某教學樓隔震分析

饒春英

（中鐵裝配式建筑股份有限公司，北京 102445）

1 前言

中國是地震多發國家，人們對建筑物的抗震防震能力非常關注。對于地震作用，主要有兩種思路來應對。傳統思路主要還是通過硬抗加耗能的方法來實現。所謂硬抗就是把構件的截面做得足夠大，配筋足夠強，滿足結構在地震作用下的變形和強度要求，同時對于結構的耗能部分采用恰當的構造措施，在地震作用下，通過經歷往復大變形，消耗一部分地震能量，把地震反應控制在一定的范圍內。因此要適當控制地震反應，對于這些耗能部位的要求就比較嚴格，處理保障不到位會嚴重影響結構預定的設計性能，甚至產生意想不到的嚴重后果。

隔震技術就是在此基礎上發展起來的一門新興學科，其思路是通過減少地震輸入來降低地震的作用。通過在基礎設置軟弱層，延長上部結構的自振周期，過濾地面波輸入能量，減小地震輸入[1]。通過隔震層的大變形水平向運動耗散掉大部分地震能量，降低建筑物的地震響應，使結構的加速度減小，讓隔震系統承擔地震能，起到很好的減震作用。達到預期的防震要求，使建筑物的安全得到可靠保證。

隔震結構的樓層層間位移角非常小，從而可以避免由于層間變形引起的結構及非結構構件的損壞，大幅提高結構的抗震安全性能和建筑使用功能的完整性。地震發生時，隔震建筑在保護室內人員安全、保持室內裝修和家具完好等方面均有明顯優勢。

本文對某教學樓進行了隔震分析，進行了設防烈度下的減震系數計算，并對規范要求的各項性能指標進行了驗算。分析結果表明，采用隔震橡膠支座技術后，樓層的層間剪力明顯降低，對上部結構進行抗震設計時，其地震影響系數可以按原抗震規范要求降低1度進行設計，為以后類似建筑的隔震設計提供了有益的參考。

2 項目概況

某教學樓，無地下室，地上5層，框架混凝土結構，結構高度20 m，抗震設防烈度8度（0.3g）[2]。為了提高教學樓的安全性，本項目擬采用隔震技術。

2.1 結構平面布置

教學樓的典型結構平面布置如圖1所示。

圖1 典型結構平面圖

2.2 計算參數

依據現行國家有關規范及設計方提供的相關資料，該項目的主要計算參數如表1所示。

表1 結構的主要計算參數

3 計算軟件和模型

3.1 分析模型

該項目采用美國CSI公司開發研制的房屋建筑結構分析與設計軟件ETABS進行計算。ETABS已有近30年的發展歷史，是美國乃至全球公認的高層結構計算程序，在世界范圍內被廣泛應用，是房屋建筑結構分析與設計軟件的業界標準[3]。本項目采用ETABS非線性連接單元模擬隔震支座。分別建立了隔震結構與非隔震結構有限元計算模型，建成后的非隔震與隔震模型如圖2所示。非隔震結構與隔震結構基本周期對比如表2所示。

圖2 結構非隔震和隔震分析模型

表2 非隔震結構和隔震結構周期對比

3.2 隔震支座力學性能

隔震支座型號性能如表3、表4所示，本項目采用LRB800和LNR800。

表3 鉛芯隔震支座產品規格

表4 普通橡膠隔震支座產品規格

4 隔震計算

4.1 隔震層抗風驗算

該項目為混凝土框架結構，其結構的高寬比不大于4；建筑場地分類為三類；風荷載標準值所引起的總的水平作用力分別為：X向284 kN，Y向962 kN。

經驗算，隔震支座抗風承載力滿足規范規定，隔震結構的風荷載計算結果如表5所示。

從表5計算結果可以看出，隔震結構抗風滿足要求。因此，該綜合樓結構滿足《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。

表5 隔震結構抗風驗算

4.2 隔震支座壓應力

各隔震支座的豎向壓力最大值和豎向壓應力最大值如表6所示。

從表6可知，隔震支座豎向拉壓應力均滿足建筑抗震設計規范關于乙類建筑的要求。

表6 重力荷載代表值下隔震支座最大豎向壓力和最大豎向壓應力

4.3 結構動力特性分析

依據《建筑抗震設計規范》要求選取7組波（5組天然波、2組人工波）進行動力分析。7組波的反應譜與規范反應譜比較如圖3所示。根據分析結果可知，每條地震波時程曲線統計特征滿足滿足現行國家抗震規范要求。

圖3 地震波時程反應譜與規范反應譜比較

根據分析結果可知，每條地震波時程曲線統計特征滿足現行國家抗震規范要求。

4.4 設防烈度地震作用下結構分析

對兩個模型分別進行設防烈度下動力分析得到各樓層的樓層剪力。表7、表8分別給出了結構在X方向地震作用和Y方向地震作用下的減震系數。

根據表7、表8可以得出隔震結構地震影響系數最大值，如表9所示。由上述分析可以知道，采用橡膠支座隔震技術后，地震產生的水平樓層剪力大幅減少。

表7 X方向地震作用下減震系數

表8 Y方向地震作用下減震系數

表9 隔震層以上結構水平地震影響系數最大值

根據國家規范《建筑抗震設計規范》相關要求，上部結構的地震影響系數可以按降低1度考慮，即上部結構按7度（0.15g)進行地震分析。除此以外，設計采用的樓層地震剪力仍要滿足最地震剪力系數的規定。

5 結構設計要求

5.1 上部結構設計要求

上部結構設計要求如下：①隔震層頂部需設置現澆梁板式樓蓋，樓板板厚應不小于160 mm。隔震層頂部框架梁的剛度應適當加大，梁的高度不應小于梁跨度的1/8。②隔震層以上結構應與周圍的固定物脫開，并保證其與水平方向的固定物距離不小于480 mm。③上部結構的抗震措施按降低1度考慮。④上部結構與豎向承載力相關的抗震措施維持不變。

5.2 地基基礎設計要求

基礎的抗震驗算和設計仍按8度（0.3g）設防烈度進行。地基的抗震驗算和設計仍按8度（0.3g）設防烈度進行。

6 結論

本文對某教學樓結構采用橡膠支座隔震技術進行了計算分析，分別在設防地震和罕遇地震作用下，對結構性能進行了分析，得出了以下結論：①地震波選取合理，時程分析選用2組人工波，7組天然波。每條地震波時程曲線計算所得的結構底部總剪力均超過規范振型分解反應譜法計算結果的65%，7條地震波時程曲線計算所得的結構底部總剪力平均值大于規范振型分解反應譜法計算結果的80%，滿足現行國家抗震規范要求。②隔震橡膠支座在正常使用狀態下，滿足規范相關規定要求。③在罕遇地震作用下，滿足規范相關規定要求。④設防地震作用下結構地震剪力明顯減少，效果顯著。對于重點設防類建筑，減震技術可起到很好的防范作用，可以為類似工程提供參考。