孫 兆 陽(yáng)

(中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京 100089)

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近十幾年來(lái)中國(guó)的建筑行業(yè)在不斷升溫，人民對(duì)住所和公用建筑的需求量逐漸增大。在這個(gè)快速建設(shè)的過(guò)程中，建筑物本身的安全性是最重要的一環(huán)。近十年來(lái)，我國(guó)經(jīng)歷了數(shù)次6級(jí)以上大地震，不同的建筑物因?yàn)槠浔旧淼目拐鹉芰Σ町?，在真正地震?lái)臨時(shí)產(chǎn)生的破壞天差地別。這幾次地震中，隔震建筑物破壞程度均較小，絕大部分展現(xiàn)出了優(yōu)良的抗震能力，因此，國(guó)內(nèi)很多地區(qū)開(kāi)始推廣隔震建筑，在以下內(nèi)容中將以實(shí)例介紹某市隔震建筑的初步設(shè)計(jì)。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為中國(guó)西部地區(qū)某市人民醫(yī)院。醫(yī)院分為兩個(gè)結(jié)構(gòu)單體：門(mén)診樓，地上5層，首層層高5.1 m，其余各層層高4.5 m，單層地下室，層高5.1 m，雙方向柱距為8.1 m，綜合樓，地上16層，首層～4層層高同門(mén)診樓，含1層設(shè)備層，層高2.2 m，5層～頂層層高3.7 m，2層地下室，層高均為5.1 m，雙方向柱距為8.1 m，設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)實(shí)際需要布置剪力墻。兩個(gè)結(jié)構(gòu)單體結(jié)構(gòu)類(lèi)型為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

抗震設(shè)防烈度：8度0.20g，地震分組為第二組，場(chǎng)地土類(lèi)別：Ⅱ類(lèi)?？拐鹪O(shè)防類(lèi)別：乙類(lèi)；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1；場(chǎng)地為平坦地面，各層土質(zhì)均勻，無(wú)液化土、濕陷性土、膨脹土等不利因素；地下水水位低于地下室底板最低點(diǎn)，不考慮抗浮設(shè)計(jì);基本風(fēng)壓：0.30 kN/m2。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 隔震概念設(shè)計(jì)

隔震設(shè)計(jì)中，概念設(shè)計(jì)不可或缺。概念不合理，后續(xù)設(shè)計(jì)將會(huì)遇到很多困難，所以在隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。

本項(xiàng)目中兩個(gè)建筑單體分別為多層和高層建筑，均為高烈度區(qū)乙類(lèi)建筑，因此，擬對(duì)建筑物采用隔震設(shè)計(jì)。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)(后文中簡(jiǎn)稱(chēng)《抗規(guī)》)中12.1.3，進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)的建筑高寬比宜小于4。兩個(gè)結(jié)構(gòu)單體中，門(mén)診樓總高度為23.1 m，最小寬度72.9 m，高寬比為0.32，遠(yuǎn)小于4；綜合樓總高為69.7 m，最小寬度為24.3 m，高寬比為2.90，雖未接近高寬比限值但高寬比較大。經(jīng)方案比較，門(mén)診樓進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)，綜合樓進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

門(mén)診樓地下1層和首層層高均為5.1 m，選擇隔震位置時(shí)，設(shè)計(jì)人員考慮到，如采用基礎(chǔ)隔震，地下室及地上部分整體應(yīng)與土完全脫離，隔震溝采用5.1 m高懸臂式擋土墻并不經(jīng)濟(jì)；如采用上部隔震，建筑物首層層高較高，作為隔震層下部梁柱截面較大，不僅經(jīng)濟(jì)性不好而且影響建筑使用空間；如采用地下室頂板隔震，地下部分因?yàn)橛型馏w約束，梁柱截面適中，隔震溝高度適宜，優(yōu)勢(shì)較為明顯。綜合對(duì)比門(mén)診樓采用地下室頂板隔震。

門(mén)診樓采用隔震設(shè)計(jì)后，預(yù)估布置隔震支座后水平向減震系數(shù)可處于0.30～0.40之間，根據(jù)《抗規(guī)》12.2.7條文說(shuō)明中的表格，水平向減震系數(shù)與抗震設(shè)防烈度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，隔震層上部結(jié)構(gòu)可按設(shè)防烈度降低1度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，門(mén)診樓地上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)抗震設(shè)防烈度采用7度0.10g，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，23.1 m建筑物在該烈度下采用框架結(jié)構(gòu)比較經(jīng)濟(jì)合理。

門(mén)診樓非高層建筑，且當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓不大，風(fēng)荷載對(duì)建筑產(chǎn)生的水平力微乎其微，本結(jié)構(gòu)單體完全符合《抗規(guī)》12.1.3第三條中要求。

綜上所述，本項(xiàng)目?jī)H對(duì)門(mén)診樓進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)，隔震位置為地下室頂板，隔震層下部結(jié)構(gòu)(后文中簡(jiǎn)稱(chēng)下部結(jié)構(gòu))按照原抗震設(shè)防烈度設(shè)計(jì)，隔震層上部結(jié)構(gòu)(后文中簡(jiǎn)稱(chēng)上部結(jié)構(gòu))按照降低1度抗震設(shè)防烈度設(shè)計(jì)。

2.2 水平向減震系數(shù)確定

隔震設(shè)計(jì)中，水平向減震系數(shù)β尤為重要，它直接關(guān)系到上部結(jié)構(gòu)的隔震效果，從而影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)《抗規(guī)》12.2.5，公式:

αmax1=βαmax/Ψ。

水平向減震系數(shù)β可以控制上部結(jié)構(gòu)的水平地震影響系數(shù)，它是通過(guò)隔震支座的布置計(jì)算出來(lái)的。

結(jié)構(gòu)預(yù)期水平向減震系數(shù)處于0.30～0.40之間。

根據(jù)《抗規(guī)》12.2.4對(duì)于水平向減震系數(shù)采取100%剪切變形下的等效剛度和等效粘滯阻尼比。造成100%剪切變形對(duì)應(yīng)的水平力約符合中震下結(jié)構(gòu)水平力，在計(jì)算中，選用中震下時(shí)程分析來(lái)確定水平向減震系數(shù)(α=0.45)。首先建立非隔震下的計(jì)算模型，隔震層高度輸入2.2 m，隔震層的柱底設(shè)為鉸接，計(jì)算出結(jié)構(gòu)周期約為1.0 s；然后建立隔震下的計(jì)算模型，隔震層高度輸入2.2 m，隔震支座直徑先按照軸壓比限制12 MPa確定，如實(shí)輸入每個(gè)隔震墊的水平剛度，屈服力等，計(jì)算出結(jié)構(gòu)周期約為3.5 s。將選取的5條天然波和2條人工波代入兩個(gè)模型進(jìn)行中震下時(shí)程分析，取波的平均值對(duì)比兩個(gè)模型隔震層上部的各層剪力。將隔震模型中各層的剪力Vj1除以非隔震模型中對(duì)應(yīng)各層的剪力Vj，得到各層的減震系數(shù)，所有減震系數(shù)取最大值，就得到了水平向減震系數(shù)β。經(jīng)計(jì)算得，本結(jié)構(gòu)的β=0.28，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)取β=0.40作為安全儲(chǔ)備。

2.3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上部結(jié)構(gòu)為多層建筑。上部結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，按照嵌固部位為隔震支座頂端，常規(guī)抗震設(shè)計(jì)，抗震設(shè)防烈度為7度0.1g，相應(yīng)抗震措施按原8度時(shí)降低1度，抗震等級(jí)為二級(jí)；根據(jù)《抗規(guī)》12.2.7，與豎向地震有關(guān)的抗震措施不降低，軸壓比仍按抗震等級(jí)為一級(jí)時(shí)框架結(jié)構(gòu)軸壓比0.65取限值。根據(jù)《抗規(guī)》12.2.8隔震層頂板板厚最小值為160 mm，且梁板剛度和承載力宜大于一般樓層梁板剛度，設(shè)計(jì)時(shí)首層地面梁板截面進(jìn)行了人為放大。

設(shè)計(jì)時(shí)將隔震模型輸入水平地震影響系數(shù)0.16，水平向減震系數(shù)修正值β/Ψ=0.5，框架結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為二級(jí)，同時(shí)軸壓比上限減少0.10。

經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，上部結(jié)構(gòu)最大柱截面為700×700，底層柱截面600×700，梁主要截面為350×700，300×650，隔震層頂板梁截面為400×1 000，板厚210 mm混凝土強(qiáng)度等級(jí)：柱C50～C40，梁板C30。

2.4 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下部結(jié)構(gòu)為單層地下室。除必須滿(mǎn)足土壓力等靜力作用下承載能力外，下部結(jié)構(gòu)還需按照《抗規(guī)》12.2.9進(jìn)行設(shè)防地震(中震)下抗震承載力和罕遇地震(大震)下抗剪承載力驗(yàn)算。隔震層下部結(jié)構(gòu)全部處于地下，不驗(yàn)算罕遇地震下層間位移角。

地下室除局部有汽車(chē)入口外，均設(shè)置鋼筋混凝土外墻，嵌固剛度比滿(mǎn)足規(guī)范要求。設(shè)計(jì)時(shí)首先在隔震模型中將水平地震影響系數(shù)輸入為0.45，根據(jù)軟件驗(yàn)算中震下下部結(jié)構(gòu)的梁柱截面的承載力，構(gòu)件抗彎和抗剪均達(dá)到不屈服水平；將模型保存，在備份隔震模型中將水平地震影響系數(shù)輸入為0.90，驗(yàn)算大震下下部結(jié)構(gòu)的梁柱截面抗剪承載力，混凝土構(gòu)件抗剪截面滿(mǎn)足要求。

經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，地下室中柱截面均為800×800，梁截面為400×900，與地下室外墻相連的柱截面為700×700，地下室外墻厚度350 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C50。

2.5 隔震層設(shè)計(jì)

隔震層層高設(shè)計(jì)為2.2 m，分為隔震上下支墩和橡膠支座，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，隔震支墩一般為1 000 mm×1 000 mm,則可滿(mǎn)足常規(guī)設(shè)計(jì)要求，本階段不進(jìn)一步計(jì)算。

橡膠支座設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行四個(gè)步驟。首先，總屈服力不小于非地震作用下產(chǎn)生的總水平力；其次將橡膠支座數(shù)據(jù)輸入到小震模型下靜力計(jì)算，驗(yàn)算其最大壓應(yīng)力不大于12 MPa，得出橡膠支座大致尺寸；再次將橡膠支座數(shù)據(jù)輸入到大震(α=0.90)模型下時(shí)程分析，驗(yàn)算其最大壓應(yīng)力不大于24 MPa，最大拉應(yīng)力不大于1 MPa，水平位移不大于0.55倍最小支座直徑和3倍內(nèi)部橡膠總厚度二者的較小值(本次設(shè)計(jì)為330 mm)；最后將設(shè)計(jì)完畢的橡膠支座數(shù)據(jù)重新代入到中震模型中反算水平向減震系數(shù)，驗(yàn)算β值，保證其仍不大于0.40。經(jīng)計(jì)算，橡膠支座共88個(gè)，其中15個(gè)含有鉛芯，支座直徑為600，700，800。

2.6 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。隔震支座對(duì)于沉降差異較為敏感，在含有地下室的建筑中，優(yōu)先考慮整體性好的筏形基礎(chǔ)，門(mén)診樓采用了平板式筏形基礎(chǔ)加柱墩的基礎(chǔ)形式，板厚為500 mm，地基承載力較為富余，進(jìn)行了地基變形驗(yàn)算，沉降差控制在15 mm以?xún)?nèi)。

因未參與隔震，地基基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)仍按照原抗震設(shè)防烈度8度0.20g進(jìn)行，設(shè)計(jì)方法同一般抗震建筑，此處不再贅述。

3 結(jié)語(yǔ)

以上內(nèi)容為門(mén)診樓的隔震設(shè)計(jì)，在實(shí)際項(xiàng)目中，上述內(nèi)容已基本滿(mǎn)足初步設(shè)計(jì)的深度要求。建筑隔震作為日趨成熟的技術(shù)，將會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用于建筑中，望在今后的設(shè)計(jì)中，初次接觸隔震設(shè)計(jì)的讀者可根據(jù)本文得到一些啟發(fā)。