8度區(qū)某小學教學樓隔震設計

石建安

（天水建筑設計院有限公司，甘肅 天水 741000）

1 工程概況

甘肅省某小學教學樓總建筑面積為7 512.87 m2，其中地上6 111.47 m2，地下1 401.40 m2，為地上五層（不含屋頂）地下一層鋼筋混凝土框架結構。建筑平面為矩形，隔震層高2.6 m，一至四層高3.8 m，五層層高5.1 m。長65.8 m，寬17.8 m，高23.97 m，長寬比為3.7，高寬比為1.35。項目位于8度地區(qū)且為學校教學樓，采用橡膠隔震支座方案、基礎隔震技術進行隔震設計，如圖1。

圖1 建筑效果圖

2 設計參數

設計基準期為50年，建筑抗震設防類別為乙類（重點設防類），結構安全等級為一級。地面粗糙度類別為C類，基本風壓值為0.35 kN/m2?？拐鹪O防烈度為8度（0.20 g），設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.45 s?？蚣芸拐鸬燃壎?，局部單跨框架一級。

3 隔震設計方法

原來隔震設計依據《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）（2016版）（簡稱“抗規(guī)”）采用分部設計方法，將整個結構分為上部結構、隔震層、下部結構分別進行設計。通過引入水平向減震系數，上部結構采用振型分解反應譜方法（CQC）計算，簡化了設計過程，實現(xiàn)了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標?！督ㄖ粽鹪O計標準》（GBT51408-2021）（以下簡稱“隔標”）對隔震結構采用整體設計方法，將上部結構、隔震層、下部結構進行整體建模，采用復振型分解反應譜方法（CCQC）計算，在設防地震作用下進行內力計算和構件設計，進一步引入性能化設計，實現(xiàn)了“中震不壞、大震可修、巨震不倒”的抗震設防目標。不同于《抗規(guī)》，《隔標》將設防地震下的性能目標由“可修”提高為“不壞或無需修理立即使用”。

4 確定隔震性能目標

4.1 結構體系與抗震等級

房屋高度涉及結構體系選擇、抗震等級確定這兩個重要問題。對于隔震建筑來講，通過對大震下工況的各種驗算、較為嚴格的高寬比限制，能夠有力地保證結構體系的抗傾覆能力、整體剛度與穩(wěn)定性、整體承載能力等宏觀指標。雖然結構隔震層設置位置有所不同，但隔震建筑能夠保證各結構體系的適用高度與普通結構基本一致，故《隔標》6.1.2條規(guī)定隔震建筑宜符合《抗規(guī)》對建筑高度的規(guī)定，用于結構體系的選擇。對于抗震等級來說，在《抗規(guī)》《高規(guī)》中均有關于“接近高度分界”的表述，說明對于抗震有利建筑，其抗震等級可以適當調整，隔震建筑在結構規(guī)則性、地震作用、可能的破壞模式上，均較常規(guī)抗震結構更加有利，故在《隔標》6.1.2條文說明中明確結構高度取隔震支座到上部結構屋面板頂的高度，用于確定上部結構的抗震等級。

4.2 結構構件性能目標的確定

《隔標》規(guī)定隔震結構構件根據性能要求分為關鍵構件、普通豎向構件、重要水平構件和普通水平構件，對不同類型構件按照《隔標》第4.4.6條采用中震進行性能設計。對于基底隔震，由于隔震層樓板的參與，一般認為隔震層梁板具有較強的類似“嵌固端”作用，為保證上部結構的變形破壞模式與一般框架結構保持一致，首層柱不按關鍵構件考慮。所以《隔標》條文所指的隔震層支墩、支柱及相連構件應包含上支墩、與上支墩相連的隔震層主梁、下支墩，但不包括底層框架柱。

4.3 抗震措施的確定

《抗規(guī)》通過計算水平向減震系數確定隔震層以上結構的抗震措施。而《隔標》通過計算底部剪力比代替水平向減震系數確定上部結構的抗震措施。在設防地震作用下計算隔震模型與非隔震模型結構剪力比，從而得出本工程的結構剪力比最大值為0.36小于0.5，上部結構可按本地區(qū)設防烈度降低1度確定抗震措施，如表1。

表1 設防地震作用下隔震與非隔震結構剪力比計算

5 隔震層設計

5.1 布置隔震支座

布置隔震支座時，周邊設置帶鉛芯的隔震支座，內部設置一般橡膠隔震支座，然后通過計算結果中的隔震層偏心率和屈重比進行相應的調整優(yōu)化。本工程隔震層設置在地下室與首層（±0.00）之間，隔震支座布置在框架柱下，共布置隔震支座44個（其中鉛芯橡膠支座32個，天然橡膠支座12個），如圖2。隔震支座布置參數見表2~表3。

圖2 隔震支座布置圖

表2 鉛芯橡膠支座設計參數

表3 天然橡膠支座設計參數

5.2 隔震層偏心率驗算

隔震結構偏心率是隔震層設計中的一個關鍵控制點，也是控制結構扭轉效應的一個重要指標。根據《隔標》第4.6.2條規(guī)定：隔震層剛度中心與質量中心宜重合，設防烈度地震作用下的偏心率不大于3%。經計算本工程的偏心率為Rex=1.30%、Rey=2.64%均小于3%。

5.3 隔震支座壓應力驗算

隔震支座壓應力計算屬于正常使用極限狀態(tài)設計，用來保證各支座在長期面壓下的蠕動變形和性能穩(wěn)定。根據《建筑結構荷載規(guī)范》第3.2.10條規(guī)定，荷載組合為準永久組合，采用重力荷載代表值不需要考慮荷載分項系數。本教學樓為重點設防類建筑，參照《隔標》隔震支座壓應力限制為12 MPa。表4列出了本工程各型號隔震支座在重力荷載代表值下的豎向壓力值，隔震橡膠支座的長期面壓最大值為11.03 MPa，滿足規(guī)范限值。

表4 各型號隔震支座在重力荷載代表值下的最大壓力值

5.4 隔震層抗風驗算

橡膠隔震支座抗拉屈服強度低，所以需要限值非地震作用的水平荷載。根據《抗規(guī)》第12.1.3條規(guī)定：風荷載和其他非地震作用的水平荷載標準值產生的總水平力不宜超過結構總重力的10%。本工程風荷載標準值下產生的總水平力為690 kN，小于結構總重力102 611.5×10%=102 61.15 kN。隔震層應具有足夠的水平剛度和強度，保證隔震建筑在風荷載作用下的舒適性和安全性。本工程采用鉛芯橡膠支座作為抗風裝置，利用鉛芯屈服前的承載力作為水平抗風承載力。根據《隔標》第4.6.8條，由隔震層抗風裝置和隔震支座屈服強度設計值共同構成的隔震層抗風承載力設計值應不小于風荷載作用下隔震層水平剪力標準值的1.4倍，即1.4×690 kN=966 kN＜12×90+18×90+2×103=2 906 kN，滿足隔震層抗風承載力要求。

6 分析計算結果

6.1 上部結構設計

上部結構設計可不考慮周期折減的影響，不考慮扭轉周期比、扭轉位移比的限值要求，但需要滿足彈性層間位移角限值、最小地震剪力的要求。層間位移角是保證結構剛度、結構穩(wěn)定性、控制結構性能的重要指標，對比《抗規(guī)》，《隔標》彈性層間位移角限制略有放松。滿足最小地震剪力是結構后續(xù)隔震計算的前提，隔震結構各樓層水平地震剪力系數應滿足《隔標》第4.4.7條的規(guī)定，值得注意的是《隔標》是在設防地震作用下進行計算的。本項目計算結果見表5，可以看到各樓層剪重比、彈性層間位移角均滿足要求。

表5 設防地震作用下各樓層剪重比、彈性層間位移角

6.2 隔震層設計

6.2.1 罕遇地震作用下的水平位移經計算在罕遇地震作用下隔震支座的最大水平位移為164 mm，滿足規(guī)范要求。

6.2.2 隔震支座短期面壓驗算

在罕遇地震的水平和豎向地震下，對拉應力進行限制是為了防止隔震結構出現(xiàn)傾覆。計算隔震支座在罕遇地震下的拉壓應力時，應采用彈塑性時程分析方法。根據《隔標》第6.2.1條規(guī)定：隔震橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時作用下拉應力不應大于1.0 MPa。本工程設計通過合理的支座選取、布置，在罕遇地震作用下本工程支座沒有出現(xiàn)拉應力。

6.2.3 隔震結構抗傾覆驗算

根據《隔標》第4.6.9條規(guī)定：隔震結構應進行結構整體抗傾覆驗算。結構在罕遇地震下最不利抗傾覆力矩與傾覆力矩比值為5.57，滿足規(guī)范要求。

7 結語

（1）甘肅省某小學教學樓采用橡膠隔震支座方案、基礎隔震技術進行隔震設計，上部結構按本地區(qū)設防烈度降低1度采取抗震措施。經計算各主要設計指標和參數均滿足規(guī)范要求。

（2）采用《隔標》可以通過一次設計滿足相關要求，而采用《抗規(guī)》不能直接保證結構在中震水準的性能。故在隔震建筑設計中應優(yōu)先采用《隔標》的相關設計方法，對于《隔標》中未涉及的部分可參考其他規(guī)范或標準中的相關要求。

（3）著重對房屋高度、性能目標選擇、抗震措施確定等概念做了重點分析。在結構體系選擇、抗震等級確定中，應區(qū)分建筑高度、結構高度，尤其是在層間隔震建筑中更為重要。