作者簡介：何嘯（1989—），男，碩士，工程師，研究方向為多高層混凝土結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)抗震/隔震。

摘要：為驗證結(jié)構(gòu)在隔震設(shè)計下的抗震性能的目的，本文通過介紹某學(xué)校教學(xué)樓結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計過程，對隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)防地震分析計算及罕遇地震彈性塑性驗算，并對比分析結(jié)構(gòu)隔震前后動力特性、抗震性能的差別，研究結(jié)果表明：經(jīng)過以上分析論證此結(jié)構(gòu)設(shè)計方案能夠保證結(jié)構(gòu)隔震效果良好、抗震性能優(yōu)良，能夠?qū)崿F(xiàn)“中震不壞、大震可修、巨震不倒”的設(shè)計理念。

關(guān)鍵詞：隔震設(shè)計 抗震性能 時程計算 有限元分析

中圖分類號：TU973.31

Abstract： In order to verify the seismic performance of a structure under seismic isolation design， this paper introduces the seismic isolation design process of the teaching building structure in a school， carries out the seismic analysis and calculation of the seismic isolation structure and the elastoplastic calculation of rare earthquakes， and compares and analyzes the differences in the dynamic characteristics and the seismic performance of the structure before and after seismic isolation. The results of the study show that through the above analysis and demonstration， the design scheme of the structure can ensure that the structure has good seismic isolation effects and good seismic performance， and it can achieve the design concept of \"no damage under medium earthquakes， repairable damage under major earthquakes and no collapse under mega earthquakes\".

Key Words： Seismic isolation design; Seismic performance; Time-course calculation; Finite element analysis

我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正處于高速發(fā)展時期，一座座高樓如雨后春筍般拔地而起。2008年“5.12汶川大地震”刻骨銘心的傷痛警醒著我們，科學(xué)防震減災(zāi)至關(guān)重要，新建建筑的抗震性能已經(jīng)成為基建工程的重中之重。依照現(xiàn)行規(guī)范、技術(shù)規(guī)程進(jìn)行抗震設(shè)計基本能夠保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震發(fā)生時，不發(fā)生倒塌。但在設(shè)防烈度較高的地區(qū)或者重點設(shè)防類、特殊設(shè)防類建筑，遵循傳統(tǒng)抗震設(shè)計理念進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸較大，犧牲了使用空間、影響了建筑功能，且即使建筑能夠“大震不倒”，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷較大也難以修復(fù)。為更加有效地保障人民生命財產(chǎn)安全、提高基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益，國內(nèi)外專家學(xué)者提出了隔震設(shè)計理念。

李志豪等人[1]在基底隔震已展現(xiàn)優(yōu)越抗震性能的基礎(chǔ)上，建立了層間隔震建筑在模態(tài)坐標(biāo)下的非線性運(yùn)動方程，基礎(chǔ)等效線性化和模態(tài)疊加，給出了可預(yù)測層間隔震高層建筑地震響應(yīng)的復(fù)模態(tài)反應(yīng)譜分析方法。吳小賓等人[2]基于對瀘定地震中2棟隔震建筑的震害情況的調(diào)查，提出了隔震建筑設(shè)計應(yīng)全專業(yè)協(xié)調(diào)，與阻尼器連接支墩需進(jìn)行剪扭驗算。王朋[3]以多級設(shè)防為目標(biāo)，在普通橡膠支座的基礎(chǔ)上設(shè)計出改進(jìn)型隔震支座，數(shù)值模擬分析結(jié)果表明：改進(jìn)型隔震支座在不同工況下能表現(xiàn)出變剛度特性，通過合理設(shè)計可以有效地解決傳統(tǒng)橡膠支座存在的矛盾問題。潘毅等人[4]通過對瀘定6.8級地震醫(yī)療建筑震害調(diào)查與分析，發(fā)現(xiàn)采用隔震技術(shù)的醫(yī)療建筑結(jié)構(gòu)性能良好，且其內(nèi)部非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和醫(yī)療設(shè)備也基本無損傷。本文通過設(shè)防地震分析及罕遇地震彈性塑性驗算，對比兩個計算軟件（YJK、ETABS）的分析計算結(jié)果，確保本結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗震性能優(yōu)良、隔震效果顯著。

1工程概況

本工程抗震設(shè)防烈度為8（0.2g），第三組，Ⅱ類場地，場地特征周期0.45 s。采用框架結(jié)構(gòu)形式，樓層數(shù)為2層，建筑結(jié)構(gòu)高度12 m，寬25.2 m，長44.0 m，高寬比0.48。屬于重點設(shè)防類，乙類建筑。

2 隔震結(jié)構(gòu)整體設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件YJK計算模型3D圖如圖1所示。YJK采用“整體分析設(shè)計法”作為結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計的方法，通過設(shè)防地震下的復(fù)振型分解反應(yīng)譜法結(jié)合迭代分析確定底部剪力比?；诜磻?yīng)譜結(jié)果自動迭代確定隔震層的等效剛度和等效阻尼比，迭代計算中計算隔震層等效剛度和等效阻尼比的公式采用《建筑隔震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51408-2021）[5]中公式4.6.4-1、2。上述方法可考慮隔震支座的非線性屬性。

根據(jù)《建筑隔震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51408-2021）[5]第4.7.2條，隔震區(qū)域構(gòu)件（對于該結(jié)構(gòu)為上、下支墩）應(yīng)進(jìn)行罕遇地震下的承載力驗算，需滿足抗彎不屈、抗剪彈性的要求，同時考慮隔震支座大變形帶來的附加彎矩作用。YJK軟件可進(jìn)行上述驗算并根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行配筋。后續(xù)進(jìn)行罕遇地震彈塑性時程分析的時候?qū)Ω粽饏^(qū)域構(gòu)件的性能狀態(tài)進(jìn)行特別評估。

該結(jié)構(gòu)共使用了24個隔震支座，隔震結(jié)構(gòu)屈重比為0.025。

根據(jù)《建筑隔震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（ GB/T 51408-2021）[5]YJK主要計算結(jié)果如下。

（1）隔震層偏心率：X方向0.69%，Y方向1.59%，滿足《建筑隔震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（ GB/T 51408-2021）" [5]第4.6.2-4條中不宜大于3%的要求。

（2）在1.0恒載+0.5活載的荷載組合下，支座壓應(yīng)力最大值為11.53MPa，小于12 MPa，滿足規(guī)范要求。

（3）隔震層抗風(fēng)承載力驗算：，即1.4×656.9=919.66 kN＜6×63+12×90=1458 kN（各鉛芯支座的屈服力之和），滿足規(guī)范要求。

（4）隔震支座水平彈性恢復(fù)力驗算：F=12 400 kNgt; =1 750 kN，滿足規(guī)范要求。

3 設(shè)防地震分析

《建筑隔震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（ GB/T 51408-2021） [5]第4.2.2-1條規(guī)定：隔震結(jié)構(gòu)的自振周期應(yīng)根據(jù)不同地震作用烈度下的支座水平位移確定，可采用振型分解反應(yīng)譜法結(jié)合迭代計算確定。通過YJK結(jié)構(gòu)計算軟件，基于復(fù)振型分解反應(yīng)譜法自動迭代計算，得到隔震前、后結(jié)構(gòu)的自振周期，具體情況見表1。

由表1結(jié)果可知，隔震后結(jié)構(gòu)周期延長約3～4倍，效果明顯，且滿足《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》（CECS 126-2001）[6]中規(guī)定隔震房屋兩個方向的基本周期相差不宜超過較小值的30%的要求。由表2結(jié)果可知，隔震前后結(jié)構(gòu)底部剪力比最大值為0.39，滿足《建筑隔震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（ GB/T 51408-2021）[5]第6.1.3-2條規(guī)定，隔震層以上結(jié)構(gòu)可按設(shè)防烈度降低1度確定抗震措施。隔震后結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/445（X）、1/509（Y），滿足《建筑隔震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（ GB/T 51408-2021）[5]表4.5.1條規(guī)定。

4 罕遇地震整體模型彈塑性驗算

通過有限元軟件ETABS對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析。ETABS計算模型3D圖如圖2所示。對比ETABS模型計算結(jié)果與YJK模型計算結(jié)果，質(zhì)量差值0.2%，前三振型自振周期最大差值為2.8%。根據(jù)上述結(jié)果可知，模型二者一致。

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[7]（GB50011-2010）5.1.2條規(guī)定了時程分析法及彈性時程分析中天然波及人工波的選擇要求。根據(jù)上述規(guī)范規(guī)定，本工程選取了5組天然波及2組人工波。

結(jié)構(gòu)在各地震波作用下的基底剪力計算結(jié)果如表3所示。

從表3可知，所選的7組地震波與CQC法最大差異為86%，證明其滿足規(guī)范要求，對于本工程合適恰當(dāng)。

ETABS有限元分析軟件采用逐步積分法（Hilber-Hughes-Taylor）進(jìn)行運(yùn)動微分方程求解。彈塑性時程分析過程不考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性，只考慮材料非線性；采用小變形假定。彈塑性時程分析過程中，按7組地震波進(jìn)行計算分析，取所有地震波作用下的平均值為最終結(jié)果。

根據(jù)分析結(jié)果可知：隔震層最大水平位移165 mm＜0.55D且＜3Tr≥279 mm（D為最小隔震支座直徑、Tr為最小隔震支座的橡膠層總厚度）；隔震支座最大拉應(yīng)力為0.49 MPa，最大壓應(yīng)力為15.77 MPa，滿足規(guī)范要求；罕遇地震下層間位移角平均值分別為1/306（X）、1/364（Y），滿足規(guī)范要求；由上部結(jié)構(gòu)重力代表值計算的抗傾覆力矩與罕遇地震下傾覆力矩之比為13.34，滿足規(guī)范要求。

6結(jié)語

本文通過兩個有限元軟件，對某學(xué)校教學(xué)樓結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)防地震和罕遇地震下的地震反應(yīng)分析。經(jīng)分析可知，采用隔震設(shè)計后，結(jié)構(gòu)自振周期延長約3～4倍，隔震后的結(jié)構(gòu)自振周期遠(yuǎn)離了場地特征周期，可有效減小地震效應(yīng)；隔震支座的選取和布置安全合理，滿足相關(guān)規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定，上部結(jié)構(gòu)可按設(shè)防烈度降低1度確定抗震措施；根據(jù)多組地震波作用下地震效應(yīng)的計算結(jié)果，驗證了隔震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能。罕遇地震下，小部分梁柱結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性狀態(tài)，大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件仍處于彈性階段，結(jié)構(gòu)擁有足夠的安全度，隔震效果明顯。

參考文獻(xiàn)

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