東西向輸入地震波時(shí)層間隔震方案的頂層加速度僅為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的25 %，除首層外的其余各樓層的加速度約為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的22 %～23 %；南北向輸入地震波時(shí)層間隔震方案的頂層加速度僅為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的44 %，除首層外的其余各樓層的加速度約為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的23 %～39 %；東西向和南北向輸入地震波時(shí)基礎(chǔ)隔震方案的頂層加速度均僅為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的22 %，除首層外的其余各樓層加速度約為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的21 %～23 %。由此可見隔震層起到了有效降低水平地震作用向上傳遞的作用。對(duì)于首層框架，基礎(chǔ)隔震方案首層?xùn)|西向加速度僅為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的23 %，南北向加速度僅為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的25 %，降低比例很大。而層間隔震方案以隔震層為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，隔震層以下的首層加速度在東西向和南北向分別輸入地震波時(shí)平均值只是略小于傳統(tǒng)抗震方案，約為基礎(chǔ)隔震的4倍左右。也就是說(shuō)層間隔震對(duì)于隔震層以下樓層來(lái)說(shuō)降低地震加速度的效果不佳，在此方面基礎(chǔ)隔震方案效果優(yōu)于層間隔震方案。

3.2.2 層間剪力反應(yīng)

三種方案在不同地震波的作用下，將各樓層在El-Centro波、Taft波和人工波作用下的層間剪力反應(yīng)求取均值進(jìn)行對(duì)比分析，見圖5和圖6。

圖5 三種方案各樓層?xùn)|西向?qū)娱g剪力反應(yīng)

圖6 三種方案各樓層南北向?qū)娱g剪力反應(yīng)

由圖5和圖6中可以看出，與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相比，基礎(chǔ)隔震和層間隔震這兩種方案各樓層的層間剪力都有了大幅度的減小，由此可見這兩種隔震結(jié)構(gòu)都能有效地降低結(jié)構(gòu)各樓層的層間剪力。層間隔震方案東西向輸入地震波時(shí)首層的層間剪力相當(dāng)于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的26 %，其余各樓層也降低至傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的22 %～25 %；南北向輸入地震波時(shí)首層的層間剪力相當(dāng)于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的33 %，其余各樓層也降低至傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的32 %～45 %；而基礎(chǔ)隔震方案在東西向地震波的作用下首層的層間剪力僅相當(dāng)于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的21 %，其余各層也僅為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的21 %～22 %；在南北向地震波的作用下首層的層間剪力僅相當(dāng)于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的22 %，其余各層也僅為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的21 %～22 %。相比之下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的效果略優(yōu)于層間隔震。由于各樓層剪力的最大值都出現(xiàn)在首層，因此在進(jìn)行隔震加固之后要特別注意首層柱的承載力的驗(yàn)證。

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)層間剪力的最大比值為0.22，因此隔震層以上結(jié)構(gòu)的水平減震系數(shù)可以取0.32，上部結(jié)構(gòu)相當(dāng)于至少降低1.5度。本工程為7度抗震設(shè)防，也就是說(shuō)經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)隔震加固之后，上部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防降低至6度以下。

3.2.3 位移反應(yīng)

三種方案在不同地震波的作用下，將各樓層在El-Centro波、Taft波和人工波作用下的除隔震層外的各樓層層間位移反應(yīng)求取均值進(jìn)行對(duì)比分析，見圖7和圖8。

圖7 三種方案各樓層?xùn)|西向?qū)娱g位移反應(yīng)

圖8 三種方案各樓層南北向?qū)娱g位移反應(yīng)

由圖7和圖8可以看出，該建筑在傳統(tǒng)抗震方案中首層產(chǎn)生很大的變形，東西向地震波作用下首層位移角已經(jīng)高達(dá)1/272，南北向地震波作用下首層位移角高達(dá)1/322，均大于規(guī)范所規(guī)定的鋼筋混凝土彈性層間位移角限值1/550。當(dāng)采用基礎(chǔ)隔震方案或者層間隔震方案以后，層間位移有了大幅度的減小，東西向地震波作用下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/1 277，相當(dāng)于隔震之前結(jié)構(gòu)的21 %；南北向地震波作用下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/1 481，相當(dāng)于隔震之前結(jié)構(gòu)的22 %；層間隔震結(jié)構(gòu)在東西向地震波作用下的最大層間位移角為1/1 096，相當(dāng)于隔震之前結(jié)構(gòu)的25 %；南北向地震波作用下的最大層間位移角為1/996，相當(dāng)于隔震之前結(jié)構(gòu)的32 %，首層均滿足彈性位移角限值1/550?？梢姼粽鸾Y(jié)構(gòu)能有效的減少結(jié)構(gòu)各樓層的層間位移，變形主要集中在隔震層，這樣就起到了對(duì)地震作用向上部結(jié)構(gòu)傳遞的抑制作用。相比之下，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的效果略優(yōu)于層間隔震結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過(guò)對(duì)該工程在多遇地震作用下的地震反應(yīng)分析，對(duì)比了傳統(tǒng)抗震、基礎(chǔ)隔震和層間隔震這三種方案的作用效果，可以得出結(jié)論：基礎(chǔ)隔震和層間隔震結(jié)構(gòu)都可以有效地減少地震作用向上部結(jié)構(gòu)的傳遞。相比之下，基礎(chǔ)隔震方案要優(yōu)于層間隔震方案。因此本工程選取基礎(chǔ)隔震方案對(duì)其進(jìn)行隔震加固。

3.2.4 罕遇地震下隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析

由于地震作用是多維的，因此在對(duì)選定的基礎(chǔ)隔震方案進(jìn)行罕遇地震下的隔震支座變形驗(yàn)算時(shí)考慮雙方向輸入地震作用。

根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，對(duì)結(jié)構(gòu)采取三維空間模型且輸入雙向地震波時(shí)，對(duì)其加速度最大值按照1∶0.85的比例進(jìn)行調(diào)整。因此，在對(duì)基礎(chǔ)隔震方案輸入地震波時(shí)，東西向的加速度最大值調(diào)整到220 cm/s2,南北向的加速度最大值調(diào)整到187 cm/s2。此外，規(guī)范規(guī)定，隔震支座的最大水平位移值取0.55D和3T的較小值(其中D隔震支座的有效直徑，T為各橡膠層總厚度)，GZY400隔震支座的水平位移變形限值為206 mm。表3給出了在罕遇地震作用下隔震支座的水平位移。

表3 隔震支座水平位移 mm

由以上分析可得，本工程采用的GZY400在罕遇地震作用下的隔震支座變形均滿足要求。

4 結(jié)論

本章以某醫(yī)院杏林大廈為工程背景，對(duì)這個(gè)底部一層、上部四層的底框結(jié)構(gòu)分別采用基礎(chǔ)隔震、層間隔震和傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，應(yīng)用SAP2000建立三種三維有限元分析模型。

(1)通過(guò)模態(tài)分析得出三種方案的自振周期，可以看出隔震結(jié)構(gòu)可以很大程度地延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的周期，從而有效地避開場(chǎng)地的卓越周期。

(2)通過(guò)輸入經(jīng)典的El-Centro波，Taft波以及人工波得出三種方案在地震作用下結(jié)構(gòu)的加速度、層間剪力以及位移反應(yīng)，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析，由對(duì)比結(jié)果可以看出，隔震結(jié)構(gòu)可以很好地隔絕地震作用向上部結(jié)構(gòu)的傳遞。相比之下基礎(chǔ)隔震方案要略優(yōu)于層間隔震方案，當(dāng)采用基礎(chǔ)隔震方案時(shí)，結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)、層間剪力、層間位移均可降至傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的20 %～25 %，效果十分顯著。

由此可見，將隔震技術(shù)應(yīng)用于加固工程中，不僅對(duì)于隔震技術(shù)本身是一種新的嘗試，擴(kuò)大了隔震新技術(shù)的應(yīng)用范圍，而且更加為房屋的加固改造引入了一種前所未有的新思路。