建筑的隔震層設計

康建群

(太原普可佳工程設計有限公司，山西太原 030001)

建筑的隔震層設計

康建群

(太原普可佳工程設計有限公司，山西太原 030001)

結合某綜合門診樓的工程概況，確定了該建筑的隔震設計目標與基本設計參數，介紹了隔震層的設計方案，并通過模型，對隔震層進行了中震及大震作用下的抗震性能分析，指出采用隔震技術可使隔震層以上的非隔震結構烈度降低1度。

隔震層，隔震支座，地震波，減震系數

隔震建筑就是在建筑物的基礎和上部結構之間設置隔震裝置，形成隔震層，以達到阻隔地震時地面振動向上部結構傳遞地震力(或振動能量)，降低結構在地震下的振動反應。隔震建筑不僅能夠保證結構不破壞，還能保護室內的家具與精密儀器在地震中不被破壞。

隔震層一般由隔震支座和消能器組成。隔震支座一方面要支撐建筑物的豎向重量，另一方面在水平方向提供一個較小的水平剛度，并且具有自復位的功能。本工程采用的是疊層橡膠支座和鉛芯橡膠支座。用來吸收或耗散地震能量，抑制隔震層產生較大的位移。

采用隔震技術的建筑，抗震設防水準高于同條件下的非隔震建筑。當遭受低于本地區設防烈度的多遇地震時應不損壞也不影響使用功能;當遭受本地區設防烈度的地震時，產生非結構性損壞，一般不需修復仍可使用;當遭受高于本地區設防烈度的預估的罕遇地震時應不致發生危及生命的破壞和喪失使用功能。

1 工程概況

本工程為一綜合門診樓，為提高該建筑物的抗震性能，減少大震時的生命及財產損失，采用了隔震技術。本建筑抗震設防分類為重點設防類(乙類)，抗震設防烈度8度，設計地震分組第二組，場地類別為Ⅲ類。

該結構地下2層，地上10層，高度42.3 m。建筑平面的東西方向長62.4 m，南北方向寬20.2 m，長寬比3∶1，高寬比為1∶9，建筑面積約16 660 m2。

地上第1層，2層層高分別為4.5 m，4.2 m，第3層～第9層的層高均為3.6 m，第9層為4.2 m，樓電梯間突出頂層屋面4.2 m。地下第1層層高2.7 m、地下第2層層高4.8 m。

隔震層設置在地下第1層，部分樓電梯井的隔震層設置在地下第2層底部。

1.1 隔震設計目標

1)使上部結構的水平向地震作用減小，水平向地震系數不大于0.4。2)在罕遇地震作用下減小構件的塑性損傷，確保建筑與人員安全。

1.2 基本設計參數

建筑結構設計使用年限:50年。抗震設防類別:乙類。抗震設防烈度:8度(0.20g)。設計地震分組:第二組。場地類別:Ⅲ類。結構阻尼比:0.05。特征周期:0.55 s。計算振型數:49。多遇地震加速度時程最大值:70 cm/s2。設防地震加速度時程最大值:200 cm/s2。罕遇地震加速度時程最大值:400 cm/s2。基本風壓:0.4 kN/m2。地面粗糙度:C類。

2 隔震層設計

2.1 隔震支座的布置

綜合樓為框架—剪力墻結構，高寬比小于4。

風荷載標準值產生的總水平力分別為:X向580.0 kN，Y向1 707.0 kN。結構總重力的10%為:30 480.4 kN，風荷載標準值產生的總水平力小于結構總重力的10%。

因此，結構滿足《建筑抗震設計規范》第12.1.3條對結構采用隔震設計的基本要求。

考慮建筑功能和結構方案，隔震層設置在地下1層，樓電梯井隔震支座設置在基礎與上部結構之間。本工程支座數量統計如下:

GZP700共3個，GZY900共16個，GZP1000共17個，GZY1100 共5個，GZP1200共12個。隔震支座力學性能參數見表1。

表1 隔震支座力學性能參數

2.2 隔震層的計算分析

隔震層的水平恢復力特性由鉛芯和非鉛芯支座組成，將鉛芯橡膠支座的水平剛度簡化為雙線性，可以得到隔震層的水平恢復力特性，見圖1。

圖1 隔震層恢復力特征

隔震支座在重力荷載代表值下支座最大面壓力10.69 MPa，所有支座的豎向壓應力均小于12 MPa。隔震X向偏心率稍大于3%，Y向的偏心率小于3%。隔震層支座X向和Y向屈服力均大于風荷載設計值(見表2，表3)。

表2 隔震層偏心率

表3 隔震結構抗風驗算 kN

3 隔震結構分析

3.1 模型驗證

在8度地震作用下對Satwe非隔震模型和Etabs非隔震模型的質量和底部剪力進行了對比，地震作用計算采用振型分解反應譜法，從表4～表6中結果可以看出，Etabs模型與Satwe模型計算結果比較接近，驗證了Etabs模型的準確性。

表4 質量對比

表5 底部剪力對比

表6 周期對比

3.2 地震波選取

對該工程的Etabs模型輸入地震波，進行了支座非線性時程分析。在罕遇地震的水平、豎向地震波同時作用下，支座的最大地震拉力。

地震波采用兩組天然波EL centro，petrolia和一組人工波artw4共三組地震波(見圖2)。

圖2 地震波

根據計算結果，每條時程曲線計算所得的結構底部剪力均超過振型分解反應譜法計算結果的65%，3條時程曲線計算所得的結構底部剪力平均值大于振型分解反應譜法計算結果的80%，滿足規范要求。

3.3 設防地震分析

3.3.1 結構動力特性分析

對非隔震結構和隔震結構進行了動力特性分析，分析取49個振型，振型質量參與系數滿足規范要求。非隔震結構與隔震結構基本周期對比見表7。

從表7中數據可以看出，結構隔震后大大延長了結構自振周期，遠離場地卓越周期，隨著結構周期延長，結構地震作用可明顯降低。

表7 非隔震結構和隔震結構周期對比

3.3.2 隔震層以上結構的水平向減震系數計算

計算減震系數時，用反應譜法計算，水平地震影響系數最大值采用設計基本地震加速度時的值，隔震支座水平剪切應變采用100%時的等效剛度。

1)隔震與未隔震下，上部結構南北X向的樓層剪力及傾覆力矩計算結果如表8所示。

表8 上部結構X方向的隔震與非隔震計算結果

2)隔震與未隔震下，上部結構東西Y向的樓層剪力及傾覆力矩計算結果如表9所示。

表9 上部結構Y方向的隔震與非隔震計算結果

3)水平向減震系數β、隔震后的水平影響系數最大值、隔震措施。由上表計算分析結果知，該隔震結構的水平向減震系數β為0.3;從而隔震后的水平地震影響系數最大值αmaxl為:

αmax＞0.04，因而隔震層以上結構的總水平地震作用不得低于非隔震結構6度設防時的總水平地震作用。并應進行抗震驗算。因此隔震后上部結構的地震作用可按水平地震影響系數最大值αmax=0.07進行設計計算。設計采用樓層水平地震剪力同時要滿足《抗規》第5.2.5條的最小地震剪力系數的規定。

由于β≤0.38，根據GB 50011—2010抗規，隔震層以上結構的抗震措施可按非隔震結構烈度降低1度后的抗震等級采取抗震措施。其中，墻、柱的軸壓比限值不降低，仍按原抗震設防烈度控制。

3.4 罕遇地震分析

3.4.1 隔震層水平最大位移

經計算隔震支座X向最大水平位移288.7 mm，Y向最大水平位移300.7 mm，不大于所采用支座位移的最小值，0.55×700= 385 mm和3×130=390 mm取其中最小值385 mm，滿足《抗規》第12.2.6條要求。

3.4.2 隔震支座拉力

經計算隔震支座罕遇地震作用下支座承受的拉力均小于1 MPa，滿足規范要求。

3.4.3 隔震支座壓力

經計算隔震支座罕遇地震作用下支座承受的壓力小于30 MPa，滿足規范要求。

4 結語

1)隔震支座在正常使用情況下工作狀態良好。平均壓應力均小于12 MPa，并有足夠的初始剛度保證結構在風等水平荷載作用下的穩定性。

2)隔震支座在罕遇地震作用下工作正常。本文進行了隔震支座在罕遇地震作用下的變形和拉、壓應力校核。計算結果表明，隔震支座拉應力小于1 MPa，滿足規范要求，隔震支座水平變形能力滿足要求。

3)隔震后上部結構的水平地震作用效應降低，上部結構水平地震作用計算時，水平地震影響系數最大值可取為0.07。設計采用的樓層地震剪力同時要滿足《抗規》第5.2.5條的最小地震剪力系數的規定。

通過分析計算可以看出，采用隔震技術可使隔震層以上的非隔震結構烈度降低1。

［1］ GB 50011—2010，建筑抗震設計規范［S］.

［2］ GB 50223—2008，建筑工程抗震設防分類標準［S］.

［3］ 03SG610—1，建筑結構隔震構造詳圖［S］.

［4］ JG 118—2000，建筑隔震橡膠支座［S］.

［5］ CECS 126:2001，疊層橡膠支座隔震技術規程［S］.

［6］ GB 20688.3—2006，橡膠支座第3部分:建筑隔震橡膠支座［S］.

［7］ 設計單位提供的有關設計資料［Z］.

Design of building seismic isolation layer

Kang Jianqun

(Taiyuan Pukejia Engineering Design Co.，Ltd，Taiyuan 030001，China)

Combining with the comprehensive clinic building engineering conditions，the paper determines the building isolation design targets and basic design parameters，introduces the seismic isolation layer design scheme，analyzes the seismic performance of the seismic isolation layer under medium-size earthquake and large-size earthquake，and finally points out that can reduce 1 degree of non-seismic isolation structure intensity over the seismic isolation layer.

seismic isolation layer，seismic isolation bearing，seismic wave，seismic releasing coefficient

TU352

A

1009-6825(2016)35-0047-03

2016-10-08

康建群(1964-)，女，工程師