8度区某中学教学楼隔震设计

8 度区某中学教学楼隔震设计

侯蕾

湖南工学院土木与建筑工程学院 湖南省衡阳市 421002

[摘要]隔震结构的减震理念与传统结构不同，以8度区某中学教学楼为例。采用PKPM进行上部结构设计，ETABS进行隔震结构时程分析，结果表明短周期多层框架结构采用隔震技术，上部结构地震响应明显降低，抗震性能也有很大提高。

[关键词]隔震设计；时程分析；减震效果

引言

隔震技术是一种革新性结构工程抗震减灾技术，旨在解除上部结构与地基的耦联关系，通过增加结构的柔性以及提供附加阻尼来减小输入到结构中的地震作用。不同于传统抗震结构的通过“强化”构件的方式增强结构本身的耐震能力方式。尤其适用于中低层刚度大、周期短的结构，因其基本周期正好在地震输入能量最大的频段上，相应的加速度反应比地面运动放大得多，即发生共振。隔震结构通过延长结构的周期并给予较大的阻尼，可使结构上的加速度反应大大降低。此外对结构产生的较大位移可由上部结构底部和基础顶部之间设置的隔震层发生变形来提供，上部结构在地震作用下发生接近刚体平动的运动，从而提高了上部结构的安全性。

国内外很多已建成的隔震结构在地震中经受住考验，表现良好的减震效果。近年来，受实际隔震效果和国家相关政策刺激下，现代隔震技术受到越来越多的关注，并得到了较大规模的应用。

1.工程概况

某中学工程位于8度区，设计基本地震加速度峰值为0.20g，设计地震分组第一组，II类场地，场地特征周期0.35s。采用框架结构形式，楼层数为4层，建筑结构高度17.5m，宽13.2m，高宽比1.2。属于重点设防类，乙类建筑。减震目标为降低一度，上部结构按7度，0.1g进行设计。

2.隔震设计

2.1隔震流程

隔震结构的设计需要在减小上部结构水平地震作用与增大的位移响应之间找到平衡点，往往需要多次试算迭代，其主要分析流程：假定减震目标，初算减震系数，进行上部结构设计，布置隔震层，输入地震波进行弹性时程分析，计算减震系数，与预期减震效果不符，重新布置隔震层，相符进行罕遇地震下结构验算，满足要求之后，进行隔震支墩等连接件设计。

2.2隔震结构分析

本工程使用大型有限元软件ETABS建立隔震与非隔震结构模型，进行计算与分析。ETABS软件连接单元能够准确模拟橡胶隔震支座。将EATBS和SATWE非隔震模型计算得到的质量、周期和层间剪力（振型分解反应谱法）进行对比，两种软件所得质量，前三阶模态的自振周期以及各层剪力的结果都很接近，说明用于本工程计算分析的两个软件的计算模型是一致的。

本工程选取了实际5条强震记录和2条人工波进行时程分析。

2.3隔震支座布置

本工程共采用天然橡胶支座（LNR）和铅芯橡胶支座（LRB）两种，其中28个LRB400，4个LNR400和12个LNR500共44个支座，参数见表1，隔震支座平面布置见图1。

图1 隔震支座布置图

2.4隔震支座压应力验算

根据《抗规》要求，乙类建筑，重力荷载代表值作用下各个支座的竖向压应力不应超过12MPa，本工程在此工况下各支座压应力最大值为6号支座的10.57MPa，有一定安全储备，满足要求。

3.设防地震分析

设防地震作用下，隔震结构与非隔震结构的周期对比见表2，《叠层橡胶支座隔震技术规程》规定：隔震房屋两个方向的基本周期相差不宜超过较小值的30%。本工程采用隔震技术后，结构的周期明显延长，且满足相关规定要求。

表2 ETABS模型隔震前后结构的周期

计算采用单向地震输入，时程加速度峰值为8度中震（200gal）。将隔震与非隔震结构模型分别进行设防地震下的时程分析后，求得隔震结构与非隔震结构各层层间剪力，水平减震系数根据两种模型各层层间剪力比值最大值取值，为0.351。抗规规定，采用隔震技术时水平减震系数在0.27～0.4之间时，可以降低1度设防，按照7度(0.1g)的地震作用来进行设计计算和采取抗震措施，与最初结构设计时预期减震效果相一致。隔震后水平地震影响系数最大值按αmax1＝βαmax/ψ计算，计算值0.066。综合考虑后，上部结构设计隔震后水平地震影响系数最大值为0.08。

4.罕遇地震分析

支座剪力平均值X方向最大值出现在25号支座的169kN，Y方向最大值出现在2号支座的172kN，支座轴力最大值出现在5号支座的2373kN。隔震层水平位移计算最值为3号支座的0.139m，小于0.55D=220mm（D为最小隔震支座直径，本工程采用隔震支座最小直径为400mm）及3Tr=219mm（Tr为最小隔震支座的橡胶层总厚度）中的较小值。在罕遇地震作用下，出现在1号支座LRB400，最大拉应力为0.29Mpa，小于1.0Mpa，且隔震支座拉应力满足规范要求。根据《抗规》12.1.3条，采用隔震的结构风荷载的产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%，本结构总重力为38126kN,风荷载产生的总水平力为1211kN,满足要求。

5.隔震支墩设计

根据《抗规》12.2.9 条的规定，支座上下的支墩、支柱的地震作用和抗震验算，应采用罕遇地震下隔震支座的竖向力、水平力和力矩进行计算。本工程隔震层层高较低（2m），支墩高度较短，均不超过300mm，支墩截面尺寸700mm×700mm，个别700×800可以满足大震下的竖向力、水平力和力矩计算。直径500的支座下支墩530mm，400的支座下支墩高度550mm。

总结

该学校的基础隔震设计在上部结构设计、隔震层布置以及时程分析等过程中，严格遵守了有关规范规程的规定及建议，计算得到的减震系数小于规范所规定的最大值。符合将上部结构中震降低1 度，由8 度设防降低为7 度设防的要求，表明了隔震技术带来的良好隔震效果。

《高层隔震结构抗震性能研究》湖南工学院科学研究项目（2018HY015）