杜國(guó)安

(太原市住宅保障中心 山西太原 030002)

0 引言

層間隔震體系，是在基礎(chǔ)隔震理論上拓展的一種新型結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方法，可以有效解決結(jié)構(gòu)豎向剛度突變的問(wèn)題。對(duì)于底層架空建筑，如果將隔震層置于底層柱頂，結(jié)構(gòu)豎向剛度突變問(wèn)題可以得到解決，避免了底層柱子的破壞[1-3]。我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)指出，底層柱頂隔震是層間隔震應(yīng)用形式之一，已有底層柱頂隔震形式的建筑數(shù)量較少[3]。底層結(jié)構(gòu)通常分為帶拉梁和獨(dú)立柱兩種，因?yàn)榈讓咏ㄖδ芎蛯痈叩男枰ǔ２捎锚?dú)立柱形式?！犊挂?guī)》對(duì)隔震建筑下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)已作出具體的抗震設(shè)計(jì)規(guī)定，但是近年來(lái)地震頻發(fā)，結(jié)構(gòu)遭受偶遇地震時(shí)有發(fā)生，因此采用底層柱頂隔震形式的底層結(jié)構(gòu)(懸臂柱)的地震安全性仍十分被關(guān)注。

過(guò)去的十幾年來(lái)，對(duì)層間隔震技術(shù)開(kāi)展了理論研究，表明層間隔震形式擴(kuò)大了隔震技術(shù)的應(yīng)用范圍，是一種良好的減震體系[1-3]。數(shù)值分析結(jié)果充分證明了層間隔震技術(shù)在降低上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的有效性[4-9]。利用各種簡(jiǎn)化的模型結(jié)構(gòu)，對(duì)層間隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和地震響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值分析[4-9]，結(jié)論趨于一致：認(rèn)為層間隔震技術(shù)可以顯著降低上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，同時(shí)大幅度地減少下部結(jié)構(gòu)的峰值剪力；由于下部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)固接，下部結(jié)構(gòu)的峰值加速度和位移響應(yīng)的減震效果不明顯。文獻(xiàn)[2]分析表明了隔震結(jié)構(gòu)應(yīng)該需要預(yù)留足夠的安全儲(chǔ)備，抵御偶遇地震。劉彥輝等[4]對(duì)下部結(jié)構(gòu)(懸臂柱)進(jìn)行P-Δ效應(yīng)研究，結(jié)果表明：獨(dú)立懸臂柱應(yīng)考慮P-Δ效應(yīng)的影響。杜永峰等人[5]對(duì)隔震結(jié)構(gòu)震損倒塌進(jìn)行分析，認(rèn)為在偶遇地震下，獨(dú)立懸臂柱安全度高，隔震結(jié)構(gòu)有可能因?yàn)橹ё轿灰瞥^(guò)限值，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。金燦國(guó)[6]對(duì)底層為薄弱層的抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明了結(jié)構(gòu)損壞位置為底層剛度突變處，破壞模式為“強(qiáng)梁弱柱”。

框架結(jié)構(gòu)的學(xué)校校舍，采用底層柱頂隔震技術(shù)較少。本文對(duì)一棟小學(xué)教學(xué)樓底層柱頂隔震框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其減震性能分析。應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，綜合考慮了底層結(jié)構(gòu)選型、獨(dú)立柱截面尺寸和剛度、隔震層偏心率等方面對(duì)結(jié)構(gòu)減震性能的影響。研究結(jié)果供類似的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)與分析參考。

1 背景工程

圖1 二～五層平面圖(單位：mm)

圖2 結(jié)構(gòu)豎向剖面(單位：mm)

地下室為單層，側(cè)墻和頂板厚300mm，剛度較大，上部覆土800mm。地下室頂板作為底層柱的嵌固端。結(jié)構(gòu)為橫向的大小跨兩跨框架，柱網(wǎng)尺寸主要為8.4×9.6+2.7×9.6(m)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件等設(shè)計(jì)信息如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)信息

2 結(jié)構(gòu)隔震形式

2.1 結(jié)構(gòu)隔震形式的確定

該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，符合隔震技術(shù)的應(yīng)用要求[1]，主要有：①該建筑為乙類建筑、結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、建筑場(chǎng)地為Ⅱ類、風(fēng)荷載?。虎诔醪接?jì)算抗震結(jié)構(gòu)基本周期小于1s；③結(jié)構(gòu)最不利處高寬比為1.87(20.60m/11.10m)。同時(shí)，該工程還具有以下特點(diǎn)：底層為架空層且沒(méi)有填充墻，底層剛度小于上部樓層，是結(jié)構(gòu)的薄弱層。綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，決定采用底層柱頂隔震形式。

2.2 底層結(jié)構(gòu)形式

下部結(jié)構(gòu)常用結(jié)構(gòu)形式有兩種，即獨(dú)立柱和框架柱帶拉梁[3-5]。通常，當(dāng)柱長(zhǎng)細(xì)比較大時(shí)，加設(shè)拉梁形成框架柱帶拉梁的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，但是設(shè)置拉梁會(huì)降低結(jié)構(gòu)凈高，影響建筑使用功能；當(dāng)柱長(zhǎng)細(xì)比較小且上部荷載不大或樓層數(shù)不多時(shí)，采用獨(dú)立柱形式，有利于底層空間的利用。

該工程底層計(jì)算高度為3800mm，柱長(zhǎng)細(xì)比為5.07(3800mm/750mm)，比值接近5，上部為多層結(jié)構(gòu)，綜合考慮有關(guān)文獻(xiàn)的研究[3-5]和國(guó)內(nèi)類似工程的應(yīng)用情況，采用獨(dú)立柱形式。

3 隔震設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)模型

采用有限元分析軟件ETABS對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔震分析，與建筑設(shè)計(jì)院結(jié)構(gòu)專業(yè)配合，采用PKPM設(shè)計(jì)軟件的SATWE模塊對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和配筋。

在ETABS中分別建立隔震和對(duì)比的非隔震結(jié)構(gòu)模型。單元模擬有：采用空間桿系單元模擬混凝土框架梁、柱；膜單元模擬混凝土樓板。隔震結(jié)構(gòu)，采用軟件自帶的Isolator1連接單元模擬隔震支座，天然橡膠支座(LNR)采用線彈性模型，鉛芯支座(LRB)采用雙線性恢復(fù)力模型。隔震計(jì)算分析，采用分段設(shè)計(jì)，不考慮地下室結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)有限元單元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

3.2 隔震層設(shè)計(jì)

(1)隔震支座選取與布置

2.在物防上，針對(duì)不法分子交通和通訊工具日益現(xiàn)代化的實(shí)際，各油區(qū)巡邏隊(duì)也要配備巡邏車(chē)、各種先進(jìn)器具等。同時(shí)，對(duì)重點(diǎn)油井的井口加蓋鐵皮房；還要對(duì)部分油井的套管安裝密碼防盜閘門(mén)和“三鍵式”防盜套管閘門(mén)。對(duì)變壓器、節(jié)能箱、電機(jī)等易被盜的設(shè)施采取“全包式”加焊防盜欄、防盜鎖、固定螺絲焊死等措施；對(duì)電纜線、單井管線等實(shí)行深埋80cm；對(duì)集輸泵站、庫(kù)房及其它要害部位進(jìn)行重點(diǎn)巡邏，使被盜系數(shù)減少到零。

隔震支座的規(guī)格、數(shù)量和布置，根據(jù)豎向承載力、側(cè)向剛度和阻尼的要求，經(jīng)計(jì)算重力荷載代表值作用下得到隔震支座直徑，分別為500mm和600mm，采用一柱一個(gè)支座的布置方式。

建筑形狀呈L形，與長(zhǎng)條形建筑相比，隔震層的剛度中心在縱向(X向)上偏向于建筑轉(zhuǎn)角的位置。由于建筑物在縱向的長(zhǎng)度較大，所以隔震層剛心與上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)心偏差接近于3%。該結(jié)構(gòu)的橫向?yàn)閮煽缈蚣?，其中，走道為小跨，教室為大跨，這將導(dǎo)致剛度中心在橫向(Y向)的位置偏向走道一側(cè)。橫向的長(zhǎng)度較小，使得隔震層的剛度中心與上部結(jié)構(gòu)質(zhì)心在橫向上(Y向)的偏差不能滿足3%的要求[9]。在工程設(shè)計(jì)中，在滿足減震效果和降度設(shè)計(jì)的同時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整鉛芯橡膠支座的位置，使隔震層的剛心和上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)心之間的偏差減少。若調(diào)整后的偏差仍大于3%，則應(yīng)考慮邊角支座水平位移放大系數(shù)。鉛芯支座布置在結(jié)構(gòu)的四周，有利于增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整和試算，最終得到的偏心率，分別為3.2% (X向，1.80m/56m)和9.80%(Y向，1.902m/19.30m)。

隔震層共布置了LNR500支座13個(gè)，LNR600支座2個(gè)，LRB500支座20個(gè)，LRB600支座3個(gè)，隔震層總屈服剪力為2290kN，上部結(jié)構(gòu)的總重力荷載代表值為6.17×104kN，結(jié)構(gòu)剪重比為3.71%。隔震支座布置如圖4所示，隔震支座的規(guī)格和型號(hào)如表2所示，其力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 隔震支座型號(hào)和規(guī)格

圖4 隔震層支座平面布置圖 (單位：mm)

型號(hào)參數(shù)LNR500LNR600LRB500LRB600橡膠剪切模量G/N·mm-20.390.390.390.39豎向壓縮剛度Kv/kN·mm-11867244322082873屈服前水平剛度K0/kN·mm-1//9.9011.50屈服后水平剛度Kd/kN·mm-1//0.901.05水平等效剛度Kh/kN·mm-1γ=50%0.881.032.402.80γ=100%1.641.91γ=250%1.051.23等效阻尼比heqγ=50%0.340.34γ=100%0.050.050.280.28γ=250%0.180.18水平屈服力Qd/kN//6590水平位移限值ud/mm257317257317數(shù)量/n132203

(2)獨(dú)立柱截面尺寸和剛度

獨(dú)立柱計(jì)算高度取為地下室頂板面至隔震支座的底標(biāo)高3800mm，滿足強(qiáng)度條件的柱子截面為600mm×600mm-650mm×650mm，為便于安裝支座上、下連接鋼板，將柱子截面尺寸增大為750mm×750mm(支座直徑500mm)和800mm×800mm(支座直徑600mm)，柱子長(zhǎng)細(xì)比分別為5.07和4.75。

根據(jù)《抗規(guī)》規(guī)定，隔震下部結(jié)構(gòu)(底層柱子)按照隔震后罕遇地震內(nèi)力計(jì)算強(qiáng)度，因此隔震下部結(jié)構(gòu)柱子截面尺寸比非隔震結(jié)構(gòu)大。該工程底層柱子每側(cè)增加150mm，但其剛度則大大增加，不影響底層使用功能，且柱子是鋼筋混凝土構(gòu)件，造價(jià)不高[5，10]。

3.3 地震波

選擇適用于Ⅱ類場(chǎng)地土的3條地震波，分別是Taft 波、Chi-Chi波和EL Centro波，以及一條人工波；經(jīng)過(guò)下一步的計(jì)算，所選的每條波滿足《抗規(guī)》第5.1.2條3款的規(guī)定，表明其有效合理。其時(shí)程分析的代表值取包絡(luò)值，地震動(dòng)輸入為雙向輸入，比例為1∶0.85。

4 動(dòng)力時(shí)程分析

4.1 結(jié)構(gòu)特性

在8度(0.20g)多遇和罕遇地震下，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行時(shí)程分析，得到結(jié)構(gòu)基本周期(模態(tài))，并計(jì)算出等效阻尼比，如表4所示。

表4 結(jié)構(gòu)周期和阻尼比

注明：括號(hào)表示罕遇地震作用的數(shù)值。

由計(jì)算結(jié)果和表4得知：兩方向振動(dòng)的一階振型都為平動(dòng)，表明結(jié)構(gòu)規(guī)則。隔震結(jié)構(gòu)周期(多遇地震)相比于非隔震結(jié)構(gòu)周期延長(zhǎng)了2.21/0.87=2.54倍(Y向)。需要說(shuō)明的是，該工程位于風(fēng)壓較大的地區(qū)，LRB支座占大多數(shù)，所以隔震層水平剛度較大，減震系數(shù)略小，自振周期延長(zhǎng)2.54倍雖然小于3倍，但是已經(jīng)滿足要求，達(dá)到隔震設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.2 層間剪力

在8度(0.20g)多遇和罕遇地震下，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力時(shí)程分析，得到了層間剪力峰值，并計(jì)算出層間剪力比值，如表5所示。

表5 層間剪力及其比值

由表5可得，兩方向最大剪力比值出現(xiàn)在頂層(第2層Y向)為0.34，即減震系數(shù)為0.34，上部結(jié)構(gòu)滿足《抗規(guī)》降度設(shè)計(jì)的要求，水平地震影響系數(shù)為0.054(0.34×0.16)。因此，上部結(jié)構(gòu)地震作用僅按降1度即7度(0.10g)計(jì)算。由表5進(jìn)一步分析可得，每層剪力比值的變化都較均勻。

由樓層剪力對(duì)比可得，結(jié)構(gòu)減震效果顯著，抗震性能大為提高。該工程為乙類建筑，根據(jù)《抗規(guī)》規(guī)定，上部結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)和抗震構(gòu)造措施，均仍然取為二級(jí)[1]。

4.3 樓層位移

在8度(0.20g)罕遇地震下，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，得到樓層位移角峰值，如表6所示。圖5為人工波作用下結(jié)構(gòu)X向的5層、隔震層以及底層的位移時(shí)程曲線。

表6 8度罕遇層間位移角

圖5 人工波作用下樓層絕對(duì)位移

由表6知，隔震上部結(jié)構(gòu)二～五層呈現(xiàn)出整體平動(dòng)，層間位移角最大值為1/236(層2，Y向)，處于輕微破壞程度。非隔震結(jié)構(gòu)層間位移角最大值為1/121(層2，Y向)，已產(chǎn)生較大彈塑性變形。隔震結(jié)構(gòu)底層獨(dú)立柱層間位移角最大值為1/981(Y向)，說(shuō)明獨(dú)立柱剛度大；非隔震結(jié)構(gòu)底層層間位移角為1/317(Y向)，與其層2(1/121)相比，相差2.6倍，說(shuō)明豎向剛度發(fā)生突變。

4.4 隔震層偏心率

由3.2節(jié)設(shè)計(jì)分析和圖5中可知，隔震層水平位移峰值為146mm(Y向)，考慮到隔震層的剛心與上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)心偏差超過(guò)3%(Y向)，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]、[9-10]的研究結(jié)果，邊角支座的水平位移應(yīng)當(dāng)乘以放大系數(shù)。該工程取為1.25即146mm×1.25=182.50mm，為水平位移限值(ud)257mm的71%，隔震層仍然有足夠的位移余量。同時(shí)，放大系數(shù)1.25倍是為了使隔震層偏于安全，滿足抗震規(guī)范中大于1.15的要求[1]。

5 結(jié)論

(1)隔震結(jié)構(gòu)比非隔震結(jié)構(gòu)周期顯著延長(zhǎng)，達(dá)到隔震設(shè)計(jì)的目標(biāo)。在設(shè)防烈度8度(0.20g)地震作用下，兩方向振動(dòng)的一階振型都為平動(dòng)，周期延長(zhǎng)比值為2.54倍，使結(jié)構(gòu)周期避開(kāi)了場(chǎng)地的卓越周期。

(2)下部結(jié)構(gòu)采用獨(dú)立柱結(jié)構(gòu)形式是安全的。分析結(jié)果表明了獨(dú)立柱具有足夠的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性；將獨(dú)立柱簡(jiǎn)化為懸臂柱進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)增大柱子剛度，在大震作用下仍能夠處于完全彈性，表明采用獨(dú)立柱的結(jié)構(gòu)形式是安全的。

(3)加大獨(dú)立柱柱子截面尺寸是有效的。獨(dú)立柱柱子截面尺寸略增大，但其剛度大大增加，且不影響底層使用功能，且柱子是鋼筋混凝土構(gòu)件，造價(jià)不高。因此，在可能的設(shè)計(jì)條件下，建議加大獨(dú)立柱柱子截面尺寸。

(4)隔震層的剛心與上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)心偏差較大，應(yīng)考慮邊角支座的位移放大系數(shù)。該工程設(shè)計(jì)分析表明，在橫向上(Y向)偏差較大，達(dá)到了9.80%，通過(guò)調(diào)整隔震支座的布置，考慮邊角支座的位移放大系數(shù)為1.25。