較重荷載下公共建筑的隔震設(shè)計(jì)研究

孔 鵬

（山西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

隨著結(jié)構(gòu)軟件計(jì)算能力的提升，建筑隔震設(shè)計(jì)也從最初的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)階段逐步過(guò)渡到關(guān)注強(qiáng)震下建筑工作性能及建筑全生命周期內(nèi)性能水準(zhǔn)等更高要求的設(shè)計(jì)階段。地震來(lái)臨時(shí)隔震建筑的變形主要集中在隔震層，上部結(jié)構(gòu)的變形及室內(nèi)設(shè)施設(shè)備損傷小，人員的震感減弱。與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相比，隔震建筑在遭遇大震時(shí)表現(xiàn)良好。

目前單體聯(lián)合隔震的工程較多，建筑形式也多樣化，沒有統(tǒng)一的特點(diǎn)可遵循。本文主要對(duì)采用整體設(shè)計(jì)法計(jì)算的公共建筑進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)方面的研究。

1.1 工程概況

本項(xiàng)目以某圖文中心（學(xué)校建筑）為例進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)的相關(guān)研究，工程整體效果見圖1。工程建設(shè)區(qū)域內(nèi)場(chǎng)地平坦，項(xiàng)目地下一層為人防層（核6 常6 級(jí)）、汽車庫(kù)，一層為報(bào)告廳、會(huì)議室、開架閱覽室，二～五層為圖書閱覽區(qū)及局部相關(guān)功能區(qū)，整體結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1（a） 效果圖

圖1（b） 整體結(jié)構(gòu)模型

項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作年限為50 年，安全等級(jí)為二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑抗震設(shè)防烈度為8 度（0.20g），設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地特征周期Tg=0.55s，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類。建筑場(chǎng)地類別為III 類，項(xiàng)目所在地地面粗糙度類別為B 類，基本風(fēng)壓為0.40KN/m2，基本雪壓為0.35KN/m2，場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn)凍深為0.74m。

1.2 結(jié)構(gòu)布置及荷載

地下一層長(zhǎng)× 寬為126.6m×126.8m，一層長(zhǎng)× 寬為118.7m×75.6m，二層～五層長(zhǎng)×寬為110.1m×51.2m，室外有大臺(tái)階連通首層地面至二層樓面。建筑物高度為H=29.9m，室內(nèi)外高差0.9m，結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)體系。為解決結(jié)構(gòu)立面的高低錯(cuò)落問(wèn)題，在首層大臺(tái)階頂部（含大臺(tái)階兩側(cè)的出地面單層結(jié)構(gòu)）位置及主樓的高低層交界位置共設(shè)置兩道通長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縫，將整個(gè)建筑分成3 個(gè)獨(dú)立單體，其中大臺(tái)階及其左右突出地面單層結(jié)構(gòu)與地下車庫(kù)連成整體（為非隔震結(jié)構(gòu)），其余地面以上的低層及高層部分為共用同一個(gè)隔震層的獨(dú)立單體。單體建筑均屬于平面體形規(guī)則的建筑物。根據(jù)《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》 第十六條[1]之規(guī)定，本工程采用層間隔震技術(shù)[2]，以保證發(fā)生本區(qū)域設(shè)防地震時(shí)建筑能夠滿足正常使用要求。

本工程因要考慮圖書及藏書的問(wèn)題，建筑面層做法為樓面（恒載）1.7kN/m2、樓面可變荷載普遍在6.0～8.0kN/m2；考慮建筑做法及設(shè)備重量取屋面（恒載）10.0kN/m2、屋面活荷載2.0kN/m2。為滿足建筑裝配率，結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土疊合樓板，樓板厚度比常規(guī)建筑加厚?？傮w來(lái)看，該結(jié)構(gòu)屬于高寬比較小但建筑荷載總量相對(duì)較大的公共建筑。

2 隔震概述及關(guān)鍵指標(biāo)控制

2.1 隔震設(shè)計(jì)概述

本工程以《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱《隔標(biāo)》）為主要依據(jù)進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)，工程采用pkpm 軟件進(jìn)行復(fù)振型分解反應(yīng)譜法（迭代計(jì)算）進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)的分析，并采用時(shí)程分析法進(jìn)行校核。本工程隔震設(shè)計(jì)方法采用“整體分析設(shè)計(jì)法”，底部剪力比由設(shè)防地震下的復(fù)振型分解反應(yīng)譜法結(jié)合迭代分析確定。

相關(guān)構(gòu)件重要性分類[3]如下：關(guān)鍵構(gòu)件：隔震層框架梁、隔震層轉(zhuǎn)換梁；隔震層上、下支墩；普通豎向構(gòu)件：關(guān)鍵構(gòu)件之外的豎向構(gòu)件；普通水平構(gòu)件：關(guān)鍵構(gòu)件之外的水平構(gòu)件。

工程設(shè)計(jì)中對(duì)該結(jié)構(gòu)上、下支墩進(jìn)行罕遇地震下的承載力驗(yàn)算，設(shè)計(jì)其承載力達(dá)到抗彎不屈服、抗剪彈性的要求，并在計(jì)算中考慮了隔震支座大變形帶來(lái)的附加彎矩。

2.2 隔震支座布置及特點(diǎn)

該工程豎向荷載分布不均，單體間柱軸力差異較大，為將各支座壓應(yīng)力控制在合理范圍以達(dá)到預(yù)期的隔震效果，經(jīng)過(guò)反復(fù)試算，最終確定隔震層由鉛芯橡膠隔震支座（LRB）[4]、普通橡膠隔震支座（LNR）以及彈性滑板支座（ESB）[5]共同組成[6]。支座在每根柱子下布置一個(gè)，鉛芯橡膠支座盡量布置在結(jié)構(gòu)周邊。本工程共采用176 套隔震支座，平面布置見圖3（圖中雙支座的上方部分為主樓支座，下方為裙樓支座）。其中LRB 隔震支座120 個(gè)（直徑為Φ800、Φ900、Φ1000 共3 種）、LNR隔震支座32 個(gè)（直徑為Φ800 共1 種）、ESB 彈性滑板支座24 個(gè)（Φ800 共1 種）。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及整體抗扭需求，工程的ESB 彈性滑板支座僅布置于荷載較輕的一層裙樓的內(nèi)部（外圍仍采用鉛芯橡膠支座），彈性滑板支座連接大樣見圖4。

圖3 隔震支座布置圖

圖4 彈性滑板支座連接大樣

2.3 關(guān)鍵指標(biāo)控制

隔震支座在重力荷載代表值作用下壓應(yīng)力不超規(guī)范限值。本工程隔震橡膠支座的最大壓應(yīng)力是9.8MPa 小于限值是12MPa。因計(jì)算調(diào)整需要及成品支座規(guī)格原因，彈性滑板支座的最大壓應(yīng)力是6.8MPa 小于限值是15MPa，彈性滑板支座留有一定的儲(chǔ)備，并有利于保持支座間的變形協(xié)調(diào)。

上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與隔震層隔震支座的剛心不重合時(shí)，地震作用下隔震層的外圍端部的支座扭轉(zhuǎn)位移會(huì)增大，而中部的靠近剛度中心的支座變形很小，此時(shí)整體隔震不合理。為避免過(guò)大的扭轉(zhuǎn)變形出現(xiàn)，設(shè)防烈度地震作用下的偏心率不宜大于3%。本工程的計(jì)算結(jié)果為：X 方向0.06%，Y 方向1.91%。

風(fēng)載下的穩(wěn)定驗(yàn)算[7]要求是滿足建筑正常使用的基本要求，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的產(chǎn)生的總水平力標(biāo)準(zhǔn)值不宜超過(guò)結(jié)構(gòu)總重力的10%。該結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的產(chǎn)生的總水平力為1 621.2kN，總重力為613 875.4kN，滿足要求。從以下驗(yàn)算可知鉛芯橡膠支座的屈服承載力遠(yuǎn)大于風(fēng)載下的水平力設(shè)計(jì)值為：

隔震層必須具備足夠的屈服前剛度，以滿足風(fēng)荷載和微振動(dòng)的要求。本工程鉛芯橡膠支座水平剛度簡(jiǎn)化為雙線性、天然橡膠支座的水平剛度簡(jiǎn)化為線性，隔震層的水平恢復(fù)力同時(shí)考慮鉛芯橡膠支座和天然橡膠支座共同剛度，經(jīng)計(jì)算可知隔震層水平抗恢復(fù)力滿足《隔標(biāo)》要求。

3 主要隔震分析

3.1 地震波的選取及模型驗(yàn)證

本工程選取了實(shí)際5 條強(qiáng)震記錄和2 條人工模擬加速度時(shí)程，時(shí)程波有效持續(xù)時(shí)間均在（5～10）T1 的范圍內(nèi)?？拐鹉Ｐ图案粽鹉Ｐ驮O(shè)防地震采用地震加速度最大值均為200cm/s2；隔震模型罕遇地震采用地震加速度最大值為400cm/s2。在保證基底剪力滿足要求的前提下，多組時(shí)程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差不大于20%，選波符合要求。

對(duì)比ETABS 和PKPM 非隔震模型的質(zhì)量、周期和層間剪力，兩軟件模型的質(zhì)量差值僅在0.58%，周期僅相差1%。用于本工程隔震分析計(jì)算的ETABS 模型與PKPM 模型是基本一致的。

3.2 設(shè)防地震分析

采用隔震技術(shù)后，結(jié)構(gòu)的周期T1 由隔震前的1.479s 延長(zhǎng)為隔震后的2.871s。

由表1 分析得到隔震層以上結(jié)構(gòu)隔震前后，結(jié)構(gòu)底部剪力比值的最大值為0.355，隔震后結(jié)構(gòu)與隔震前結(jié)構(gòu)底部剪力比不大于0.5，上部結(jié)構(gòu)可按設(shè)防烈度降低1 度確定抗震措施。

表1 結(jié)構(gòu)層剪力比計(jì)算結(jié)果

由表2 可知，上部結(jié)構(gòu)隔震設(shè)防最大位移角為1/409，滿足要求。

表2 設(shè)防地震下結(jié)構(gòu)層間位移角

3.3 罕遇地震分析

3.3.1 隔震層水平位移計(jì)算

對(duì)比小震同波形平均值及反應(yīng)譜分析的結(jié)果分析可知，隔震層最大水平位移約為190mm，小于0.55D=440mm（D 為最小隔震支座直徑，本工程采用隔震支座最小直徑為800mm）及3Tr ≥447mm（Tr 為最小隔震支座的橡膠層總厚度）中的較小值，滿足要求；端部支座考慮邊支座扭轉(zhuǎn)影響，放大1.15 倍后為190×1.15=218.5mm，滿足支座位移要求。

表3 罕遇地震時(shí)隔震結(jié)構(gòu)各支座最大位移

為使大震下隔震支座力學(xué)性能的充分發(fā)揮，保證隔震層各個(gè)區(qū)域支座的剪切變形位移相差不至過(guò)大，設(shè)計(jì)中驗(yàn)算了彈性樓板下隔震層最大最小位移比值并按經(jīng)驗(yàn)值1.2 進(jìn)行控制。

按罕遇地震位移計(jì)算結(jié)果，本工程隔震溝寬按不小于600mm考慮，大于隔震支座在罕遇地震作用下最大水平位移的1.2倍，且大于300mm。水平隔離縫高20mm，后期考慮柔性材料填充。

3.3.2 隔震支座應(yīng)力驗(yàn)算及結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算

經(jīng)分析，工程橡膠隔震支座的豎向壓應(yīng)力較均勻，且豎向壓應(yīng)力未超過(guò)乙類建筑的限值12MPa。裙樓部分結(jié)構(gòu)低、荷載小，設(shè)計(jì)中對(duì)彈性滑板支座按豎向變形協(xié)調(diào)控制支座壓應(yīng)力，壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于規(guī)范限值15MPa。在罕遇地震作用下，該建筑各隔震支座均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。因建筑的高寬比較小，支座應(yīng)力驗(yàn)算較容易滿足。

上部結(jié)構(gòu)重力荷載代表值作為抗傾覆力矩，抗傾覆力矩安全系數(shù)應(yīng)大于1.1。X 方向 617 437.8×118/2/1 100 095=33.11 ＞1.1；Y 方向 617 437.8×75.6/2/1 059 490=22.03 ＞1.1，罕遇地震作用下抗傾覆驗(yàn)算滿足要求。

經(jīng)驗(yàn)算統(tǒng)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)隔震罕遇最大位移角為1/193，滿足規(guī)范1/100 要求。

4 輕荷載與重荷載條件下隔震設(shè)計(jì)的對(duì)比研究

本工程屬于樓面活荷載較大的公共建筑，加之使用了裝配式樓板，板厚普遍增加2～5cm，因此，本建筑與一般公共建筑（如辦公樓等）相比重量變大。工程每個(gè)結(jié)構(gòu)層每平方米荷載標(biāo)準(zhǔn)值（含屋面）較一般的辦公建筑增加約6.5kN/m2，為了研究樓面荷載變化對(duì)隔震設(shè)計(jì)的影響，在結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置及支座布置不做調(diào)整的情況下，對(duì)兩種不同樓面荷載下的模型進(jìn)行了隔震設(shè)計(jì)的對(duì)比分析，其中模型一為輕荷載模型，模型二為本工程的較重荷載模型。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，輕載模型的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量減小約15%，前3 主振型的自振周期相差約為15%～18%。主要指標(biāo)層剪力比及支座壓應(yīng)力如表4 所示。

表4 結(jié)構(gòu)層剪力比（對(duì)比）

對(duì)比可知，在隔震支座布置和參數(shù)不變的情況下，本工程出現(xiàn)在較重荷載模型下底部剪力比更小的情況，隔震技術(shù)對(duì)較重荷載下結(jié)構(gòu)的隔震效果更優(yōu)。對(duì)于質(zhì)量和剛度分布不均勻且荷載較重的結(jié)構(gòu)而言，荷載總量大小是影響隔震層偏心率進(jìn)而影響到隔震建筑剪力比的主要原因。當(dāng)建筑高寬比較小時(shí)，15%左右的總荷載標(biāo)準(zhǔn)值的變化并未在總體上影響隔震層的布置以及建筑的總體隔震效果。

荷載減輕前后支座的設(shè)計(jì)壓應(yīng)力相差在2MPa 以內(nèi)。反過(guò)來(lái)看，對(duì)于一般公共建筑在增加約6.5KN/m2的樓面荷載的情況下，若隔震層支座總面積有12%左右富余度時(shí)，隔震層的結(jié)構(gòu)布置并不需要做調(diào)整。以上荷載值的增量完全可以滿足對(duì)建筑的常規(guī)后期改造要求。可以看出隔震建筑對(duì)荷載變化的適應(yīng)能力較強(qiáng).因此，建議結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)隔震支座的面壓進(jìn)行控制時(shí)，留有10%左右的富余量（實(shí)際工程中因橡膠隔震支座一般均按型號(hào)規(guī)格選取，這一點(diǎn)基本均可實(shí)現(xiàn)），以適應(yīng)目前行業(yè)內(nèi)建筑改造現(xiàn)象比較突出的現(xiàn)狀，另外也有基于對(duì)地震不確定性下極罕遇地震的考慮。

5 結(jié)論

建筑高寬比是控制隔震建筑強(qiáng)震下整體穩(wěn)定的主要控制指標(biāo)。高寬比小于1.0 時(shí)結(jié)構(gòu)重量不是影響隔震結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的最主要的控制因素。對(duì)于高低塔樓共用一個(gè)隔震層且單體間重量及剛度差別較大的建筑，采用彈性滑板支座（用于小荷載的塔樓下）與橡膠支座組合來(lái)調(diào)整隔震層偏心率是一種比較實(shí)用的隔震設(shè)計(jì)方法。組合支座使用時(shí)還需考慮彈性滑板支座位置處結(jié)構(gòu)的豎向變形協(xié)調(diào)問(wèn)題并進(jìn)行支座壓應(yīng)力控制，具體可對(duì)比考慮支座位移差后的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。隔震建筑對(duì)荷載變化的適應(yīng)能力較強(qiáng)。在設(shè)計(jì)階段對(duì)隔震支座的面壓控制時(shí)宜留有約10%的余量，有利于適應(yīng)當(dāng)前建筑改造現(xiàn)象比較突出的現(xiàn)狀，也是對(duì)極罕遇地震不確定性的考慮。