阿布都熱依木江·庫爾班,陳國新,阿不都西庫爾·扎依提

(新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院,新疆 烏魯木齊 830052)

8度區(qū)某中學教學樓隔震結構分析與性能對比

阿布都熱依木江·庫爾班,陳國新,阿不都西庫爾·扎依提

(新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院,新疆 烏魯木齊 830052)

目前新疆高烈度地區(qū)隔震、減震技術的應用越來越多。位于新疆烏魯木齊市設防烈度8度的某中學教學樓結構采用框架結構體系,屬于乙類建筑。今采用基礎隔震技術,在結構基礎設置帶有鉛芯疊層橡膠支座的隔震層，經(jīng)對其進行分析，表明進行隔震設計能夠明顯延長結構基本周期,可有效降低地震作用,使抗震設防烈度降低一級，能實現(xiàn)在中震作用下結構處于彈性階段,罕遇地震作用下具有良好的變形性能。

高烈度地區(qū)；隔震設計；時程分析；水平減震系數(shù)

建筑物結構隔震技術是20世紀60年代出現(xiàn)的一項新技術,多年來,世界各國學者對此項技術展開了廣泛深入的研究,并取得了引人注目的成果,使這方面的研究工作成為當今土木工程學科中的熱點研究課題,并且形成了一個新的學科分支。隔震技術是目前工程中應用最多的一種減震控制技術。隔震技術的本質(zhì)作用就是使結構和(或)構件與可能引起破壞的地震地面運動分離開來。這種分離是通過增加結構的柔性和提供適當?shù)淖枘醽韺崿F(xiàn)的[1-3]。

根據(jù)國家住建部和新疆維吾爾自治區(qū)的有關推廣應用減隔震技術的若干意見要求,凡位于抗震設防烈度8度(含8度)以上地震高烈度區(qū)新建3層(含3層)以上學校、幼兒園、醫(yī)院等人員密集公共建筑,應當優(yōu)先采用減隔震技術進行設計。目前新疆地區(qū)隔震、減震技術的應用越來越多。本文以新疆烏魯木齊市某一中學工程為例,探討了隔震技術在實際工程中的應用與減震作用。希望本文能夠為高烈度區(qū)類似結構的設計提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況與模型建立

1.1 工程概況

本工程位于新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市,抗震設防烈度8度,設計基本地震加速度峰值為0.2 g,設計地震分組第二組,Ⅱ類場地,場地特征周期0.4 s。采用框架結構形式,樓層數(shù)為5層,建筑結構高度25.3 m,寬19.5 m,高寬比1.3,滿足規(guī)范對隔震結構的高寬比限值要求。屬于重點設防,乙類建筑。結構三維模型見圖1。

圖1 結構三維模型圖

1.2 隔震支座布置

本工程采用的橡膠隔震支座,在選擇其直徑、個數(shù)和平面布置時,根據(jù)有關規(guī)范[4-5]利用計算得到的豎向壓力的設計值以及支座壓應力的限值可以推算得出隔震支座所需要的最小尺寸,利用該最小尺寸并且結合支座尺寸模數(shù)對支座的尺寸進行初選。本工程采用LRB600、LRB700、LRB800,共使用了29個支座,各類型支座數(shù)量及力學性能見表1。

2 地震動輸入

2.1 地震加速度時程曲線

本工程選取了實際5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程,7條時程曲線信息見表2。

表1 有鉛芯隔震支座的力學性能參數(shù)

表2 時程曲線信息表

注：因項目距離發(fā)震斷裂帶5 km以內(nèi),所以1.5為近場系數(shù)。

2.2 規(guī)范譜與時程平均譜對比

選取5條強震記錄和2條人工波模擬加速度時程，分別對隔震結構、非隔震結構進行反應譜分析后,7條時程曲線平均反應譜與《抗規(guī)》規(guī)定的反應譜在同周期值時均相差不大,最大不大于20%,滿足規(guī)范要求。

3 結構動力反應計算分析

隔震技術的本質(zhì)作用就是使結構和(或)構件與可能引起破壞的地震地面運動分離開來。這種分離是通過增加結構的柔性和提供適當?shù)淖枘醽韺崿F(xiàn)的。本文以某中學教學樓為工程背景,詳細地對比分析結構隔震前后周期、各層剪力、結構底部彎矩。

3.1 結構隔震前后周期對比

《疊層橡膠支座隔震技術規(guī)程(CECS 126∶2001)》規(guī)定：隔震房屋兩個方向的基本周期相差不宜超過較小值的30%[5]。由表3可知,采用隔震技術后,此結構的前三個周期延長近3倍并兩個方向的兩方向差值3.6%,前三個周期對應的水平地震影響系數(shù)降低了40%。

表3 結構隔震前后周期與水平地震影響系數(shù)對比表

3.2 非隔震結構和隔震結構剪力和傾覆彎矩對比分析

通過7條地震波進行時程分析計算得到非隔震結構和隔震結構的基底剪力值、傾覆力矩。7條地震波進行時程分析結果見圖2～9,其平均值比值見表4、表5。由圖2～9及表4、表5可以看出, 隔震層以上結構隔震后的樓層X方向剪力約降為非隔震結構的32%，Y方向剪力約降為非隔震結構的25%；隔震層以上結構隔震后的樓層X方向樓層傾覆彎矩約降為非隔震結構的30%，Y方向樓層傾覆彎矩約降為非隔震結構的23%?？梢钥闯?，結構設置隔震支座后結構層間剪力、傾覆力矩都大大降低。

圖2 X方向非隔震結構層間剪力

圖3 X方向隔震結構層間剪力

圖4 Y方向非隔震結構層間剪力

圖5 Y方向隔震結構層間剪力

圖6 X方向非隔震結構層間傾覆彎矩

3.3 計算隔震后水平地震影響系數(shù)最大值

由表4、表5分析得到隔震層以上結構隔震前后,結構層間剪力比值的平均值和結構傾覆力矩比值的平均值見表6,其最大值為0.329 2。因項目距離發(fā)震斷裂帶5 km以內(nèi),所以考慮1.5的近場系數(shù)。據(jù)《抗規(guī)》第12.2.5條,確定隔震后水平地震影響系數(shù)最大值αmax=λsβαmax/φ=0.329 2×0.16/0.85×1.5=0.093(式中λs為近場影響系數(shù))。綜合考慮后, 上部結構設計隔震后水平地震影響系數(shù)最大值為0.10,在7度水平地震影響系數(shù)最大值0.08與7度水平地震影響系數(shù)最大值0.12之間,則結構隔震設計后,抗震設防烈度降低一級。

表4 非隔震與隔震結構層間剪力對比

表5 非隔震與隔震結構傾覆力矩對比

表6 隔震與非隔震層最大比值

注：此次設計采用的隔震支座剪切性能偏差為S-A類,故調(diào)整系數(shù)ψ取0.85。

圖7 X方向隔震結構層間傾覆彎矩

圖8 Y方向非隔震結構層間傾覆彎矩

表7 中震作用下與大震作用下隔震結構層間位移角

圖9 Y方向隔震結構層間傾覆彎矩

4 結構層間位移計算

對結構分別進行設防地震和罕遇地震下的層間變形驗算。

1.0×恒荷載+0.5×活荷載+1.0×水平地震；即：1.0D+0.5L+1.0Fek。得到設防地震下隔震結構層間位移角,見表7。由表7可知,采用隔震技術后設防地震下隔震結構最大層間位移角為1/666,小于彈性位移限值1/550,中震作用下結構屬于彈性階段。采用隔震技術后罕遇地震下隔震結構最大層間位移角為1/243,遠小于隔震性能目標彈塑性位移限值1/100。

5 結 語

由于本工程屬于重點設防乙類建筑。按傳統(tǒng)的抗震方案計算時,抗震設防烈度需提高一度計算,采用隔震設計后,結構的周期明顯延長,反應譜影響系數(shù)α顯著的降低,抗震設防烈度需降低一度。從非隔震結構與隔震結構層間剪力、樓層傾覆彎矩以及結構層位移角對比分析可得出以下結論:

1)本結構隔震后結構周期延長3倍左右,增加了結構的柔性,顯著地降低了共振現(xiàn)象的發(fā)生率;層間剪力為非隔震結構的30%左右,大幅度減少隔震層以上結構的水平地震作用。

2)隔震結構在設防地震作用下,水平向減震系數(shù)通過對比剪力平均比值與傾覆彎矩平均比值確定為0.329 2,根據(jù)規(guī)范要求,上部結構可按降低一度設計,但隔震后水平地震影響系數(shù)最大值為0.10,即7度0.08(0.12)之間。

3)中震地震作用下隔震結構最大層間位移角為1/666,滿足框架結構層間彈性位移角1/550限值的要求。罕遇地震作用下隔震結構最大層間位移角為1/243,遠小于隔震性能目標彈塑性位移限值1/100。

位于地震高烈度區(qū),對于重點設防乙類建筑,按傳統(tǒng)抗震設計方法時,結構主要構件(梁、柱、剪力墻等)的截面尺寸很大，配筋過多,工程造價較高,且建筑使用功能將受到明顯的限制;采用隔震設計后,結構在地震作用下變形變小,內(nèi)力降低,各項指標均滿足預定的性能目標。說明隔震設計可以提高結構安全性并且能獲得較好的技術經(jīng)濟效益。

[1] 韓淼,王秀梅.基礎隔震技術的研究現(xiàn)狀[J].北京建筑工程學院學報,2004,20(2):11-14．

[2] Skinner R I, Robinson W H, Mcvery G H.工程隔震概論[M].謝禮立,周雍年,趙興權,譯.北京:地震出版社,1996．

[3] 周穎,陳鵬,劉璐,等.9度區(qū)某高層酒店隔震設計及經(jīng)濟性分析[J].建筑結構,2016,46(22):59-63．

[4] 中國建筑科學研究院.GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2016．

[5] 廣州大學,中國建筑科學研究院.CECS 126∶2001疊層橡膠支座隔震技術規(guī)程[S].北京:中國工程建設標準化協(xié)會,2001．

Analysis and Performance Comparison on the Isolation Structures of Teaching Buildings of a School in the Seismic Region of 8-Level Intensity

AbudureyimujiangKuerban,ChenGuoxin,AbuduxikuerZayiti

2017-03-16

阿布都熱依木江·庫爾班(1986—),男，新疆烏魯木齊人，助教，從事建筑結構理論與計算方法研究。

TU352.1+2

B

1008-3707(2017)03-0021-05