李元吉

（新疆維吾爾自治區(qū)建筑設計研究院 烏魯木齊830002）

引言

傳統(tǒng)的抗震方法是依靠結(jié)構(gòu)本身的塑性變形來消耗能量，而隔震技術的使用提供了抗震的新途徑。隔震是在上部結(jié)構(gòu)和基礎間增加隔振器形成隔震層，隔震層僅隔離水平方向的地震作用，其水平剛度遠小于上部結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，延長了上部結(jié)構(gòu)的自振周期，使上部結(jié)構(gòu)的加速度反應大幅減小。目前應用比較多的隔震體系有摩擦擺隔震、摩擦滑移隔震、滾珠滾軸隔震、夾層橡膠隔震支座等，根據(jù)隔震層的位置可以分為基礎隔震和層間隔震。

本文對一棟基礎隔震的六層結(jié)構(gòu)進行了設計分析，采用ETABS軟件，分別建立了隔震和非隔震計算模型，對比分析基礎隔震技術的有效性和實用性。

1 工程概況

本項目為新疆省某學校新校區(qū)，建筑總面積13650m2，其中包含教學樓、行政樓、實驗樓、教師宿舍、學生宿舍樓?？拐鹪O防烈度為8度，設計基本加速度值為0.3g，設計地震分組第三組，Ⅱ類場地無液化。依據(jù)《住房和城鄉(xiāng)建設部關于房屋建筑工程推廣應用減隔震技術若干意見（暫行）》（建質(zhì)［2014］25號）及新疆省《關于加快推進自治區(qū)減隔震技術應用的通知》（新建抗［2014］2號）文件，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層以上且單體建筑面積大于2000m2的幼兒園、中小學、醫(yī)院等人員密集公共建筑應當采用減隔震技術進行設計。根據(jù)本項目特點，各子項采用基礎隔震技術，以增強建筑的抗震性能，提高結(jié)構(gòu)的安全儲備。本文以地上6層框架結(jié)構(gòu)的教師宿舍為例，對其進行設計分析。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011-2010）第12.2.5條規(guī)定，當水平減震系數(shù)小于0.4時，上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用可以降低一度，即按7度（0.15g）。

2 建立計算模型

2.1 隔震支座抗風及自動恢復驗算

教師宿舍采用基礎隔震，在正負零標高處建立梁、板、柱體系的隔震層，并保證足夠水平剛度，柱下設置隔震支座。隔震支座由天然橡膠支座和鉛心橡膠支座組成，根據(jù)柱底重力荷載代表值確定支座大小，根據(jù)風荷載標準值確定鉛心橡膠支座的數(shù)量。

《新疆維吾爾自治區(qū)建筑隔震技術應用導則》規(guī)定：對隔震結(jié)構(gòu)，在設計風荷載作用下，隔震結(jié)構(gòu)應不產(chǎn)生水平位移，即要求隔震結(jié)構(gòu)所受風荷載的設計值應小于隔震結(jié)構(gòu)各支座的屈服力之和。抗風驗算公式如下：

式中：VRw為抗風裝置的水平承載力設計值。當抗風裝置是隔震支座的組成部分時，取隔震支座的水平屈服荷載設計值ΣQd；γw為風荷載分項系數(shù)，采用1.4；Vwk為風荷載作用下隔震層的水平剪力標準值。表1為隔震結(jié)構(gòu)抗風驗算結(jié)果。

表1 隔震層抗風驗算Tab.1 Wind resistance calculation of isolation layer

隔震支座的彈性恢復力應能滿足下式要求：

式中：K100為隔震支座在水平剪切應變100%時的水平等效剛度；Tr為隔震支座內(nèi)部橡膠總厚。根據(jù)計算模型，得到隔震支座的彈性恢復力分析結(jié)果，見表2。

表2 隔震層自動恢復驗算Tab.2 Auto recovery calculation of isolation layer

支座選用LNR600、LRB600、LNR700，具體布置如圖1所示。

圖1 隔震支座布置Fig.1 Isolation bearing arrangement

2.2 計算模型的建立

本工程采用YJK軟件建立非隔震模型進行反應譜計算，再導入ETABS軟件進行隔震及非隔震的時程分析，模型見圖2。為校核ETABS模型的準確性，將ETABS和YJK非隔震初始模型計算得到的質(zhì)量、周期、底部剪力進行對比，結(jié)果見表 3～表 5。表中誤差算法：誤差 ＝。

圖2 ETABS模型Fig.2 ETABSmodel

表3 非隔震結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比Tab.3 Comparison of structuralmass

表4 非隔震結(jié)構(gòu)周期對比Tab.4 Comparison of structural period

表5 非隔震結(jié)構(gòu)剪力和位移對比Tab.5 The comparison of structure s shear force and displacement

3 地震波選取

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011-2010）第5.1.2條關于時程分析的規(guī)定，應按建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬加速度時程曲線，強震記錄不小于總數(shù)的2／3。多組地震動的反應譜與規(guī)范譜在統(tǒng)計意義上應相符（主要周期點上相差不大于20%）。彈性時程分析時，時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力單條誤差按±35%控制，多條的平均誤差按±20%控制，結(jié)果見表6。本次選用2條實際強震記錄和1條人工模擬加速度時程曲線。時程反應譜曲線與規(guī)范反應譜曲線見圖3，從圖中可看出平均譜和規(guī)范反應譜較接近。

圖3 時程反應譜曲線與規(guī)范反應譜曲線Fig.3 Time history response spectrum curve and standard response spectrum curve

表6 時程分析與反應譜底部剪力對比Tab.6 The base shear force comparison of time history and response spectrum

4 隔震結(jié)構(gòu)分析

4.1 隔震結(jié)構(gòu)自振周期

采用ETABS對隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)模型進行時程分析，對周期比較可知，隔震后周期延長很多，約為非隔震周期的2.5倍，見表7。

表7 隔震前后結(jié)構(gòu)周期Tab.7 Structural period before and after the isolation

4.2 水平向減震系數(shù)

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011-2010）12.2.5條，水平向減震系數(shù)，對于多層建筑為按彈性計算所得的隔震與非隔震各層層間剪力的最大比值。具體見表8、表9。

由表8、表9可以知，采用底部安裝隔震支座后，各層的層間剪力大幅降低，最大水平向減震系數(shù)為：0.37＜0.4，因此上部結(jié)構(gòu)可以將水平地震作用降低一度，即按7度（0.15g）計算。

4.3 罕遇地震作用計算

隔震設計時，罕遇地震作用下還應計算分析的內(nèi)容有：隔震層位移、隔震支座壓應力驗算、隔震支座拉應力驗算、隔震支座軸力、剪力和位移計算以及按設防烈度下地基基礎計算，根據(jù)不同的計算內(nèi)容，需要進行不同的工況組合，限于篇幅，本文不再贅述，另文詳述。

表8 X向—非隔震及隔震樓層剪力及比值Tab.8 Xdirection-structure s interstory shear force and ratio before and after the isolation

表9 Y向—非隔震及隔震樓層剪力及比值Tab.9 Ydirection-structure s interstory shear force and ratio before and after the isolation

5 結(jié)論

采用基礎隔震技術對某工程進行了隔震設計分析，并用有限元軟件ETABS建立了該結(jié)構(gòu)隔震和非隔震情況的有限元模型，進行了時程分析，可以得到以下結(jié)論：

1.非隔震結(jié)構(gòu)的自振周期為1.168s，隔震結(jié)構(gòu)的自振周期為2.926s，延長了2.5倍，避開場地特征周期后可減小地震作用對上部結(jié)構(gòu)的影響；

2.隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力比值最大值為0.37＜0.4，上部結(jié)構(gòu)地震作用可以降低一度，減小了上部結(jié)構(gòu)的截面，提高了實用性。

3.高烈度區(qū)的學校等乙類建筑采用隔震技術后，可以有效地提高設計的可行性。

［1］GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范（2016年版）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010 GB 50011-2010 Code for Seismic Design of Buildings［S］.Beijing：China Architecture and Industry Press，2010

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.住房城鄉(xiāng)建設部關于房屋建筑工程推廣應用減隔震技術若干意見（暫行）（建質(zhì)［2014］25號）［A］

［3］JG 118-2010建筑隔震橡膠支座［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000 JG 118-2000 Rubber isolation bearings for buildings［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2000

［4］賈俊明，張耀，吳琨，等.咸陽博物院結(jié)構(gòu)隔震設計及分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2017，47（22）：94-99 Jia Junming，Zhang Yao，Wu Kun，et al.Seismically isolated design and analysis of structure of Xianyang Museum［J］.Building Structure，2017，47（22）：94-99

［5］黨育，杜永鋒，李慧.基礎隔震結(jié)構(gòu)設計及施工指南［M］.北京：中國水利水電出版社，知識產(chǎn)權出版社，2007 Dang Yu，Du Yongfeng，LiHui.Guide for design and construction of base isolated structure［M］.Beijing：China Water Conservancy and Hydropower Press，Intellectual Property Press，2007

［6］馬凱，趙楠.隔震支座布置方式對結(jié)構(gòu)減震性能的影響分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2013，43（8）：28-31 Ma Kai，Zhao Nan.Isolation properties analysis under different ways of isolation bearing arrangement［J］.BuildingStructure，2013，43（8）：28-31