鄒 會(huì)，鄒先智，鄒德紅，衛(wèi) 海(.江蘇鴻基節(jié)能新技術(shù)股份有限公司， 江蘇 南京 003；.宜昌江河工程建設(shè)有限責(zé)任公司， 湖北 宜昌 44300）

1 研究背景

近年來，災(zāi)難性的地震在全球范圍內(nèi)頻繁發(fā)生，給人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大損失[1]。汶川地震后，國家高度重視中小學(xué)校舍安全工作，國務(wù)院辦公廳《關(guān)于印發(fā)全國中小學(xué)校舍安全工程實(shí)施方案的通知》要求把學(xué)校校舍建成最牢固、最安全、最讓人民群眾放心的建筑。通過幾年的實(shí)踐，尤其在 2012 年蘆山地震以后，隔震技術(shù)對(duì)于對(duì)抗地震災(zāi)害優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)，住建部多次發(fā)文推廣要求采用減隔震技術(shù)。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)比較分析如下。

（1）傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)底部固定，受力大，結(jié)構(gòu)各層變形較大，結(jié)構(gòu)彎剪破壞。地震時(shí)激烈晃動(dòng)，房屋加速度放大100% 至 250%，梁柱裂，內(nèi)部裝飾、設(shè)備破壞。

（2）隔震結(jié)構(gòu)底部柔軟，不受力，結(jié)構(gòu)變形集中底部，結(jié)構(gòu)彈性平動(dòng)。地震時(shí)緩慢平動(dòng)(長周期)，房屋加速度減少 100% 至 40%， 結(jié)構(gòu)彈性(變形集中在柔軟支座)保護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部裝飾、設(shè)備，隔震/不隔震（加速度）=1/6，隔震后加速度響應(yīng)降低明顯。

隔震加固新技術(shù)與常規(guī)抗震加固方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）創(chuàng)面小。傳統(tǒng)加固方法涉及整個(gè)房子各樓層的梁、板、柱、墻等各構(gòu)件。但隔震加固方法僅涉及 1 F 以下， 而 2 F 以上教室基本可以原封不動(dòng)，創(chuàng)面非常小[2]。

（2）工期短。傳統(tǒng)加固方法施工周期較長，一般需要3～6 個(gè)月，甚至更長時(shí)間。但隔震加固方法除裝修恢復(fù)施工外，一般可在 60 d 以內(nèi)完成。

（3）造價(jià)低。隔震加固絕大多數(shù)工作只在首層實(shí)施，所以樓層越高的房屋隔震加固造價(jià)越低。

（4）抗震安全性高。傳統(tǒng)加固方法地震時(shí)房屋晃動(dòng)激烈，變形大，墻柱開裂，內(nèi)部裝飾脫落，結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞，室內(nèi)環(huán)境布置受損，水電管線損壞嚴(yán)重，地震后建筑無法繼續(xù)使用，人員安全受到嚴(yán)重威脅。但隔震加固方法加速度減少100%～40%，地震反應(yīng)減少 1/3～1/10，抗震安全性提高3～10 倍，地震時(shí)地震能量通過隔震支座消耗，上部結(jié)構(gòu)基本不損傷，可有效保護(hù)房屋結(jié)構(gòu)內(nèi)部人員及設(shè)施的安全[3-5]。

（5）教學(xué)秩序影響小。傳統(tǒng)加固方法教室內(nèi)裝飾及教學(xué)消防設(shè)施均須拆除。若是學(xué)校宿舍，大量的床、柜需要搬運(yùn)，學(xué)校在安排過渡教室的過程中還需投入較大的資金和精力，對(duì)師生的正常教學(xué)生活秩序影響也較大。但若采用隔震加固方法，2 F 以上教室無任何破壞，工程結(jié)束后，也無須后期恢復(fù)。從而能確保學(xué)校的正常教學(xué)秩序，并且可在施工期間，保證加固教學(xué)樓 2 F 以上正常教學(xué)[6-7]。

所以相比常規(guī)加固方法，隔震加固技術(shù)在工期、節(jié)能環(huán)保性和結(jié)構(gòu)安全性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2 工程概況

江蘇省某中學(xué)教學(xué)樓總建筑面積為 2 860㎡，始建于1996 年。主體為 4 層砌體結(jié)構(gòu)，層高 3.6 m，長為 46.5 m，寬度為 28.8 m。

該結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)砌體磚強(qiáng)度為 MU 7.5，砂漿強(qiáng)度為 M 5，混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為 C 20。根據(jù)某公司檢測(cè)報(bào)告，砌體磚的檢測(cè)強(qiáng)度等級(jí)為 MU 15，砂漿檢測(cè)強(qiáng)度等級(jí)最小值為 M 2.5，混凝土強(qiáng)度等級(jí)最小值為 C 21.6。最終確定本次抗震加固工程的材料強(qiáng)度為磚強(qiáng)度等級(jí)為 MU 7.5、砂漿 M 2.5、C 20。根據(jù)某公司鑒定報(bào)告，該建筑不能滿足后續(xù)使用年限為 40 a的要求，故應(yīng)對(duì)其進(jìn)行抗震加固改造。

3 隔震加固設(shè)計(jì)與分析

3.1 加固方案的選擇及鑒定報(bào)告結(jié)論的解決方法

（1）鑒定報(bào)告結(jié)論及存在的問題。① 按樓層平均抗震能力指數(shù)法，計(jì)算結(jié)果 ＜ 1。② 按樓層綜合抗震能力指數(shù)法，計(jì)算結(jié)果 ＜ 1。③ 按墻段綜合抗震能力指數(shù)法，計(jì)算結(jié)果 ＜ 1。④ 樓板為預(yù)制空心板，結(jié)構(gòu)整體性較差。

（2）加固方法的選擇。① 常規(guī)方法加固需對(duì)承載力不足的大量墻進(jìn)行外包混凝土等方法進(jìn)行加固，工作面大，影響使用空間，工期長，對(duì)建筑物的裝修破壞較大，后期恢復(fù)成本高。② 減震方法進(jìn)行加固，安裝阻尼器時(shí)會(huì)破壞建筑的墻體，恢復(fù)成本高，且減震效果有限。③ 隔震方法進(jìn)行加固，從地震力的降低和抗震措施降低兩方面保證建筑物的抗震性能，并且隔震大量的工作量集中在首層樓板及以下，創(chuàng)面小，工期短，最大限度地保留了上部結(jié)構(gòu)的完整性。該結(jié)構(gòu)的建筑類別由丙類提升為乙類，砌體相應(yīng)的抗震措施要求提高，綜合抗震能力指數(shù)不滿足要求。綜上所述，處于 7度（0.10g）烈度區(qū)的教學(xué)樓，隔震加固方法為優(yōu)。

（3）隔震加固解決的問題。隔震后，減震系數(shù) ＜0.4 時(shí)，抗震措施降低一度采用，地震力按照 GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第 12.2.5 條取值，經(jīng) PKPM重新復(fù)核計(jì)算得出結(jié)論。即絕大部分墻體、樓層的抗震能力指數(shù) ＞ 1，故只需對(duì)少量仍不滿足的墻體及短肢墻體進(jìn)行加固處理。

（4）鑒定報(bào)告結(jié)論的解決方法。① 按樓層平均抗震能力指數(shù)法、按樓層綜合抗震能力指數(shù)法、按墻段綜合抗震能力指數(shù)法計(jì)算結(jié)果 ＜ 1。采用隔震技術(shù)，減震系數(shù) ＜ 0.4時(shí)，抗震措施可降低一度采用，地震力按 GB 50011-2010第 12.2.5 采用。重新對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核，對(duì)少量仍然不能滿足抗震能力要求的墻體及短肢墻體采用雙面砂漿面層加固。② 樓板為預(yù)制空心板，整體性較差。對(duì)預(yù)制樓板采用粘貼碳纖維并在墻端增設(shè)角鋼加強(qiáng)房屋整體性。

3.2 三維有限元分析模型

為了準(zhǔn)確地進(jìn)行基礎(chǔ)隔震分析，用有限元軟件 ETABS對(duì)該教學(xué)樓在隔震支座以上的結(jié)構(gòu)主體建立了隔震結(jié)構(gòu)的三維有限元分析模型。該教學(xué)樓有限元模型的三維視圖和二層平面視圖如圖 1 所示。

圖 1 教學(xué)樓有限元分析模型三維視圖

3.3 輸入地震動(dòng)及其評(píng)價(jià)

（1）輸入地震動(dòng)。本報(bào)告選用 5 條天然地震動(dòng)記錄和2 條人工波（南京波和揚(yáng)中波），利用 ETABS 有限元軟件對(duì)教學(xué)樓隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體非線性時(shí)程分析，并與未隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，重點(diǎn)分析了未隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)在 7 度（0.10g）多遇地震作用下的最大底部剪力響應(yīng)等。所選用地震波的詳細(xì)參數(shù)如表 1 所示。部分教學(xué)樓 7 度（0.10g）多遇（35 Gal）設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度時(shí)程如圖 2 所示。

表 1 輸入地震動(dòng)參數(shù)

圖 2 輸入地震動(dòng)加速度時(shí)程

部分 7 度（0.10g）多遇（35 Gal）設(shè)計(jì)地震動(dòng)和 5%阻尼比規(guī)范設(shè)計(jì)譜對(duì)比如圖 3 所示。

圖 3 輸入地震波加速度反應(yīng)譜與規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜對(duì)比

（2）基于動(dòng)力響應(yīng)的地震動(dòng)評(píng)價(jià)。從結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的角度分析所選用的地震動(dòng)，根據(jù) GB 50011－2010 的規(guī)定，將各條加速度時(shí)程曲線的加速度最大值調(diào)整到 35 Gal。對(duì)未進(jìn)行基礎(chǔ)隔震的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了時(shí)程分析和反應(yīng)譜分析，得到結(jié)構(gòu)最大地震剪力，具體如表 2 所示。

表 2 教學(xué)樓非隔震結(jié)構(gòu)時(shí)程和反應(yīng)譜底部剪力對(duì)比 kN

由表 2 可以看出，從結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的角度來分析，所選用的地震動(dòng)滿足規(guī)范的要求。采用 7 條時(shí)程曲線作用下各自最大地震響應(yīng)值的平均值作為時(shí)程分析的最終計(jì)算值，結(jié)果可靠，可以用于教學(xué)樓隔震設(shè)計(jì)。

3.4 隔震結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)的自振特性分析，主要是確定結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的固有頻率和振型，也是結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。隔震結(jié)構(gòu)前 6 階振型周期如表 3 所示。由表 3 可以看出，隔震體系的周期較原結(jié)構(gòu)增大了很多，教學(xué)樓基本周期由原來的 0.273 s 延長至 1.697 s，已經(jīng)遠(yuǎn)離了結(jié)構(gòu)的基本周期。

3.5 水平向減震系數(shù)

隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)地震作用下的各層層間剪力對(duì)比如表 4 所示。

表 3 隔震結(jié)構(gòu)前 6 階振型的周期 s

表 4 教學(xué)樓隔震和非隔震結(jié)構(gòu)各層層間剪力對(duì)比 kN

由表 4 可知，教學(xué)樓采用隔震加固方案后，層間剪力與非隔震結(jié)構(gòu)相比降幅較大。從多條地震波的平均結(jié)果來看，教學(xué)樓X向?qū)娱g剪力比平均值為 0.275，Y向最大層間剪力比平均值為 0.283，隔震效果非常顯著。

3.6 中震下加速度時(shí)程對(duì)比

部分 7 度（0.10g）設(shè)防地震（100 Gal）作用下未隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu) 2 F 某邊柱加速度時(shí)程對(duì)比圖如圖 4 所示。

圖 4 教學(xué)樓未隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu) 2 F 某邊柱頂點(diǎn)加速度時(shí)程對(duì)比

從以上結(jié)構(gòu)參考點(diǎn)加速度結(jié)果來看，結(jié)構(gòu)布設(shè)隔震支座后，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力加速度顯著降低，隔震效果明顯。

3.7 水平向減震系數(shù)計(jì)算

隔震后水平地震作用計(jì)算的水平地震影響系數(shù)可按 GB 50011-2010 第 5.1.4、第 5.1.5 條確定。其中，水平地震影響系數(shù)最大值計(jì)算如式（1）所示。

式中：αmax1—隔震后的水平地震影響系數(shù)最大值（非隔震的水平地震影響系數(shù)最大值，按 GB 50011－2010 第 5.1.4 條采用）；

β—水平向減震系數(shù)（對(duì)于多層建筑，為按彈性計(jì)算所得的隔震與非隔震各層層間剪力的最大比值。對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)，尚應(yīng)計(jì)算隔震與非隔震各層傾覆力矩的最大比值，并與層間剪力的最大比值相比較，取二者的較大值）；

φ—調(diào)整系數(shù)（一般橡膠支座，取 0.80；支座剪切性能偏差為 S-A 類，取 0.85；隔震裝置帶有阻尼器時(shí)，相應(yīng)減少 0.05）。

教學(xué)樓結(jié)構(gòu)采用橡膠支座隔震，因此調(diào)整系數(shù)取 0.8，減震系數(shù)根據(jù) ETABS 計(jì)算得到（各層層間剪力的最大比值），如式（2）所示。

4 結(jié) 語

經(jīng)抗震鑒定，該教學(xué)樓不滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范要求。為提高建筑物的抗震性能、提升建筑的使用功能，對(duì)該建筑進(jìn)行了隔震加固設(shè)計(jì)。針對(duì)某中學(xué)教學(xué)樓進(jìn)行了隔震分析計(jì)算，得出以下主要結(jié)論。

（1）分析軟件可靠，計(jì)算模型合理。利用大型商業(yè)有限元軟件 ETABS 建立某中學(xué)教學(xué)樓未隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，并對(duì)其分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析。結(jié)果表明，所建立的模型能夠準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，可為以后的動(dòng)力響應(yīng)分析提供可靠的計(jì)算結(jié)果。

（2）時(shí)程分析選用地震波合適。所選用的天然地震動(dòng)符合 GB 50011－2010 要求的天然地震動(dòng)，所選用的人工地震動(dòng)根據(jù)規(guī)范制成。每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的彈性非隔震結(jié)構(gòu)的底部地震剪力均大于反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的 65%，7 條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部地震剪力的平均值大于反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的 80%。采用 7 條時(shí)程曲線作用下各自最大地震響應(yīng)值的平均值作為時(shí)程分析的最終計(jì)算值，結(jié)果可靠，可用于工程設(shè)計(jì)。

（3）隔震層設(shè)計(jì)合理，各隔震支座工作狀態(tài)良好。隔震支座配置合理，隔震層具有足夠的初始剛度保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載、較小地震或其他非地震水平荷載作用下的穩(wěn)定性，而且隔震層屈服后比屈服前提供了較低的水平剛度，保證結(jié)構(gòu)在較大地震下能很好地減小地震反應(yīng)。隔震層布置規(guī)則，重心和剛心偏差小。隔震支座多工況組合下的豎向壓力滿足相關(guān)規(guī)范要求，隔震支座具有足夠的穩(wěn)定性和安全性。

（4）隔震層以上結(jié)構(gòu)可按 7 度（0.10g）設(shè)防烈度設(shè)防。隔震建筑隔震層以上的結(jié)構(gòu)在7 度（0.10g）設(shè)計(jì)地震作用下各樓層地震剪力，均小于未隔震結(jié)構(gòu)在 7 度（0.10g）設(shè)計(jì)地震作用下樓層地震剪力的 0.40 倍。根據(jù) GB 50011－2010 的規(guī)定，隔震層以上結(jié)構(gòu)可降低 1 度進(jìn)行抗震設(shè)防。因中小學(xué)校舍設(shè)防類別提高到乙類設(shè)防，提高一度設(shè)防，經(jīng)隔震降低 1 度設(shè)防后，按 7 度（0.10g）設(shè)防要求進(jìn)行抗震設(shè)防。

（5）隔震后水平地震影響系數(shù)。教學(xué)樓結(jié)構(gòu)在 7 度（0.10g）設(shè)計(jì)地震作用下，多遇地震和罕遇地震的水平地震影響系數(shù)的最大值分別為 0.08 和 0.50。由 ETABS 得到減震系數(shù)最大值 0.283；根據(jù) GB 50011－2010 12.2.5 條，地震影響系數(shù)最大值取 0.028 3。綜合考慮，最終確定本結(jié)構(gòu)隔震后按照 6 度（0.05g）地震作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

（6）隔震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下工作正常。對(duì)隔震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明在罕遇地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)滿足抗震性能目標(biāo)，說明隔震層在罕遇地震作用下具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

（7）隔震方案效益顯著。與常規(guī)加固方案相比，采用隔震技術(shù)具有較佳的綜合經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)建筑的抗震性能和使用功能有很大的提高。

由此可見，隔震加固技術(shù)相比常規(guī)加固方法在工期、節(jié)能環(huán)保性和結(jié)構(gòu)安全性等綜合來看具有明顯的優(yōu)勢(shì)。