基礎隔震技術對框架結構抗震能力提升的研究

申啟飛

(南通開放大學建筑工程學院，江蘇 南通 226000)

1 基礎隔震原理

根據地震作用原理，減少地震對主體結構的破壞，在基礎和上部結構之間設置隔震層，在遇到地震荷載作用時，設置的隔震層可以起到緩沖的作用，讓上部主體結構處于一個相對的彈性工作狀態(tài)，有效隔斷地震水平力對上部結構的影響。橡膠墊基礎隔震是目前廣泛使用的一種基礎隔震裝置。

2 隔震支座布置

2.1 隔震支座的工作原理

各類隔震裝置的研發(fā)始于20世紀60年代，本文研究的是一種復合型隔震支座，圖1是其2種構造形式，它是在橡膠片與橡膠片之間置入薄鋼板疊合制作而成。在工作狀態(tài)下，由于薄鋼板的強度和剛度比較大，有效改善了橡膠片豎向承載力差的問題，承荷能力顯著提升，結合橡膠片的韌性和薄鋼板的剛度，確保了上部主體結構的穩(wěn)定；由于構造的差異，雖然圖1中的鉛芯橡膠支座剛度小，但它卻有緩沖作用，能減弱地震荷載對上部結構的影響。

圖1 復合型隔震支座示意圖

2.2 支座布置

隔震支座布置是否合理，直接影響隔震的效果。隔震支座首次布置后，對比SAP2000模型、ETABS模型對結構總荷載、自振周期和隔震層間的剪力進行分析對比，檢驗其各參數設置是否符合規(guī)范要求，同時對隔震支座處產生的壓應力、強震下的結構抗傾覆力、隔震支座的位移量和結構的偏心率進行驗算，判別是否符合規(guī)范要求。在此過程中如有不符合的指標，則需要重新調整支座的位置后再進行驗算，最終須完全符合規(guī)范規(guī)定。隔震支座的布置既要有足夠的穩(wěn)定性，還需要保證在荷載作用下的安全性，使得隔震支座的設置滿足抗震要求，且隔震層設計合理。

3 工程應用

3.1 工程背景

江蘇省某地級市的一學校框架結構教學樓，結構設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10 g。該建筑地面以上為4層，局部為5層，建筑結構高度18.0 m、寬14.1 m。

模擬時，根據《建筑結構荷載規(guī)范》來確定基本活荷載：建筑樓面均布活荷載標準值設為2.5 kN/m2，走廊、門廳和樓梯的均布活荷載標準值設為3.5 kN/m2，不上人屋面荷載標準值設為0.5 kN/m2，因建筑總高度不高，基本風壓選用最低值0.3 kN/m2，B類粗糙度。

3.2 模型建立

以PKPM建模為基礎，分別用SAP2000、ETABS 2個軟件建立了教學樓隔震層上部結構的三維模型，如圖2、圖3所示。

圖2 SAP2000模型

圖圖3 ETABS模型

模型中用空間梁柱單元模擬結構的梁、柱構件，殼體單元用來表現墻體。質量源用來定義模擬建筑物的樓板、梁柱自重及恒載，模擬過程中考慮荷載的折減，結合工程實際折減系統(tǒng)取值為0.7。在ETABS模型中，隔震支座選用Isolator1為隔震單元；在SAP2000模型中，隔震支座選用RUBER ISOLATOR作為隔震單元，隔震支座的參數選擇須結合項目的實際需求來設定隔震單元屬性值。

3.3 時程分析

模擬過程中共采用7條時程，分別為5條強震時程和2條人工仿真時程，時程分析時借助ETABS模型，重點分析了該教學樓基礎上部主體隔震結構的整體非線性時程，同時將隔震試驗時程分析結果與非隔震結構的時程分析結果進行了比對，重點分析其在不同地震烈度作用下(非)隔震基礎底部的剪應力響應和地震加速度響應情況，如表1所示。

表1 試驗時程反應譜與規(guī)范反應譜數值對比

根據《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2010)可知，關鍵振型的周期點上對比相差不大于20%即滿足規(guī)范要求，由此可得出結論：該模型滿足抗震設計要求。

3.4 樓層位移對比分析

在地震荷載作用下樓層位移是破壞的主要特征，也是判別結構變形狀態(tài)的依據。

3.4.1 在REN 1地震波作用下的樓層位移

由試驗數據得出：在不同的工況作用下，采用基礎隔震技術后上部結構的層間位移量明顯減少。中震時，非隔震狀態(tài)下試驗結構的層間位移量達到了20.18 mm，而采用隔震技術的試驗結構的層間位移量僅為6.12 mm，比非隔震結構的層間位移量值降低了69.7%；大震時，非隔震結構產生的層間位移值為38.20 mm，而采用隔震結構的層間位移值僅為14.75 mm，同樣位移量值降低了61.4%，對比后可以看出采用隔震技術可有效降低結構的層間位移。此外，由試驗可以看出，采用基礎隔震技術后，該結構的變形主要體現在隔震層，且90%以上都是由隔震支座的位移而引發(fā)的變形。

在REN 2地震波作用下的位移情況與在REN 1地震波作用下的位移情況比較相近。在REN 1地震波作用下樓層位移量如表2所示。

3.4.2 在LWD地震波作用下的樓層位移

由試驗數據得出：采用基礎隔震技術可有效減小基礎以上主體結構的層間位移量。在中震荷載作用下，當結構未采用隔震技術時，該狀態(tài)下的層間位移量達到了21.10 mm，而隔震結構層間位移值為5.42 mm，兩者對比位移量降低了74.3%，中震效果顯著；大震工況作用下，非隔震結構導致層間位移值為39.47 mm，采用隔震結構的層間位移值僅為14.27 mm，兩者對比位移量降低了63.8%，隔震效果顯著。同時，變形相對集中的隔震層，絕大多數位移都是由支座變形而產生的。LWD地震波作用下樓層位移量如表3所示。

表2 REN 1地震波作用下樓層位移量

表3 LWD地震波作用下樓層位移量

3.4.3 在其他地震波作用下的樓層位移

由試驗數據得出：在不同地震波作用下，隔震層能有效降低結構的層間位移，減少結構在地震荷載作用下的變形，且該結構的變形主要體現在隔震層。在其他地震波作用下樓層位移計算結果及降低率如表4所示。

表4 在其他地震波作用下樓層位移計算結果及降低率

綜上所述，隔震結構的層間位移量對比非隔震結構，采用了基礎隔震技術的結構層間位移顯著降低、效果顯著；隔震層是產生位移或變形相對集中的位置，且絕大多數變形都是由隔震支座變形而引起的。

4 結語

本文所述的工程采用上述基礎隔震技術后，對比基本周期，其自振周期明顯延長。通過合理地設置隔震支座，隔震層的可靠性和穩(wěn)定性顯著提高。數據顯示采用基礎隔震技術后，不管是在地震加速度值、結構層間剪力，還是在地震荷載作用下的樓層位移，相較于傳統(tǒng)結構(未設隔震層)而言，隔震結構上部主體的穩(wěn)定性和抗破壞性都顯著提高，隔震效果顯著。而且，采用基礎隔震系統(tǒng)后，從基礎再到上部結構，變形集中的隔震層有效地消耗了地震能量，減輕了地震作用后的破壞力。