某校舍框架結構中的隔震加固技術應用

鄒 會，衛 海

（江蘇鴻基節能新技術股份有限公司，江蘇 南京 210032）

0 引言

傳統的結構抗震設計思路，主要是通過增大結構的剛度來抵抗地震作用。但結構剛度的增大又會加強地震作用，剛度與地震力互相糾纏，容易造成結構設計困難。隔震的結構設計思路，則是擺脫原有“抗”的設計思路，而采用“隔”地震力的設計思路，以減弱地震作用，來達到提高結構抗震性能的目的。

傳統結構中，底部固定，受力大，結構各層變形很大，結構容易彎剪破壞。地震時激烈晃動，房屋加速度放大，梁柱開裂，內部裝飾、設備破壞。隔震結構中，底部柔軟，不受力，結構變形集中底部，結構彈性平動。地震時緩慢平動（長周期），房屋加速度減少，結構彈性（變形集中在柔軟支座），從而保護結構內部的裝飾和設備等。隔震加固新技術相比常規加固方法具有的主要優勢如下。

1）創面小。傳統加固方法涉及建筑物上部結構的各種構件、各個部位，影響范圍大；而隔震加固方法僅涉及首層面及以下，二層以上范圍可以基本不動，創面非常小［1］。

2）工期短。由于傳統加固涉及的加固構件較多，工藝種類較多，所以往往需要更長的加固施工時間；而隔震加固方法，由于施工基本只在首層進行，故一般可在60 d 以內完成，且節省了大量裝修恢復的時間［2，3］。

3）造價低。隔震加固的造價主要取決于樓層的高度。樓層越高的房屋，對應的單位面積造價越低，因此，隔震加固技術從經濟角度考慮更適用于三層及以上的建筑物。

4）抗震安全性高。隔震加固方法使地震動減少 100 %～40 %，地震反應減少 1/3～1/10，抗震安全性提高 3～10 倍，地震時地震能量通過隔震支座消耗，上部結構基本不損傷，可有效保護房屋結構內部人員及設施的安全［4-6］。

5）教學秩序的影響小。采用隔震加固方法二層以上教室沒有任何破壞，工程結束后，也無需后期恢復，能確保學校的正常教學秩序，并且可在施工期間，保證加固教學樓二層以上正常教學和使用［7，8］。

本工程建筑物為框架結構綜合樓，其樓層較高且室內裝修造價很高，因此該工程適合采用隔震加固的方法。本文通過該工程實例來說明隔震加固設計的思路以及建筑物采用隔震加固后的隔震（抗震）加固改造效果。

1 工程概況

該校舍綜合樓為 5 層框架結構，建于 2004 年，層高 3.6 m，總長 42 m，寬 26 m。梁板柱均為現澆混凝土，基礎為樁基及獨基。

本工程按后續使用年限 40 年進行隔震設計，該結構的抗震設防烈度為 7 度（0.15g），場地類別為 Ⅲ 類，需提高半度按 8 度（0.20g）采取抗震構造措施；本建筑屬乙類建筑，校舍加固需提高一度采取抗震構造措施；同時，采用隔震措施且減震系數小于 0.4 時，根據規范可降低一度采取抗震構造措施，故本次隔震改造中抗震構造措施按 8 度（0.20g）設計；在有限元軟件中進行隔震計算時，地震作用按 7 度（0.15g）考慮；在 PKPM 軟件進行構件承載力復核時，減震系數小于 0.4，地震作用效應按 GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》第 12.2.5 條確定。

動力分析中考慮了雙向水平地震荷載，設計基本地震分組為第一組，特征周期為 0.45 s。

2 隔震加固設計與分析

2.1 加固方案的選擇及鑒定報告結論的解決方法

本綜合樓工程安全性不存在明顯不足，但抗震性能方面存在明顯不足，本身需加固、維修。本工程經隔震設計加固后，減震系數小于 0.4。隔震后，地震影響已大大減弱，傳遞到上部結構的地震力顯著減小，建筑抗震性能明顯提高，且經 PKPM 復核，結構抗震滿足要求。

2.2 三維有限元分析模型

為了準確地進行基礎隔震分析，用有限元軟件 ETABS 對該綜合樓在隔震支座以上的結構主體建立了隔震結構的三維有限元分析模型。圖 1、圖 2 為該綜合樓有限元模型的三維視圖和二層平面視圖。

圖1 綜合樓有限元分析模型三維視圖

圖2 綜合樓有限元分析模型二層平面視圖

2.3 輸入地震動及其評價

1）輸入地震動。本報告選用 5 條天然地震動記錄和 2 條人工波（南京波和宿遷波），利用 ETABS 非線性有限元軟件對綜合樓隔震結構進行了整體非線性時程分析，并與未隔震結構進行對比，重點分析了未隔震結構和隔震結構在 7 度（0.15g）多遇地震作用下的最大底部剪力響應等。所選用地震波的詳細參數如表 1 所示。圖 3 給出了綜合樓 7 度（0.15g）多遇（55 gal）設計地震動加速度時程。

表1 輸入地震動參數

圖3 輸入地震動加速度時程（峰值已歸一化）

7 度（0.15g）多遇（55 gal）設計地震動和 5 % 阻尼比規范設計譜對比如圖 4 所示。

圖4 輸入地震波加速度反應譜與規范設計反應譜對比

2）基于動力響應的地震動評價。從結構動力響應的角度分析所選用的地震動，我國 GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》明確規定，在彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結構底部剪力均超過振型分解反應譜法計算結果的 65 %，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值均大于振型分解反應譜法計算結果的 80 %。將各條加速度時程曲線的加速度最大值調整到 55 gal，對未進行基礎隔震的結構進行了時程分析和反應譜分析，得到結構最大地震剪力，列于表 2。

3）從表 2 可以看出，從結構動力響應的角度來分析，所選用的地震動滿足規范的要求。采用7條時程曲線作用下各自最大地震響應值的平均值作為時程分析的最終計算值，結果可靠，可以用于綜合樓隔震設計。

表2 綜合樓非隔震結構時程和反應譜底部剪力對比 kN

2.4 罕遇地震下結構位移驗算

結構的位移量，需滿足抗規 5.5.5 條規定的位移角限值。取七條時程計算結果的位移角平均值作為結構的位移角進行驗算，如表 3 所示。

表3 綜合樓位移計算

由表 3 結果，可得X向、Y向位移角均小于 1/50，均滿足抗規 5.5.5 條關于鋼筋混凝土框架結構位移角的限值要求，說明綜合樓結構位移變形穩定。

2.5 結構隔震后的水平變形

表 4 給出了 7 度（0.15g）罕遇地震（310 gal）作用下一層某邊柱點位移最大值。

表4 綜合樓隔震結構罕遇地震底部代表性支座的最大位移

由表 4 可見，在多條雙向地震作用下，各支座最大位移沒有超越規范限值，滿足規范相關要求，隔震層在罕遇地震作用下具有較高的可靠性和穩定性。

2.6 隔震結構模態分析

模態分析是結構的自振特性分析，主要是確定結構或結構構件的固有頻率和振型，也是結構進一步進行動力分析的基礎。表 5 給出了采用 Ritz 向量法計算出隔震體系在 50 % 剪應變和 100 % 剪應變時前 6 階周期的結果。從表 5 中可以看出，隔震體系的周期較原結構增大了很多，綜合樓基本周期由原來的 0.79 s 延長至 2.15 s，已經遠離了結構的基本周期。

表5 隔震結構前 6 階振型的周期 s

2.7 水平向減震系數

表 6 給出了隔震結構與非隔震結構在設計地震作用下的各層層間剪力對比。

表6 綜合樓隔震和非隔震結構各層層間剪力對比 kN

從表 6 中可以看出綜合樓采用隔震加固方案后，層間剪力與非隔震結構相比降幅較大。從多條地震波的平均結果來看，綜合樓X向層間剪力比平均值為 0.393，Y向最大層間剪力比平均值為 0.391，隔震效果非常顯著。

2.8 中震下加速度時程對比

圖 5 給出了 7 度（0.15g）多遇地震（55 gal）作用下未隔震結構與隔震結構二層某邊柱加速度時程對比圖。

圖5 綜合樓未隔震結構與隔震結構 2 層某邊柱頂點加速度時程對比

從以上結構參考點加速度結果來看，結構布設隔震支座后，結構的動力加速度顯著降低，隔震效果明顯。

3 結語

綜合樓經抗震鑒定不滿足現行抗震規范要求，為提高建筑物的抗震性能，提升建筑的使用功能，對該建筑進行了隔震加固設計與施工。通過上述內容，對綜合樓進行了隔震分析計算，說明建筑物采用隔震加固設計后滿足規范相關要求及提高建筑抗震性能的要求。且現有建筑物采用隔震加固后已使用了數年，實踐證明建筑物隔震加固改造后滿足了功能使用和結構安全的要求。

建筑物采用隔震加固方法后，能降低建筑物的地震作用及抗震構造措施，經計算減震系數小于 0.4，同時抗震構造措施可按降低一度考慮，因此大大提高了建筑物的抗震安全性能，解決了鑒定報告中提出的結構抗震性能問題；同時隔震層結構具有足夠的剛度、強度，能滿足罕遇地震工況下的結構安全性；對于本工程，由于建筑層數較高、且室內裝修好，采用隔震加固的方法相比傳統的常規加固來說，在施工工期、造價、結構抗震性能等方面來說均具有很好的適用性和優勢。Q