高烈度區大型公共建筑隔震設計與施工*

萬學林，王 偉，廖 飛，王利文，李 茂，潘忠堯

(中建三局集團(海南)有限公司, 海南 海口 570100)

0 引言

我國地震多發，高烈度區分布廣泛，抗震設防要求高。李文祥等[1]以天河機場交通中心為背景，采用ETABS軟件建立結構模型，研究了地震波及列車激勵荷載作用下的結構響應，通過采用組合隔震技術，大幅度降低加速度響應，減震效果明顯；曹陽等[2]采用ETABS軟件中的反應譜法和時程分析法對高層建筑雙塔結構進行地震反應分析，研究結果表明，采用隔震技術可有效降低上部結構水平地震作用；羅垚等[3]采用ETABS軟件建立了隔震與非隔震結構模型，并進行了計算分析，根據計算結果提出地下室坡道、扶梯、樓梯等穿越隔震層結構構造措施；劉燦等[4]基于日本等效線性方法，結合GB 50011—2010(2016年版)《建筑抗震設計規范》[5]對隔震設計的基本規定，歸納隔震簡化設計方法，并以某采用基礎隔震技術的學校建筑為例，進行非線性時程分析；沈雁波等[6]對大面積隔震結構工程隔震支座在非地震作用下產生水平位移的原因進行分析，并提出相應的解決措施；王振東等[7]對軟弱地基隔震支座變形規律和特點進行了研究，并結合監測數據和計算結果對變形原因進行了分析。

綜上所述，已有學者對大型公共建筑和高層建筑隔震設計進行了一定研究，但對高烈度區大型公共建筑設計及施工的研究較少。為此，本文以中共海南省委黨校新校區建設項目3號樓體育中心為依托，對隔震設計與施工技術進行研究。

1 工程概況

中共海南省委黨校新校區建設項目位于海南省海口市美蘭區，包括1～11號樓，其中4，5，11號樓不含地下室。地上建筑面積約118 639m2，地下建筑面積約58 796m2，總建筑面積約177 435m2。抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.3g。在1，3號樓首層與地下室之間設置隔震層，隔震層高1.85m，在1號樓設置LRB600，LRB700，LRB800，LRB900型鉛芯橡膠支座，在3號樓設置LRB600，LRB700，LRB800，LRB900型鉛芯橡膠支座和RB600，RB800，RB900型橡膠支座，共設162個支座。

2 隔震設計分析

2.1 模型建立

采用ETABS軟件建立3號樓體育中心隔震結構有限元模型，如圖1所示。

圖1 有限元模型

2.2 隔震支座長期面壓計算

考慮結構重力荷載代表值作用，計算得到隔震支座長期面壓最大值為10.86MPa，3號樓體育中心為丙類建筑，根據《建筑抗震設計規范》的規定，可知本項目隔震支座壓應力滿足限值要求。

2.3 隔震層抗風承載力驗算

隔震層須具備足夠的屈服前剛度，以滿足風荷載和微振動要求。隔震層水平恢復力由鉛芯橡膠支座和天然橡膠支座共同提供。本工程100年一遇風荷載標準值產生的總水平力為3 120kN，小于結構總重(198 401kN)的10%，滿足《建筑抗震設計規范》第12.1.3節要求。隔震層屈服力為6 366kN，大于100年一遇風荷載標準值作用下隔震層層間剪力的1.4倍(4 368kN)，滿足隔震層抗風承載力要求。

2.4 自振周期分析

分別計算非隔震結構與隔震結構前三階振型下的自振周期，結果如表1所示。由表1可知，隔震結構自振周期較長，抗震性能較好。

表1 非隔震結構與隔震結構前3階振型下的自振周期

2.5 彈性時程與反應譜分析

選取適合本工程場地類別的5條天然波和2條人工波進行非隔震結構與隔震結構彈性時程分析，結果如表2，3所示。利用振型分解反應譜法計算得到非隔震結構x，y向地震作用下基底剪力分別為70 477，69 995kN，隔震結構x，y向地震作用下基底剪力分別為37 252，37 058kN。由表2，3可知，彈性時程分析得到的x，y向地震作用下非隔震結構與隔震結構基底剪力與振型分解反應譜法計算結果比值均>80%，滿足《建筑抗震設計規范》第5.1.2條的規定，表明選取的地震波可用于結構時程分析。

表2 非隔震結構彈性時程分析結果

2.6 層間剪力分析

非隔震結構與隔震結構在設防烈度地震作用下最大層間剪力如圖2所示。由圖2可知，采用隔震技術后，隔震結構x，y向地震作用下最大層間剪力均顯著降低，可將上部結構設防烈度降低1度進行設計。

圖2 結構最大層間剪力

2.7 罕遇地震作用分析

隔震支座在罕遇地震作用下的短期極值面壓是隔震層設計的重要指標，短期極值面壓計算時考慮了重力荷載代表值、雙向水平地震作用及豎向地震作用，其中，短期極大面壓軸力組合包括1.0×恒荷載+0.5×活荷載+1.0×罕遇水平地震作用+0.4×豎向地震作用、1.0×恒荷載+0.5×活荷載+0.4×罕遇水平地震作用+1.0×豎向地震作用；短期極小面壓軸力組合包括0.9×恒荷載-1.0×罕遇水平地震作用-0.4×豎向地震作用、0.9×恒荷載+0.4×罕遇水平地震作用-1.0×豎向地震作用。計算得到隔震支座短期極大面壓為10.21MPa，滿足《建筑抗震設計規范》第12.2.4條規定的丙類建筑橡膠支座壓應力限值為15MPa的要求；隔震支座短期極小面壓為2.89MPa，未受拉，滿足《建筑抗震設計規范》第12.2.4條規定的橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時作用下，拉應力不應大于1MPa的要求。

表3 隔震結構彈性時程分析結果

2.8 抗傾覆驗算

隔震結構抗傾覆力矩主要由上部結構自重提供，即按上部結構重力代表值計算抗傾覆力矩，進行隔震結構整體抗傾覆驗算，考慮罕遇地震作用，并考慮上部結構各層重心相對于初始位置存在偏移，以結構變形后各層形心到最外側邊緣隔震支座軸線的距離為相應樓層抗傾覆力矩力臂，抗傾覆安全系數(抗傾覆力矩與傾覆力矩之比)應≥1.2。隔震結構抗傾覆驗算結果如表4所示。由表4可知，隔震結構在x，y向地震作用下的抗傾覆安全系數均滿足要求，表明隔震結構具有良好的抗傾覆能力。

表4 隔震結構抗傾覆驗算結果

3 隔震結構施工

隔震支座安裝時，標高、水平位置和水平度需控制在規范限值和設計圖紙允許范圍內，傳統施工方法需采用全站儀進行逐個定位，安裝速度較慢。為此，建立隔震支座BIM模型，并對支座安裝工藝進行模擬，對下柱墩鋼筋進行優化設計，保證柱墩鋼筋與隔震支座預埋錨筋不發生碰撞。柱墩混凝土澆筑完成并達到強度后進行隔震支座安裝，工藝流程如圖3所示。

圖3 隔震支座安裝流程

3.1 測量放線

隔震層底板澆筑完成后，采用全站儀測設建筑軸線，并標注在隔震層底板上。同時，測設隔震支座柱墩頂標高，并標注在隔震層周圍剪力墻上。

3.2 下支墩鋼筋綁扎

根據柱墩BIM模型，進行柱墩鋼筋排布，確定柱墩鋼筋與隔震支座預埋錨筋沖突位置并調整。

3.3 預埋板定位

采用激光掃平儀、全站儀、卷尺進行隔震支座預埋板水平定位，并進行預埋板水平度和標高復核。安裝完成的隔震支座如圖4所示。

圖4 安裝完成的隔震支座

4 結語

結合海口市中共海南省委黨校新校區建設項目，采用ETABS軟件建立3號樓體育中心隔震結構模型，并進行隔震設計分析，包括隔震支座長期面壓計算、隔震層抗風承載力驗算、自振周期分析、彈性時程與反應譜分析、層間剪力分析、罕遇地震作用分析、抗傾覆驗算。隔震設計分析結果表明，采用隔震技術后，隔震結構受力性能、抗傾覆性能等均得到提高。

通過采用BIM技術，對支座安裝工藝進行模擬，對下柱墩鋼筋進行優化設計，保證柱墩鋼筋與隔震支座預埋錨筋不發生碰撞。針對隔震支座傳統施工方法安裝速度慢的問題，使用激光掃平儀、全站儀等進行測量定位，保證了支座安裝速度與精度，縮短了工期。