齊杰 孫建琴 李文娟 張宇杰 田恩明

（1.深圳市華陽(yáng)國(guó)際工程設(shè)計(jì)股份有限公司 518048；2.蘭州交通大學(xué) 730070；3.甘肅自然能源研究所 蘭州730030；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局 呼和浩特010051；5.甘肅正元建筑設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 武威733000）

引言

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抗震思想是通過(guò)增大構(gòu)件截面、提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力和變形能力等主要措施來(lái)改善結(jié)構(gòu)本身的抗震性能。這種設(shè)計(jì)思想立足于“抗”[1]。這種以生命安全為單一設(shè)防基本目標(biāo)和基于承載能力和變形能力的傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)和建造的建筑已不能滿足人類(lèi)社會(huì)的要求[2]。為彌補(bǔ)和改善傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)不足之處，隔震結(jié)構(gòu)正逐漸增多。隔震技術(shù)起源于新西蘭，大規(guī)模應(yīng)用于日本。我國(guó)在2008年汶川地震以后開(kāi)始大力推廣隔震技術(shù)。本文對(duì)九度區(qū)多層RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)分析，討論多層隔震結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1 工程概況

本工程采用框架結(jié)構(gòu)體系，丙類(lèi)建筑?？拐鹪O(shè)防烈度9度，設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值為0.40g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，場(chǎng)地特征周期0.45s。地上6層，1層為儲(chǔ)藏室，2～5層均為住宅。建筑總長(zhǎng)25.6m，總寬11.1m，高度15.5m，建筑總面積270.94m2，高寬比為1.216。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平置（單位：mm）Fig.1 Plan of structural standard floor（unit：mm）

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型建立

采用YJK軟件建立非隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，將YJK模型導(dǎo)入到SAP2000和ETABS中。采用三種軟件建立隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，對(duì)上部結(jié)構(gòu)預(yù)減一度進(jìn)行基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)。SAP2000和ETABS模型中梁、柱采用Frame單元模擬，樓板采用Slab單元模擬，支座采用Rubber Isolator單元模擬。非隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 非隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of non-isolated structure

2.2 計(jì)算模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

將YJK、SAP2000和ETABS非隔震結(jié)構(gòu)模型計(jì)算得到的質(zhì)量、周期和層間剪力進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證所建模型的正確性。對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1～表3。

根據(jù)表1～表3對(duì)比結(jié)果，YJK、SAP2000和ETABS軟件計(jì)算模型的質(zhì)量、自振周期、層間剪力差異較小。因此SAP2000和ETABS模型作為本工程隔震計(jì)算分析的模型是準(zhǔn)確的，可以真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的基本特性。

表1 非隔震結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)比（單位：t）Tab.1 Quality comparison of non-isolated structures （unit：t）

表2 非隔震結(jié)構(gòu)周期對(duì)比（單位：s）Tab.2 Periodic comparison of non-isolated structure（unit：s）

表3 非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力對(duì)比（單位：kN）Tab.3 Interlayer shear comparison of non-isolated structures（unit：kN）

3 地震記錄選取及驗(yàn)證

3.1 地震記錄選取

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）（以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）[3]第5.1.2 條，選取2條實(shí)際強(qiáng)震記錄和1條人工模擬波形。地震記錄時(shí)程曲線如圖3所示，地震記錄持續(xù)時(shí)間見(jiàn)表4。

圖3 3條地震記錄時(shí)程曲線Fig.3 Time history curve of seven seismic record

表4 地震記錄反應(yīng)譜持續(xù)時(shí)間（單位：s）Tab.4 Earthquake record duration schedule（unit：s）

《抗規(guī)》[3]第5.1.2 條條文說(shuō)明要求：輸入地震加速度時(shí)程曲線的有效持續(xù)時(shí)間，一般從首次達(dá)到該時(shí)程曲線最大峰值的10%那一刻算起，到最后一次達(dá)到最大峰值的10%為止；無(wú)論是實(shí)際的強(qiáng)震記錄還是人工模擬波形，有效持續(xù)時(shí)間一般為結(jié)構(gòu)基本周期的5～10倍。由表4可知，有效持續(xù)時(shí)間為結(jié)構(gòu)基本周期的5倍以上，滿足《抗規(guī)》[3]第5.1.2 條要求。

3.2 地震記錄驗(yàn)證

選擇的地震記錄應(yīng)該同時(shí)適合非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)。地震記錄計(jì)算的結(jié)構(gòu)基底剪力應(yīng)滿足規(guī)范要求，地震記錄反應(yīng)譜曲線在非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)基本周期點(diǎn)與規(guī)范反應(yīng)譜曲線點(diǎn)相差要小。

1.基底剪力

根據(jù)《抗規(guī)》[3]第5.1.2 條，每條地震記錄計(jì)算的基底剪力均要大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，三條地震記錄計(jì)算的基底剪力平均值要大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%?；准袅?duì)比結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 非隔震結(jié)構(gòu)基底剪力（單位：kN）Tab.5 The base shear of non-seismic structure（unit：kN）

由表5可知，基底剪力計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求，三種軟件計(jì)算結(jié)果基本一致。

2.主要周期點(diǎn)

《抗規(guī)》[3]第5.1.2 條條文說(shuō)明要求：地震記錄時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。三條地震記錄反應(yīng)譜和規(guī)范反應(yīng)譜曲線如圖4所示。

圖4 3條地震記錄反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線Fig.4 Three seismic record response spectrum and canonical response spectrum curve

由圖4可知，地震記錄平均反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜接近，結(jié)構(gòu)主要周期點(diǎn)上相差小于20%。

4 隔震支座選型與布置

隔震層設(shè)置在基礎(chǔ)，支座布置在柱下（一柱一支座），共設(shè)置35個(gè)隔震支座（13個(gè)疊層橡膠支座GZP和22個(gè)鉛芯橡膠支座GZY），鉛芯橡膠支座布置在結(jié)構(gòu)平面四周，天然橡膠支座布置在內(nèi)部。SAP2000和ETABS軟件中隔震支座采用Rubber Isolator+Gap單元模擬，疊層橡膠支座和鉛芯橡膠支座分別采用線性隔震單元、非線性隔震單元模擬，支座平面布置見(jiàn)圖5，兩種支座本構(gòu)關(guān)系見(jiàn)圖6，支座力學(xué)性能及數(shù)量見(jiàn)表6。

圖5 隔震支座平面布置Fig.5 Plan layout of isolation bearing

圖6 隔震支座本構(gòu)關(guān)系Fig.6 Isolation bearing constitutive relation

表6 支座力學(xué)性能參數(shù)Tab.6 Bearing mechanical properties parameters

5 隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析

運(yùn)用YJK、SAP2000和ETABS軟件采用FNA法（快速非線性分析方法）對(duì)隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用下的動(dòng)力分析，并進(jìn)行比較。

5.1 隔震結(jié)構(gòu)自振特性

三種軟件隔震結(jié)構(gòu)周期對(duì)比見(jiàn)表7。

表7 隔震結(jié)構(gòu)周期對(duì)比Tab.7 Periodic comparison of isolated structures

由表7可知，布置隔震支座后，結(jié)構(gòu)前三階周期延長(zhǎng)了3倍以上，避開(kāi)場(chǎng)地卓越周期，避免共振發(fā)生。隔震前后周期計(jì)算結(jié)果差值均小于5%。隔震結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向自振周期相差0.18%，未超過(guò)30%，滿足《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》（CECS126：2001）（以下簡(jiǎn)稱《疊規(guī)》）[4]第4.1.3 條要求。隔震前結(jié)構(gòu)第一振型為Y向晃動(dòng)，第二振型為X向晃動(dòng)，第三振型為扭轉(zhuǎn)；隔震后第一階為Y向平動(dòng)，第二振型以X向平動(dòng)為主，第三振型為扭轉(zhuǎn)。

5.2 水平向減震系數(shù)

根據(jù)《抗規(guī)》[3]第12.2.5 條，對(duì)于多層建筑水平向減震系數(shù)為設(shè)防地震時(shí)按彈性計(jì)算所得隔震與非隔震各層層間剪力比的最大值。三種軟件計(jì)算結(jié)果基本一致，隔震前后結(jié)構(gòu)層間剪力見(jiàn)圖7。

圖7 隔震前后層間剪力比較Fig.7 Comparison of interlaminar shear forces before and after isolation

表8 隔震前后水平向減震系數(shù)Tab.8 The horizontal damping coefficient before and after isolation

由表8可知：水平減震系數(shù)最大為0.3316（0.27 ＜0.3316 ＜0.4），隔震后層間剪力大幅降低，層間剪力最小減少66%。根據(jù)《抗規(guī)》[3]第12.2.5條，水平地震影響系數(shù)最大值αmax1＝βαmax／ψ＝0.3316 ×0.32／0.8 ＝0.133。綜合考慮，隔震以后水平地震影響系數(shù)最大值取0.16。隔震后上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)可降低一度，滿足預(yù)定隔震目標(biāo)，可進(jìn)行罕遇地震隔震層驗(yàn)算。

5.3 隔震層驗(yàn)算

采用FNA法對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下（PGA＝400gal）時(shí)程分析，驗(yàn)算隔震層抗風(fēng)、隔震支座面壓和位移是否滿足規(guī)范要求。

1.隔震層抗風(fēng)驗(yàn)算

根據(jù)《抗規(guī)》[3]第12.1.3 條，風(fēng)荷載下隔震層水平剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)小于隔震層總屈服力，同時(shí)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值小于結(jié)構(gòu)總重力的10%。風(fēng)荷載驗(yàn)算見(jiàn)表9。

表9 隔震層風(fēng)荷載驗(yàn)算（單位：kN）Tab.9 Checking of wind load on isolation layer（unit：kN）

由表9可知，隔震層屈服力＝6×47.8+16×31.5＝790.8kN，大于X向和Y向風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值，隔震層抗風(fēng)滿足規(guī)范要求。

2.隔震支座位移

支座水平位移根據(jù)《抗規(guī)》[3]第12.2.6 條驗(yàn)算，計(jì)算時(shí)采用荷載組合為S＝1.0SD+0.5SL+1.0SEhk。支座位移分布見(jiàn)圖8。

圖8 支座水平位移分布Fig.8 Horizontal displacement distribution of isolated bearing

由圖8可知，三條地震記錄支座位移最大值為173.76mm，均小于規(guī)范允許限值，滿足規(guī)范要求。

3.隔震支座壓應(yīng)力

平均壓應(yīng)力采用荷載組合S＝1.0SD+0.5SL，最大壓應(yīng)力采用荷載組合S＝1.0SD+0.5SL+1.0SEhk+0.5SEvk＝ 1.0SD+0.5SL+1.0SEhk+0.5 × 0.2（SD+0.5SL）。支座平均壓應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分布情況分別見(jiàn)圖9和圖10。三種軟件計(jì)算結(jié)果基本一致，結(jié)果取3條地震記錄最大值。

圖9 支座平均壓應(yīng)力分布Fig.9 Average compressive stress distribution of isolated bearing

圖10 支座最大壓應(yīng)力分布Fig.10 Maximum compressive stress distribution of isolated bearing

由圖9和圖10可知，支座平均壓應(yīng)力最大值為5.23MPa，支座壓應(yīng)力最大值為12.09MPa。所有支座平均壓應(yīng)力均小于15MPa，最大壓應(yīng)力不超過(guò)30MPa，滿足《抗規(guī)》[3]第12.2.3 條要求。

4.隔震支座拉應(yīng)力

支座拉應(yīng)力計(jì)算選用荷載組合S＝1.0SD+0.5SL+1.0SEhk-0.5SEvk＝ 1.0SD+0.5SL+1.0SEhk-0.5 × 0.2（SD+0.5SL）。支座拉應(yīng)力分布見(jiàn)圖11。《抗規(guī)》[3]第12.2.4 條規(guī)定：隔震支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時(shí)作用下，其拉應(yīng)力不應(yīng)大于1.0MPa。

由圖11可知，支座最大拉應(yīng)力為0.63MPa，未超過(guò)1MPa，滿足《抗規(guī)》[3]要求。

5.4 上部結(jié)構(gòu)變形

結(jié)構(gòu)彈性和彈塑性層間位移角根據(jù)《抗規(guī)》[3]第5.5 條和《疊規(guī)》[4]第4.4.3 條的規(guī)定執(zhí)行，即多遇地震彈性層間位移角限值為1／550，罕遇地震彈塑性層間位移角限值為1／100。層間位移角計(jì)算結(jié)果取三條地震記錄最大值。多遇和罕遇地震作用三條地震記錄作用下隔震結(jié)構(gòu)層間位移角見(jiàn)表10。

圖11 支座最大拉應(yīng)力分布Fig.11 Maximum tensile stress distribution of isolated bearing

表10 隔震結(jié)構(gòu)層間位移角Tab.10 Story drifts of isolated structure

由表10可知，多遇和罕遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)層間位移角最大分別為1／1518和1／318，層間位移角滿足規(guī)范要求，變形主要集中在隔震層。

6 結(jié)論

本文使用三種有限元軟件（YJK、SAP2000、ETABS）對(duì)某高烈度區(qū)多層RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)和分析，得出以下結(jié)論：

1.采用基礎(chǔ)隔震后，結(jié)構(gòu)周期延長(zhǎng)了3倍多，前兩階振型呈平動(dòng)型。設(shè)防地震作用下水平向減震系數(shù)為0.3316，上部結(jié)構(gòu)可減一度（即八度）設(shè)計(jì)。

2.隔震后結(jié)構(gòu)所受地震作用大為減小，設(shè)防地震作用下層間剪力至少減少66%，隔震后結(jié)構(gòu)水平位移主要集中在隔震層。隔震層所受風(fēng)荷載最大為115.52kN，支座最大壓應(yīng)力為12.09MPa，支座最大拉應(yīng)力為0.63MPa，支座位移最大為173.76mm，多遇和罕遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)的層間位移角最大分別為1／1518和1／318，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

3.高烈度區(qū)多層RC框架隔震結(jié)構(gòu)具有良好的隔震效果，結(jié)構(gòu)抗震性能能夠得到提高。