某多層框架辦公樓基礎隔震改造設計

卓宏博++屈俊童++吳少波

摘 要：本文主要介紹了云南省某多層框架結構辦公樓的抗震加固改造設計方案，采用Etabs9.0對三維結構模型進行時程分析，通過對比，分析了非隔震結構與采用基礎隔震結構的地震反應。結果表明，采用基礎隔震加固改造設計，可以有效提高結構的抗震性能。在抗震設防烈度發生改變的地區，對老舊建筑采用基礎隔震進行抗震加固改造，可以滿足現階段的抗震設防目標，具有良好的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：基礎隔震；隔震加固；時程分析

Isolation Retrofitting Design of Multistory Frame Building

Zhuo hong-bo，Qu jun-tong，Wu Shao-bo

（School of Urban Construction and Management， Yunnan University， Yunnan Kunming ， 650009）

Abstract：This paper introduced a reinforcement and reconstruction design of a frame structure in Yunnan province. In this project， Etabs 9.0 was used for the time-history analyses of the 3D structure model. Comparing the non isolated structure and the isolated structure， the earthquake response of were analysed. The results show that， the seismic isolation technology can effectively improve the seismic performance of structures. The old buildings in the area where the？seismic fortification intensity was changed can satisfy the seismic fortification goal at the present stage by using the base isolation？retrofitting. And Isolation retrofitting of buildings is safety and economy.

Keywords： base isolation retrofitting， Isolation reinforcement， time-history analyses

引言

自上世紀50年代李善邦主持編制了我國第一代地震烈度區劃圖以來，我國的地震設防烈度區劃圖分別經歷了1977、1992、2001、2010共五次修改。為適應抗震設防的發展要求，某一地區的抗震設防烈度會有相應的變化。如2008年汶川地震后，汶川地區的抗震設防烈度由原來的7度提高為8度。地震設防烈度的變化，導致大量老舊房屋的抗震設防標準不能滿足現行規范的要求。因此，此類建筑亟需進行抗震加固，以滿足正常使用的要求。

對于抗震構造不能滿足現行規范要求的建筑，若采用傳統加固方法，提高結構的整體剛度和承載力，成本高，工程量比較大，還會影響建筑的正常使用功能。

隔震加固技術是建筑物抗震加固改造中的一種新技術，國內外已經有許多應用。采用基礎隔震技術對建筑結構進行加固改造，是在建筑物基礎部分增設隔震層，延長結構的自振周期，減輕地震荷載作用對上部結構的影響，顯著提高結構的抗震承載能力[5]。本文研究了昆明地區一幢8層框架結構采用基礎隔震技術進行抗震加固改造設計方案，結果表明，采用基礎隔震加固方案，能夠充分利用原結構的抗震承載力，減少抗震加固改造工程的工程量，并且加固過程中不影響上部結構的正常使用。

1.工程概況

本工程位于位于云南省昆明市，建筑面積約6800m2。該辦公樓為鋼筋混凝土框架結構，地上8層，局部九層，總高度34.2m。該建筑由三部分組成，中間部分3跨9層主樓，兩側各有6跨8層輔樓，主樓與輔樓之間設有從基礎斷開的防震縫。辦公樓實景如圖1所示。

圖1 某辦公樓實景

該建筑建造于1989年11月份，原設計采用TJ74抗震設計規范，進行7度設防，設計基本地震加速度峰值為0.1g。現階段昆明地區抗震設防烈度8度，設計基本地震加速度峰值為0.2g。該建筑所處地區為二類場地，設計地震分組第三組，場地特征周期0.45s。因此該建筑的實際抗震設防設計標準已經較現行規范要求有較大的差距，需要進行抗震加固改造才能繼續使用，經綜合考慮，采用基礎隔震技術對該工程進行抗震加固改造。

2.抗震加固改造設計方案

原建筑采用柱下條形基礎，基礎埋深為3.0m，設有地基梁，無地下室。綜合考慮不影響上部辦公樓的正常使用，將隔震層設置在房屋地基梁與基礎之間，即采用基礎隔震加固。

為保證隔震層具有足夠的剛度，文獻[1]規定，隔震支座的相關部位應采用現澆混凝土梁板結構，現澆板厚度不應小于160mm。本工程在原結構±0.000處，即地基梁處通過植筋，澆筑160mm厚混凝土現澆板，以提高隔震層整體剛度。原結構主樓與輔樓之間設有兩條抗震縫，抗震縫自基礎斷開。為保證隔震結構的整體性，在1/6～7軸、1/10～11軸間，采用植筋的方式，自基礎底部，在每層各個對應構件之間增設框架梁、現澆板，使整個結構連成一個整體。

文獻[1]規定，隔震支座應設置在受力較大的位置，間距不宜過大，隔震支座的規格、數量和分布應根據豎向承載力、側向剛度和阻尼比的要求通過計算確定。

本工程采用LRB600、LNR600兩種型號橡膠隔振支座。隔震支座性能參數見表1。

在布置隔震支座時，保證橡膠隔震支座在重力荷載代表值的豎向壓應力不應超過12MPa，并且罕遇地震作用下，隔震支座不宜出現拉應力，當少數隔震支座出現拉應力時，其拉應力不應大于1.0MPa[1][2]。通過兩種隔震支座的布置，使得隔震層剛心與結構質心相重合。本工程隔震支座平面布置方案如圖2所示。

3.抗震性能分析

3.1計算模型

本工程使用大型有限元軟件ETABS9.0建立隔震與非隔震結構模型，并進行計算與分析，隔震結構模型見圖3。ETABS9.0軟件具有方便靈活的建模功能和強大的線性和非線性動力分析功能，橡膠隔震支座采用Rubber Isolator非線性單元模擬。

圖3 隔震結構模型

3.2地震波選取

根據文獻[1]的規定：采用時程分析法時，應按建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程，其中實際強震記錄的數量不應少于總數的2/3，多組時程的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。

本工程選取了實際2條強震記錄El cenrto波，Taft波和1條人工波。小震水平地震波加速度幅值調至0.07g，中震水平地震波加速度幅值調至0.2g，中震水平地震波加速度幅值調至0.4g[1]。

計算結果表明，每條時程曲線計算的結構底部剪力不小于振型分解反應譜計算結果的65%，多條時程計算的結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%，滿足規范要求。

3.3隔震效果分析

3.3.1結構基本動力特性

隔震模型中，一階振型以隔震層沿X方向平動為主，周期由1.080s延長至2.217s；二階振型以隔震層沿Y方向平動為主，周期由1.035s延長至2.160s；三階振型以隔震層沿Z軸扭轉為主。

3.3.2多遇地震分析

圖3中為隔震前后，結構在多遇地震下的最大層間剪力對比。由表中可見，在采用基礎隔震加固之后，該結構在多遇地震下，最大層間剪力減小至原結構的40%以下，見表2。

表2 隔震加固前后樓層剪力對比

3.3.3罕遇地震分析

罕遇地震下，隔震支座的最大水平位移應小于0.55倍橡膠外徑和3倍橡膠總厚度[1]。本工程中所采用的橡膠隔震支座LRB600、LNR600的橡膠外徑為600mm，內部橡膠總厚度為110mm。由表2知隔震支座罕遇地震下最大水平位移為155mm，小于水平位移的限值330mm。

表3 罕遇地震下各個支座最大水平位移

4.結語

本文在相關加固改造研究成果的基礎上，介紹了某老建筑的隔震加固改造設計，采用基礎隔震加固方案。通過計算分析，可以得到以下結論：

（1）采用基礎隔震加固改造設計方案，加固施工工期較短，對原結構的正常使用影響較小，具有明顯的經濟效益和社會效益。

（2）采用基礎隔震加固改造設計方案，可以有效減輕上部結構的地震作用，原結構不需處理或者僅作簡單處理，就可以滿足抗震設防烈度提高一度的要求，達到抗震加固的目的。對于類似抗震設防要求不能滿足現行規范的老舊建筑的加固改造工程，具有一定借鑒意義。

參考文獻

[1] GB50011-2010.建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010

[2] GB50223-2008.建筑抗震設防分類標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2008

[3] 潘鵬、曹海韻、齊玉軍、潘振華、葉列平、趙世春、徐亞軍.底部薄弱層結構的柱頂隔震加固改造設計[J].工程抗震與加固改造，2009.12

[4] 操禮林、李愛群、郭彤、衛龍武、劉康安.中小學砌體結構校舍的隔震加固技術研究[J].防災減災工程學報，2011.6

[5] 魏陸順、劉文光、周福霖、林佳.一座空曠磚混廠房結構的隔震加固[J].世界地震工程，2003.9

[6] 董軍、宋瑋、練劍鋒、施鐵軍.震損抵抗房屋層間加固設計及性能分析[J].工程抗震與加固改造，2011.8

[7] 常紅星、李雨閣、張新中.既有建筑物的基礎隔震加固技術[J].甘肅科技，2007.8

[8] 朱雅紅、馮小軍、寇衛東.隔震加固技術在框架結構加固工程中的應用[J].工程抗震與加固改造，2012.4

[9] 鄭鑫、范夕森、胡春華、李海豐.某保護性建筑隔震加固技術研究[J].工程抗震與加固改造，2009.10

[10] 周福霖.工程結構減震控制[M].北京：地震出版社，1997

本工程采用LRB600、LNR600兩種型號橡膠隔振支座。隔震支座性能參數見表1。

在布置隔震支座時，保證橡膠隔震支座在重力荷載代表值的豎向壓應力不應超過12MPa，并且罕遇地震作用下，隔震支座不宜出現拉應力，當少數隔震支座出現拉應力時，其拉應力不應大于1.0MPa[1][2]。通過兩種隔震支座的布置，使得隔震層剛心與結構質心相重合。本工程隔震支座平面布置方案如圖2所示。

3.抗震性能分析

3.1計算模型

本工程使用大型有限元軟件ETABS9.0建立隔震與非隔震結構模型，并進行計算與分析，隔震結構模型見圖3。ETABS9.0軟件具有方便靈活的建模功能和強大的線性和非線性動力分析功能，橡膠隔震支座采用Rubber Isolator非線性單元模擬。

圖3 隔震結構模型

3.2地震波選取

根據文獻[1]的規定：采用時程分析法時，應按建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程，其中實際強震記錄的數量不應少于總數的2/3，多組時程的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。

本工程選取了實際2條強震記錄El cenrto波，Taft波和1條人工波。小震水平地震波加速度幅值調至0.07g，中震水平地震波加速度幅值調至0.2g，中震水平地震波加速度幅值調至0.4g[1]。

計算結果表明，每條時程曲線計算的結構底部剪力不小于振型分解反應譜計算結果的65%，多條時程計算的結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%，滿足規范要求。

3.3隔震效果分析

3.3.1結構基本動力特性

隔震模型中，一階振型以隔震層沿X方向平動為主，周期由1.080s延長至2.217s；二階振型以隔震層沿Y方向平動為主，周期由1.035s延長至2.160s；三階振型以隔震層沿Z軸扭轉為主。

3.3.2多遇地震分析

圖3中為隔震前后，結構在多遇地震下的最大層間剪力對比。由表中可見，在采用基礎隔震加固之后，該結構在多遇地震下，最大層間剪力減小至原結構的40%以下，見表2。

表2 隔震加固前后樓層剪力對比

3.3.3罕遇地震分析

罕遇地震下，隔震支座的最大水平位移應小于0.55倍橡膠外徑和3倍橡膠總厚度[1]。本工程中所采用的橡膠隔震支座LRB600、LNR600的橡膠外徑為600mm，內部橡膠總厚度為110mm。由表2知隔震支座罕遇地震下最大水平位移為155mm，小于水平位移的限值330mm。

表3 罕遇地震下各個支座最大水平位移

4.結語

本文在相關加固改造研究成果的基礎上，介紹了某老建筑的隔震加固改造設計，采用基礎隔震加固方案。通過計算分析，可以得到以下結論：

（1）采用基礎隔震加固改造設計方案，加固施工工期較短，對原結構的正常使用影響較小，具有明顯的經濟效益和社會效益。

（2）采用基礎隔震加固改造設計方案，可以有效減輕上部結構的地震作用，原結構不需處理或者僅作簡單處理，就可以滿足抗震設防烈度提高一度的要求，達到抗震加固的目的。對于類似抗震設防要求不能滿足現行規范的老舊建筑的加固改造工程，具有一定借鑒意義。

參考文獻

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[10] 周福霖.工程結構減震控制[M].北京：地震出版社，1997

本工程采用LRB600、LNR600兩種型號橡膠隔振支座。隔震支座性能參數見表1。

在布置隔震支座時，保證橡膠隔震支座在重力荷載代表值的豎向壓應力不應超過12MPa，并且罕遇地震作用下，隔震支座不宜出現拉應力，當少數隔震支座出現拉應力時，其拉應力不應大于1.0MPa[1][2]。通過兩種隔震支座的布置，使得隔震層剛心與結構質心相重合。本工程隔震支座平面布置方案如圖2所示。

3.抗震性能分析

3.1計算模型

本工程使用大型有限元軟件ETABS9.0建立隔震與非隔震結構模型，并進行計算與分析，隔震結構模型見圖3。ETABS9.0軟件具有方便靈活的建模功能和強大的線性和非線性動力分析功能，橡膠隔震支座采用Rubber Isolator非線性單元模擬。

圖3 隔震結構模型

3.2地震波選取

根據文獻[1]的規定：采用時程分析法時，應按建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程，其中實際強震記錄的數量不應少于總數的2/3，多組時程的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。

本工程選取了實際2條強震記錄El cenrto波，Taft波和1條人工波。小震水平地震波加速度幅值調至0.07g，中震水平地震波加速度幅值調至0.2g，中震水平地震波加速度幅值調至0.4g[1]。

計算結果表明，每條時程曲線計算的結構底部剪力不小于振型分解反應譜計算結果的65%，多條時程計算的結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%，滿足規范要求。

3.3隔震效果分析

3.3.1結構基本動力特性

隔震模型中，一階振型以隔震層沿X方向平動為主，周期由1.080s延長至2.217s；二階振型以隔震層沿Y方向平動為主，周期由1.035s延長至2.160s；三階振型以隔震層沿Z軸扭轉為主。

3.3.2多遇地震分析

圖3中為隔震前后，結構在多遇地震下的最大層間剪力對比。由表中可見，在采用基礎隔震加固之后，該結構在多遇地震下，最大層間剪力減小至原結構的40%以下，見表2。

表2 隔震加固前后樓層剪力對比

3.3.3罕遇地震分析

罕遇地震下，隔震支座的最大水平位移應小于0.55倍橡膠外徑和3倍橡膠總厚度[1]。本工程中所采用的橡膠隔震支座LRB600、LNR600的橡膠外徑為600mm，內部橡膠總厚度為110mm。由表2知隔震支座罕遇地震下最大水平位移為155mm，小于水平位移的限值330mm。

表3 罕遇地震下各個支座最大水平位移

4.結語

本文在相關加固改造研究成果的基礎上，介紹了某老建筑的隔震加固改造設計，采用基礎隔震加固方案。通過計算分析，可以得到以下結論：

（1）采用基礎隔震加固改造設計方案，加固施工工期較短，對原結構的正常使用影響較小，具有明顯的經濟效益和社會效益。

（2）采用基礎隔震加固改造設計方案，可以有效減輕上部結構的地震作用，原結構不需處理或者僅作簡單處理，就可以滿足抗震設防烈度提高一度的要求，達到抗震加固的目的。對于類似抗震設防要求不能滿足現行規范的老舊建筑的加固改造工程，具有一定借鑒意義。

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[10] 周福霖.工程結構減震控制[M].北京：地震出版社，1997