石建安

（天水建筑設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 天水 741000）

1 工程概況

甘肅省某小學(xué)教學(xué)樓總建筑面積為7 512.87 m2，其中地上6 111.47 m2，地下1 401.40 m2，為地上五層（不含屋頂）地下一層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。建筑平面為矩形，隔震層高2.6 m，一至四層高3.8 m，五層層高5.1 m。長(zhǎng)65.8 m，寬17.8 m，高23.97 m，長(zhǎng)寬比為3.7，高寬比為1.35。項(xiàng)目位于8度地區(qū)且為學(xué)校教學(xué)樓，采用橡膠隔震支座方案、基礎(chǔ)隔震技術(shù)進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)，如圖1。

圖1 建筑效果圖

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，建筑抗震設(shè)防類別為乙類（重點(diǎn)設(shè)防類），結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。地面粗糙度類別為C類，基本風(fēng)壓值為0.35 kN/m2?？拐鹪O(shè)防烈度為8度（0.20 g），設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期為0.45 s。框架抗震等級(jí)二級(jí)，局部單跨框架一級(jí)。

3 隔震設(shè)計(jì)方法

原來隔震設(shè)計(jì)依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）（2016版）（簡(jiǎn)稱“抗規(guī)”）采用分部設(shè)計(jì)方法，將整個(gè)結(jié)構(gòu)分為上部結(jié)構(gòu)、隔震層、下部結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過引入水平向減震系數(shù)，上部結(jié)構(gòu)采用振型分解反應(yīng)譜方法（CQC）計(jì)算，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程，實(shí)現(xiàn)了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)?！督ㄖ粽鹪O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GBT51408-2021）（以下簡(jiǎn)稱“隔標(biāo)”）對(duì)隔震結(jié)構(gòu)采用整體設(shè)計(jì)方法，將上部結(jié)構(gòu)、隔震層、下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模，采用復(fù)振型分解反應(yīng)譜方法（CCQC）計(jì)算，在設(shè)防地震作用下進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和構(gòu)件設(shè)計(jì)，進(jìn)一步引入性能化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了“中震不壞、大震可修、巨震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。不同于《抗規(guī)》，《隔標(biāo)》將設(shè)防地震下的性能目標(biāo)由“可修”提高為“不壞或無需修理立即使用”。

4 確定隔震性能目標(biāo)

4.1 結(jié)構(gòu)體系與抗震等級(jí)

房屋高度涉及結(jié)構(gòu)體系選擇、抗震等級(jí)確定這兩個(gè)重要問題。對(duì)于隔震建筑來講，通過對(duì)大震下工況的各種驗(yàn)算、較為嚴(yán)格的高寬比限制，能夠有力地保證結(jié)構(gòu)體系的抗傾覆能力、整體剛度與穩(wěn)定性、整體承載能力等宏觀指標(biāo)。雖然結(jié)構(gòu)隔震層設(shè)置位置有所不同，但隔震建筑能夠保證各結(jié)構(gòu)體系的適用高度與普通結(jié)構(gòu)基本一致，故《隔標(biāo)》6.1.2條規(guī)定隔震建筑宜符合《抗規(guī)》對(duì)建筑高度的規(guī)定，用于結(jié)構(gòu)體系的選擇。對(duì)于抗震等級(jí)來說，在《抗規(guī)》《高規(guī)》中均有關(guān)于“接近高度分界”的表述，說明對(duì)于抗震有利建筑，其抗震等級(jí)可以適當(dāng)調(diào)整，隔震建筑在結(jié)構(gòu)規(guī)則性、地震作用、可能的破壞模式上，均較常規(guī)抗震結(jié)構(gòu)更加有利，故在《隔標(biāo)》6.1.2條文說明中明確結(jié)構(gòu)高度取隔震支座到上部結(jié)構(gòu)屋面板頂?shù)母叨?，用于確定上部結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)。

4.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能目標(biāo)的確定

《隔標(biāo)》規(guī)定隔震結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)性能要求分為關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件、重要水平構(gòu)件和普通水平構(gòu)件，對(duì)不同類型構(gòu)件按照《隔標(biāo)》第4.4.6條采用中震進(jìn)行性能設(shè)計(jì)。對(duì)于基底隔震，由于隔震層樓板的參與，一般認(rèn)為隔震層梁板具有較強(qiáng)的類似“嵌固端”作用，為保證上部結(jié)構(gòu)的變形破壞模式與一般框架結(jié)構(gòu)保持一致，首層柱不按關(guān)鍵構(gòu)件考慮。所以《隔標(biāo)》條文所指的隔震層支墩、支柱及相連構(gòu)件應(yīng)包含上支墩、與上支墩相連的隔震層主梁、下支墩，但不包括底層框架柱。

4.3 抗震措施的確定

《抗規(guī)》通過計(jì)算水平向減震系數(shù)確定隔震層以上結(jié)構(gòu)的抗震措施。而《隔標(biāo)》通過計(jì)算底部剪力比代替水平向減震系數(shù)確定上部結(jié)構(gòu)的抗震措施。在設(shè)防地震作用下計(jì)算隔震模型與非隔震模型結(jié)構(gòu)剪力比，從而得出本工程的結(jié)構(gòu)剪力比最大值為0.36小于0.5，上部結(jié)構(gòu)可按本地區(qū)設(shè)防烈度降低1度確定抗震措施，如表1。

表1 設(shè)防地震作用下隔震與非隔震結(jié)構(gòu)剪力比計(jì)算

5 隔震層設(shè)計(jì)

5.1 布置隔震支座

布置隔震支座時(shí)，周邊設(shè)置帶鉛芯的隔震支座，內(nèi)部設(shè)置一般橡膠隔震支座，然后通過計(jì)算結(jié)果中的隔震層偏心率和屈重比進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化。本工程隔震層設(shè)置在地下室與首層（±0.00）之間，隔震支座布置在框架柱下，共布置隔震支座44個(gè)（其中鉛芯橡膠支座32個(gè)，天然橡膠支座12個(gè)），如圖2。隔震支座布置參數(shù)見表2~表3。

圖2 隔震支座布置圖

表2 鉛芯橡膠支座設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 天然橡膠支座設(shè)計(jì)參數(shù)

5.2 隔震層偏心率驗(yàn)算

隔震結(jié)構(gòu)偏心率是隔震層設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)，也是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的一個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)《隔標(biāo)》第4.6.2條規(guī)定：隔震層剛度中心與質(zhì)量中心宜重合，設(shè)防烈度地震作用下的偏心率不大于3%。經(jīng)計(jì)算本工程的偏心率為Rex=1.30%、Rey=2.64%均小于3%。

5.3 隔震支座壓應(yīng)力驗(yàn)算

隔震支座壓應(yīng)力計(jì)算屬于正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，用來保證各支座在長(zhǎng)期面壓下的蠕動(dòng)變形和性能穩(wěn)定。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》第3.2.10條規(guī)定，荷載組合為準(zhǔn)永久組合，采用重力荷載代表值不需要考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)。本教學(xué)樓為重點(diǎn)設(shè)防類建筑，參照《隔標(biāo)》隔震支座壓應(yīng)力限制為12 MPa。表4列出了本工程各型號(hào)隔震支座在重力荷載代表值下的豎向壓力值，隔震橡膠支座的長(zhǎng)期面壓最大值為11.03 MPa，滿足規(guī)范限值。

表4 各型號(hào)隔震支座在重力荷載代表值下的最大壓力值

5.4 隔震層抗風(fēng)驗(yàn)算

橡膠隔震支座抗拉屈服強(qiáng)度低，所以需要限值非地震作用的水平荷載。根據(jù)《抗規(guī)》第12.1.3條規(guī)定：風(fēng)荷載和其他非地震作用的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的總水平力不宜超過結(jié)構(gòu)總重力的10%。本工程風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值下產(chǎn)生的總水平力為690 kN，小于結(jié)構(gòu)總重力102 611.5×10%=102 61.15 kN。隔震層應(yīng)具有足夠的水平剛度和強(qiáng)度，保證隔震建筑在風(fēng)荷載作用下的舒適性和安全性。本工程采用鉛芯橡膠支座作為抗風(fēng)裝置，利用鉛芯屈服前的承載力作為水平抗風(fēng)承載力。根據(jù)《隔標(biāo)》第4.6.8條，由隔震層抗風(fēng)裝置和隔震支座屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值共同構(gòu)成的隔震層抗風(fēng)承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)不小于風(fēng)荷載作用下隔震層水平剪力標(biāo)準(zhǔn)值的1.4倍，即1.4×690 kN=966 kN＜12×90+18×90+2×103=2 906 kN，滿足隔震層抗風(fēng)承載力要求。

6 分析計(jì)算結(jié)果

6.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可不考慮周期折減的影響，不考慮扭轉(zhuǎn)周期比、扭轉(zhuǎn)位移比的限值要求，但需要滿足彈性層間位移角限值、最小地震剪力的要求。層間位移角是保證結(jié)構(gòu)剛度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、控制結(jié)構(gòu)性能的重要指標(biāo)，對(duì)比《抗規(guī)》，《隔標(biāo)》彈性層間位移角限制略有放松。滿足最小地震剪力是結(jié)構(gòu)后續(xù)隔震計(jì)算的前提，隔震結(jié)構(gòu)各樓層水平地震剪力系數(shù)應(yīng)滿足《隔標(biāo)》第4.4.7條的規(guī)定，值得注意的是《隔標(biāo)》是在設(shè)防地震作用下進(jìn)行計(jì)算的。本項(xiàng)目計(jì)算結(jié)果見表5，可以看到各樓層剪重比、彈性層間位移角均滿足要求。

表5 設(shè)防地震作用下各樓層剪重比、彈性層間位移角

6.2 隔震層設(shè)計(jì)

6.2.1 罕遇地震作用下的水平位移經(jīng)計(jì)算在罕遇地震作用下隔震支座的最大水平位移為164 mm，滿足規(guī)范要求。

6.2.2 隔震支座短期面壓驗(yàn)算

在罕遇地震的水平和豎向地震下，對(duì)拉應(yīng)力進(jìn)行限制是為了防止隔震結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾覆。計(jì)算隔震支座在罕遇地震下的拉壓應(yīng)力時(shí)，應(yīng)采用彈塑性時(shí)程分析方法。根據(jù)《隔標(biāo)》第6.2.1條規(guī)定：隔震橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時(shí)作用下拉應(yīng)力不應(yīng)大于1.0 MPa。本工程設(shè)計(jì)通過合理的支座選取、布置，在罕遇地震作用下本工程支座沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力。

6.2.3 隔震結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算

根據(jù)《隔標(biāo)》第4.6.9條規(guī)定：隔震結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)在罕遇地震下最不利抗傾覆力矩與傾覆力矩比值為5.57，滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)語(yǔ)

（1）甘肅省某小學(xué)教學(xué)樓采用橡膠隔震支座方案、基礎(chǔ)隔震技術(shù)進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)按本地區(qū)設(shè)防烈度降低1度采取抗震措施。經(jīng)計(jì)算各主要設(shè)計(jì)指標(biāo)和參數(shù)均滿足規(guī)范要求。

（2）采用《隔標(biāo)》可以通過一次設(shè)計(jì)滿足相關(guān)要求，而采用《抗規(guī)》不能直接保證結(jié)構(gòu)在中震水準(zhǔn)的性能。故在隔震建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先采用《隔標(biāo)》的相關(guān)設(shè)計(jì)方法，對(duì)于《隔標(biāo)》中未涉及的部分可參考其他規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求。

（3）著重對(duì)房屋高度、性能目標(biāo)選擇、抗震措施確定等概念做了重點(diǎn)分析。在結(jié)構(gòu)體系選擇、抗震等級(jí)確定中，應(yīng)區(qū)分建筑高度、結(jié)構(gòu)高度，尤其是在層間隔震建筑中更為重要。