基礎隔震在框架結構設計中的應用

鄺鐘月

(中國輕工業成都設計工程有限公司，四川成都610015)

近幾年隨著地震活動的頻繁增加，對建筑物結構的抗震性要求也越來越高，尤其在高烈度地區，建筑物采用隔震、減震消能的技術也日趨頻繁?；A隔震是通過在基礎結構和上部結構之間設置隔震層，使上部結構與地震動的水平成分絕緣。隔震層中設置隔震支座和阻尼器等隔震裝置，其中隔震支座能夠安定持續地支承建筑物重量、追隨建筑物的水平變形，并且具有適當彈性恢復力，而阻尼器能夠用于吸收地震，輸入能量。因此遭受罕見大地震時，作用到上部結構的水平力比非隔震建筑要小很多，很容易對上部結構進行彈性設計。所以即使遭受罕遇大地震，隔震結構也能維持上部結構的功能，確保建筑物內部財產不遭受損失，保障生命安全。

1 工程應用實例

1.1 工程概況

本工程為川煙公司西昌分廠整體技術改造項目經營業務用房。地下半層隔震檢修層，地上7層，建筑物高度(室外地面至主要屋面板的板頂)為27.150 m。設計標高±0.000相當于絕對標高(黃海高程)1 509.40 m。本工程位于四川省涼山州西昌市原西昌卷煙廠內，建筑面積11 113.94 m2。建筑抗震設防類別為丙類(標準設防類)，建筑結構安全等級為二級，所在地區的抗震設防烈度為9度，設計基本地震加速度0.40 g，設計地震分組為第二組；場地類別為Ⅲ類；特征周期Tg=0.55 s，隔震層以上的上部結構經隔震調整后用于結構抗震驗算的抗震烈度為8度，地震加速度0.20 g；建筑結構的阻尼比取0.05；框架抗震等級為一級。

1.2 ETABS模型建立以及準確性校核

本工程使用大型有限元軟件ETABS建立隔震與非隔震結構模型，并進行計算與分析。ETABS軟件具有方便較靈活的建模功能和強大的線型和非線性動力分析功能，使用連接單元“Isolator1”準確模擬橡膠隔震支座，本結構模型依據PKPM建模得到。ETABS模型如圖1所示。

圖1 結構有限元模型示意

表1 非隔震結構質量對比 t

由表1可知，兩軟件模型的質量非常接近。

表2 非隔震結構周期對比(前三階) s

由表2可知，兩軟件模型的前三階模態的自振周期也非常接近。

表3 非隔震結構地震剪力對比 kN

由表3可知，除頂層外，兩軟件模型的各層剪力也較為接近。

由表1、表2和表3可知，ETABS模型與SATWE模型的結構質量、周期差異很小。各層間剪力除頂層外，差異也很小。綜上所述，用于本工程隔震分析計算的ETABS模型與PKPM模型是一致的。

1.3 隔震支座性能參數

《建筑抗震設計規范》(GB 50011、以下簡稱《抗規》)12.2.4條，對多遇地震分析，采用隔震支座剪切變形為100 %的等效水平剛度和等效粘滯阻尼比；對罕遇地震驗算，直徑小于600 mm的隔震支座采用隔震支座剪切變形250 %時的等效水平動剛度和等效粘滯阻尼比，直徑不小于600 mm的隔震支座采用隔震支座剪切變形為100 %時的等效水平動剛度和等效粘滯阻尼比。支座參數性能見表4。本結構為標準設防類，隔震支座的豎向承載力按照15 MPa計算得到。

表4 隔震支座力學性能參數

1.4 隔震支座布置

參照《疊層橡膠支座隔震技術規程》和《抗規》等資料，確定出每個支座的直徑。隔震支座中心應盡量與上支墩(柱)截面中心重合；隔震支座頂、底面標高的確定原則：不同規格的隔震支座其底面都設計在同一標高上，或者頂面都設計在同一標高。隔震支座布置在梁底。

該工程擬在地下半層設置隔震支座，本工程共使用LRB600(有鉛芯600直徑)、LRB500(有鉛芯500直徑)和LNR500(無鉛芯500直徑)的數量分別為35、50和24個。

1.5 隔震分析計算結果

1.5.1 多遇地震

根據計算結果和《抗規》第12.2.5條，確定減震系數可以取為0.38。根據層間位移角的分析結果可知，在多遇地震作用下，層間彈性位移角限值可按現行國家標準《抗規》的規定執行，鋼筋混凝土框架彈性層間位移角限值1/550=0.001 8，鋼結構彈性層間位移角限值1/300=0.003 3。滿足規范要求。

1.5.2 罕遇地震

在罕遇地震作用下，上部結構的層間彈塑性位移角限值可按現行國家標準《抗規》規定值的1/2采用，鋼筋混凝土框架、鋼結構彈塑性層間位移角限值1/2×1/50=0.01。滿足規范要求。

在罕遇地震作用下，隔震層的水平向最大平均位移為259 mm<275 mm，即最小直徑(500 mm)支座的最大允許變形。最小支座直徑選取滿足結構在罕遇地震作用下的水平變形要求，滿足規范要求。

隔震層橡膠支座在罕遇地震作用下，一層以下隔震支座未出現拉應力，樓頂支座出現很小的拉力，滿足隔震支座不宜出現拉應力，若出現拉應力應小于1.2 MPa的規范要求。

1.6 抗風驗算

風荷載作用下隔震層的水平剪力標準值：

Vwk=1 390 kN

抗風裝置的水平承載力設計值：

VRw=VRw=50×44+35×64=4 440 kN

1.4Vwk≤VRw

滿足規范要求。

2 結論及建議

(1)小震(多遇地震)下，根據隔震和非隔震結構的層剪力比，水平向減震系數取0.38，綜合考慮，上部結構水平地震作用可以按照抗震設防烈度8度(0.2g)進行計算。由于所使用的橡膠隔震支座僅對水平地震作用有效，豎向地震作用應滿足《抗規》的相關規定。

(2)罕遇地震下，隔震支座最大水平位移(四條時程平均值)為266 mm，因此，要求各種類型支座的設計位移大于275。

(3)隔震層以下結構(包括地下室)的地震作用和抗震驗算，應采用罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力、力矩和支座最大位移進行計算。

(4)隔震結構設計過程中，應注意細部構造處理，必須保證地震作用下，整棟建筑可以順暢移動，以確保隔震性能的發揮。

(5)上部結構的首層樓面宜采用現澆鋼筋混凝土樓板，樓板厚度不宜小于140 mm。當采用裝配整體式鋼筋混凝土樓板時，現澆面層厚度不直小于50 mm，且應雙向配筋，鋼筋直徑不宜小于6 mm，間距不宜大于250 mm。隔震支座上部的縱橫梁應采用現澆鋼筋混凝土結構。首層樓面梁板體系的剛度和承載力宜大于一般樓面的鋼度和承載力。

(6)隔震層上部的鋼筋混凝土結構的抗震等級應符合《抗規》中的隔震后現澆鋼筋混凝圖結構的抗震等級的要求。

(7)為了使隔震支座完全發揮效用，需保證上部結構能夠無障礙的發生35 cm的平動。因此，施工中主要注意事項：不應阻礙隔震層自由平動，要留出35 cm的隔震縫;連接上下部結構的各種管道在穿過隔震層時需要采用柔性連接;建筑物外圍四周35 cm范圍內不應有任何高度超過隔震層的物體，以保證地震時隔震層的水平位移不受限制。隔震支座頂面標高位于地平面以下，則需要挖掘隔震溝，

(8)溝寬不小于35 cm，并做好排水。

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