某裝配式隔震框架辦公樓抗震性能研究

王亮， 張天經， 李鵬飛， 趙航， 李運剛

（1.信陽市裝配式建筑重點實驗室，河南 信陽 464000；2.信陽學院土木工程學院，河南 信陽 464000；3.天津市農村社會事業發展服務中心，天津 300384；4.信陽市建筑勘察設計研究院有限公司，河南 信陽 464000）

0 引言

隨著我國大力推廣應用裝配式建筑，建筑工業化、模塊化生產得到有力發展。然而我國較多城市處于8度以上設防烈度區，嚴峻的地震設計環境為裝配式結構體系推廣應用帶來了挑戰[1]。眾多研究表明，裝配式框架結構梁柱節點力學性能較現澆結構明顯降低，地震作用下節點區域易出現塑性變形，影響建筑功能使用和結構安全[2,3]。基礎隔震技術將隔震裝置設置在上部結構與基礎之間，能夠延長結構振動周期以降低上部結構地震響應[4]。王維等[5]對預制混凝土剪力墻結構進行隔震設計并采用振動試驗驗證，得到隔震后層加速度、剪力顯著減小的結論；黃敦堅等[6]針對模塊化結構進行層間隔震設計流程和設計參數分析，發現隔震層位移上移對隔震效果有削弱現象；曾雪涵等[7]對多層裝配式框架基礎隔震結構地震響應進行了分析，得出隔震能夠使上部結構保持在彈性范圍內的結論；何斌[8]對多種結構方案進行了隔震性能比選，優化了隔震層位置造型；劉輝龍等[9]基于有限元分析了低層裝配式民居的抗震性能，指出門窗墻體削弱處在地震下易損傷的特點。研究結合某五層裝配式框架辦公樓，基于剛度、強度折減原理建立有限元分析模型，對罕遇地震作用下結構的抗震響應進行分析。結果表明，裝配式框架結構抗震能力弱于現澆結構，隔震后結構層加速度、層剪力均明顯降低，水平位移主要集中在隔震層，基礎隔震裝配式結構具備較好抗震效果。

1 工程概況

某裝配式框架辦公樓共5層，層高均為3.3m。抗震設防烈度為8度（設防地震0.2g，罕遇地震0.4g），設計地震分組為第II組，場地類別III類，場地特征周期0.55s。結構長30m、寬12m，預制柱為650mm×650mm，預制梁300mm×700mm，板厚120mm，恒載3.5kN/m2，活載2.0kN/m2。計算模型如圖1所示，文獻[10]研究成果，裝配式結構剛度折減系數取0.8、強度折減系數取0.9。

圖1 有限元分析模型

選用EL-centro（EL）、Bigbear（BIG）、人工波（REN）3條地震動進行設防烈度下時程分析，由圖2反應譜對比曲線可見3條波高頻段包絡反應譜,滿足抗震規范選波要求。

圖2 地震反應譜對比

2 隔震方案設計

隔震支座設置在原結構柱底，鉛芯橡膠支座（LRB）布置在角柱、邊柱下以提高抗扭和耗能能力，橡膠支座（NRB）布置在內柱底以充分變形和提供恢復力。支座布設方案見圖3、支座類型與支座力學參數見表1。

圖3 水平隔震支座布置

表1 水平隔震支座力學參數

3 抗震性能分析

為便于抗震性能對比分析，利用SAP2000有限元分析軟件建立現澆框架結構（RC），裝配式框架結構（PRC），隔震裝配式框架結構（IS0PRC）三類結構模型，分別對模態、加速度、層剪力、層位移、頂層譜響應進行對比研究。

3.1 模態分析

表2為3類結構在罕遇地震下模態信息表，由表可得PRC結構較RC結構周期稍有延長，表明其抗側剛度弱于現澆結構。ISOPRC結構周期較RC、PRC結構均有明顯延長，能夠避開場地特征周期。

表2 模態信息

3.2 抗震效果分析

圖4為3條地震波罕遇地震（0.4g）作用下的X向層加速度峰值包絡圖，結果顯示PRC結構層加速度與RC結構加速度相比稍有降低，但ISOPRC結構層加速度明顯小于另兩類結構。ISOPRC結構隔震層的設置，使輸入到上部的加速度減小至1/3，表明隔震有效降低上部加速度響應，降低裝配式節點塑性變形出現概率。

圖4 X向層加速度峰值

圖5為3條地震波罕遇地震作用下的X向樓層位移峰值曲線隨高度變化，結果顯示RC、PRC結構層位移峰值隨高度增加呈放大趨勢，而ISOPRC結構水平變形則集中在隔震層內，上部結構接近平動，有效避免裝配式節點因層內相對位移而發生轉動破壞，這與圖4表述現象相符。ISOPRC結構隔震層位移平均達145mm，需在房屋周邊設置足夠防撞間隙。

圖5 X向層位移峰值對比

圖6結果顯示，PRC結構與RC結構頂層加速度譜值、卓越周期幾乎保持一致，而ISOPRC結構反應譜峰值明顯降低，且峰值周期由低周段向高周段移動。0.4g輸入下ISOPRC結構低周段譜曲線均包絡在RC、PRC譜內，表明隔震方案對上部結構的減震效果顯著。但在長周期段，ISOPRC結構譜明顯高于RC、PRC結構，表明隔震結構長周期段加速度響應有放大現象。

圖6 X向層剪力峰值對比

圖7為EL波罕遇地震下X向底層加速度時程曲線對比，結果顯示ISOPRC結構底層加速度時程包絡在RC、PRC時程內，PRC結構底層加速度時程與RC結構時程基本一致。

圖7 底層加速度時程曲線

圖8可知，地震作用下LRB支座滯回環飽滿，形狀保持穩定。表明ISOPRC結構中隔震層鉛芯能夠提供初始啟動力，并且耗能能力穩定，可以有效減小上部裝配式框架體系的變形耗能，使結構保有充足的安全裕度。

圖8 LRB支座滯回曲線

4 結語

研究結合某5層裝配式框架隔震辦公樓，基于力學性能折減原理建立有限元分析模型，對罕遇地震下結構的抗震響應進行分析，得到如下結論：

（1） 設置隔震層的裝配式框架結構，其自振周期較裝配式框架結構、現澆結構體系有顯著延長，能夠避開場地特征周期。

（2） 地震動時程罕遇地震作用下，設置隔震層裝配式框架結構水平位移主要集中在隔震層內，上部結構保持平動，其層加速度較裝配式結構、現澆結構減小，通過隔震層輸入到上部結構的加速度僅為未隔震的1/3。

（3） 頂層加速度反應譜曲線對比發現，設置隔震層的裝配式框架結構在低周段內其譜包絡在現澆、裝配式結構頂層反應譜內，且譜卓越周期由低周區向高周區移動；地震動作用下，隔震裝置滯回曲線飽滿、出力良好，起到較好的耗能作用。隔震技術應用于裝配式框架結構能夠起到提升其抗震能力的效果。