新隔標(biāo)下高烈度區(qū)某學(xué)校食堂建筑隔震分析

趙育才

(山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,山西 太原 030000)

1 工程概況

本項(xiàng)目為山西省某學(xué)校食堂建筑，乙類建筑，地上2層(局部3層)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g)。依據(jù)《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于房屋建筑工程推廣應(yīng)用減隔震技術(shù)的若干意見(jiàn)(暫行)》(建質(zhì)[2014]25號(hào))文件、《山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳關(guān)于積極推進(jìn)建筑工程減隔震技術(shù)應(yīng)用的通知》(晉建質(zhì)字[2014]115號(hào))及《建設(shè)工程建筑管理?xiàng)l例》文件，本工程地處高烈度區(qū)，且為學(xué)校食堂，應(yīng)采用減隔震技術(shù)，達(dá)到GB/T 51408—2021建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)“中震不壞，大震可修，巨震不倒”的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)要求。綜合考慮食堂建筑空間的使用情況及已有地震區(qū)減隔震建筑的實(shí)踐檢驗(yàn)結(jié)果，本項(xiàng)目采用建筑隔震技術(shù)，以改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，增大結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。

2 隔震支座布置及計(jì)算模型的建立

2.1 隔震支座布置

本工程無(wú)地下室，所以在±0.000以下設(shè)置隔震層，隔震層層高2 m，設(shè)置上下柱墩及梁板結(jié)構(gòu)，在選取隔震支座時(shí)，應(yīng)該注意隔震支座二次形狀系數(shù)對(duì)平均壓應(yīng)力限值的影響。

隔震支座的布置遵循以下原則：

1)根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范第12章第12.2.3條[1]，GB/T 51408—2021建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表4.6.3[2]，乙類建筑中隔震支座在重力荷載的代表值作用下的壓應(yīng)力限值應(yīng)不大于12.0 MPa的規(guī)定，并要求同一隔震層內(nèi)各個(gè)橡膠隔震支座豎向壓應(yīng)力宜均勻(是否考慮罕遇地震下的壓應(yīng)力限值)。2)隔震支座的極限水平變位應(yīng)大于其有效直徑的0.55倍和支座內(nèi)部橡膠總厚度3倍二者的較大值。3)隔震層在罕遇地震作用下應(yīng)保持穩(wěn)定，不宜出現(xiàn)不可恢復(fù)的變形；在罕遇地震作用下，隔震支座不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)少數(shù)隔震支座出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，其拉應(yīng)力不應(yīng)大于1 MPa。

本工程隔震層由無(wú)鉛芯橡膠隔震支座和鉛芯橡膠隔震支座組成[3]。經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算，本工程擇優(yōu)選用LRB600,LNR600兩種直徑的隔震支座，LRB600主要設(shè)置于建筑物周邊，如圖1所示。

2.2 計(jì)算模型的建立

在運(yùn)用YJKS4.2進(jìn)行分析時(shí)，首先確定梁、柱采用空間梁柱單元，混凝土樓板采用膜體單元，并按照剛性樓板假定進(jìn)行建模，分別計(jì)算隔震和非隔震結(jié)構(gòu)的受力特性；計(jì)算方法采用直接設(shè)計(jì)法(復(fù)振型分解反應(yīng)譜法)，僅建立隔震結(jié)構(gòu)模型，驗(yàn)算承載力(中震)和變形(中震、大震)；抗震措施按底部剪力法調(diào)整。建模時(shí)，設(shè)置柱墩層、隔震層、首層、二層、三層(注：非隔震模型僅需將隔震層隔震支座調(diào)整為鉸接，采用直接設(shè)計(jì)法時(shí)，軟件自動(dòng)進(jìn)行非隔震模型的計(jì)算)。本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖2所示。

3 地震波選取

進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，最重要的是地震波的選取。根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范5.1.2條要求及GB/T 51408—2021建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)4.2.4條，當(dāng)采用時(shí)程分析法時(shí)，宜按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用不少于5組的實(shí)際強(qiáng)震記錄和2組人工模擬的加速度時(shí)程曲線來(lái)模擬加速度時(shí)程曲線，本工程采用了5組實(shí)際強(qiáng)震記錄和2組人工模擬的加速度時(shí)程曲線。

地震波的選擇以滿足地震動(dòng)三要素：頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間的要求。其中加速度有效峰值的選擇與設(shè)防烈度對(duì)應(yīng)；頻譜特性依據(jù)所處場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組確定，即場(chǎng)地的“卓越周期”和“震中距”；有效持續(xù)時(shí)間一般為結(jié)構(gòu)基本周期T的5倍～10倍。按兩頻率段(基于規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜平臺(tái)段和結(jié)構(gòu)基本自振周期段)選擇地震波，選取地震動(dòng)的卓越周期接近Ⅲ類場(chǎng)地第一分組。根據(jù)地震波的三要素，所選地震波的峰值見(jiàn)表1。

表1 地震動(dòng)詳細(xì)信息及時(shí)程曲線有效持續(xù)時(shí)間表

各條地震動(dòng)時(shí)程及反應(yīng)譜如圖3～圖10所示。按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》5.1.2條第三款要求，彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 隔震結(jié)構(gòu)在多遇地震下的底部剪力

由圖3～圖10可知，各時(shí)程平均反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜較接近。

4 隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析

1)隔震結(jié)構(gòu)自振特性。

對(duì)隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行中震計(jì)算分析，并進(jìn)行比較。計(jì)算所得結(jié)構(gòu)自振周期見(jiàn)表3(取前3個(gè)周期)。

表3 隔震前后周期對(duì)比

通過(guò)表3可知，采用隔震設(shè)計(jì)后，結(jié)構(gòu)自振周期明顯延長(zhǎng)，隔震結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向基本周期相差不超過(guò)較小值30%，滿足規(guī)范要求[4-5]。

2)隔震與非隔震模型的隔震層底部剪力比見(jiàn)表4，表5。

表4 隔震前后X向?qū)娱g剪力比較

表5 隔震前后Y向?qū)娱g剪力比較

根據(jù)GB/T 51408—2021建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)6.1.3.2條，隔震結(jié)構(gòu)底部剪力比不大于0.5時(shí)，上部結(jié)構(gòu)可按本地區(qū)設(shè)防烈度降低1度確定抗震措施。由以上計(jì)算結(jié)果可知，安裝隔震支座后，結(jié)構(gòu)層間剪力大大降低，底部剪力比為0.41(小于0.50)，滿足減震目標(biāo)，因此采用隔震技術(shù)后，上部結(jié)構(gòu)可采取降低1度抗震措施進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)。

3)隔震層抗風(fēng)承載力驗(yàn)算見(jiàn)表6。

表6 隔震層抗風(fēng)承載力驗(yàn)算

4)隔震層屈重比驗(yàn)算見(jiàn)表7。

表7 隔震層屈重比驗(yàn)算

5)隔震層總水平力驗(yàn)算見(jiàn)表8。

表8 隔震層總水平力驗(yàn)算

6)罕遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)的層間位移角驗(yàn)算。

進(jìn)行罕遇地震作用下的層間位移角驗(yàn)算，取7條波計(jì)算的平均值，如表9所示。

表9 罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)層間位移角

在罕遇地震作用下，上部結(jié)構(gòu)的層間彈塑性位移角可按GB 50011—2010建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范5.5條規(guī)定，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值為1/50=0.02。由表9可知，隔震后結(jié)構(gòu)層間位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，上部結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作狀態(tài)。

7)隔震支座隔震性能分析(以隔震平面右上角鉛芯支座為例)，能量曲線見(jiàn)圖11。

從圖11可以看出，在自振周期內(nèi)，建筑物的耗能情況以隔震支座為主，且所占耗能比例最高，其次是結(jié)構(gòu)自身的梁、柱。說(shuō)明整個(gè)結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制合理，滿足抗震設(shè)計(jì)原則要求。

從圖12可以看出，內(nèi)力位移滯回曲線形狀非常飽滿，接近梭形，反映出整個(gè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的塑性變形能力很強(qiáng)，具有很好的抗震性能和耗能能力[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

1)采用隔震技術(shù)后，結(jié)構(gòu)的自振周期大大延長(zhǎng)，地震作用大幅減小；隔震后，結(jié)構(gòu)的耗能主要集中在隔震層，結(jié)構(gòu)呈平動(dòng)型。

2)采用隔震技術(shù)后，隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)的層間剪力比值為0.41<0.50，上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)降低1度，結(jié)構(gòu)的抗震性能得到改善，達(dá)到了“中震不壞，大震可修，巨震不倒”的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。