朱果 謝雪梅

昌吉市第一小學教學綜合樓為平面L型布置，主體結構形式為鋼筋混凝土框架，設計采用了基礎隔震技術。結構計算分析結果表明：在L型平面未脫縫的情況下，減震系數(shù)位于0.3～0.4之間（設防地震作用下），上部結構（隔震層以上）的水平地震作用及抗震措施按設防烈度降低1度設計；通過結構隔震設計，顯著延長了該教學綜合樓的結構自振周期，有效降低了上部結構的地震作用效應和扭轉(zhuǎn)效應。

教學樓; 隔震設計; 隔震支座; 地震作用; 扭轉(zhuǎn)效應

TU352.1 A

［定稿日期］2022-01-24

［作者簡介］朱果（1987—），男，碩士，高級工程師，一級注冊結構工程師，從事結構工程設計工作；謝雪梅（1987—），女，碩士，工程師，一級注冊結構工程師，從事結構工程設計工作。

1 工程概況

昌吉市第一小學位于昌吉市（新疆維吾爾自治區(qū)），本工程為新建教學綜合樓項目，總建筑面積約為4 800 m2。

本工程抗震設防烈度為8度0.20g，地震分組為第三組［3］，建筑場地類別為Ⅱ類，特征周期0.45 s?；撅L壓按50年一遇W0=0.60 kN/m2設計，地面粗糙度為B類［4］。

根據(jù)抗震設防分類標準，綜合教學樓屬于重點設防類（乙類建筑）［3］，結構安全等級為一級，結構設計使用年限為50年。本工程地上4層（無地下室），建筑主體高度16.65 m，寬度20.5 m，高寬比0.81。隔震支座設置在與基礎相連的下支墩上，基礎形式采用柱下獨基，主體結構形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架［2］（圖1）。

2 隔震設計及分析

2.1 隔震支座參數(shù)及布置

依據(jù)項目情況以及結構布置和荷載分布，本工程隔震支座設置在基礎頂部，隔震支座采用鉛芯橡膠支座（LRB）和天然橡膠支座（LNR）2種類型［6］。結構外圍四周的地震位移相對較大，在這些位置設置水平剛度和耗能能力較大的鉛芯橡膠支座，可以有效的提高結構抗扭剛度，在主體內(nèi)部則設置承擔軸力為主的天然橡膠支座。本工程設置鉛芯橡膠支座29個，天然橡膠支座5個，合計34個隔震支座，其隔震支座的布置見圖2。

本工程所用的鉛芯橡膠支座及天然橡膠支座的具體設計參數(shù)如表1所示，與橡膠支座相連的隔震上下支墩以及與其相連的結構構件均按中震彈性，大震抗剪彈性、抗彎不屈服的抗震性能目標進行設計［5］。

天然橡膠支座和鉛芯橡膠支座的水平荷載與位移曲線模型如圖3所示。天然橡膠隔震支座的水平剪力和水平位移曲線計算時簡化為線彈性模型；鉛芯橡膠隔震支座根據(jù)其非線性特性，計算時簡化為雙線性模型［1］。

2.2 隔震層偏心率計算及隔震前后周期對比

因為隔震支座的抗扭轉(zhuǎn)能力較弱，在設計值中布置隔震支座時，應盡量使上部結構的質(zhì)心和隔震層的剛心重合（小于3%），以減小結構的扭轉(zhuǎn)效應。本工程隔震支座設置后的偏心率計算結果如表2所示，滿足規(guī)范要求。

隔震前后結構前兩振型的周期對比見表3，隔震前后的結構前三周期均為平動、平動、扭轉(zhuǎn)，設防地震作用下，前兩振型的結構平動周期基本相同。對比隔震前后，結構前兩振型的平動周期在隔震后延長了3倍左右，有效地避開了場地的卓越周期。

2.3 地震波選取

根據(jù)《抗規(guī)》（GB 50011-2010《建筑抗震設計規(guī)范》簡稱《抗規(guī)》）第5.1.2條的規(guī)定，當進行時程分析選取地震波時，人工波和天然波應依據(jù)設計地震分組和建筑場地類別條件選取相應的數(shù)量，天然波的數(shù)量不應小于總數(shù)的2/3，地震影響系數(shù)曲線人工波和天然波的平均值應與振型分解反應譜法所采用的在統(tǒng)計意義上相符。在進行彈性時程分析時，振型分解反應譜的結構底部剪力應小于所有單條地震波計算結果的65%，且應小于多條地震波計算結果平均值的80%。

本工程共選取了如表4所示的5條天然地震波和2條人工地震波，選取的7條地震波的基底剪力和規(guī)范反應譜基底剪力對比結果如表5所示，均滿足規(guī)范要求。

根據(jù)《抗規(guī)》關于輸入地震波有效持續(xù)時間的規(guī)定，從時程波最開始最大峰值的10%起最后最大峰值的10%止，本工程選取的2條人工波和5條天然波時程曲線的有效持續(xù)時間詳見表6，均達到結構基本周期5～10倍的要求，保證了結構頂點的移可以按結構基本周期往復5～10次。

根據(jù)《抗規(guī)》5.1.2規(guī)定，地震影響系數(shù)曲線，選取的地震波應與振型分解反應譜應在統(tǒng)計意義上相符。所謂“在統(tǒng)計意義上相符”是指地震影響系數(shù)曲線在對應于結構主要振型的周期點上（一般是前3周期），選取地震波的平均值與振型分解反應譜相比，應相差不大于20%。由圖4和圖5可知，在隔震前后，地震影響系數(shù)曲線，選取的地震波平均值與規(guī)范反應譜接近。

2.4 減震系數(shù)計算

經(jīng)過7條地震波的非線性時程分析，在設防地震作用下，隔震前后結構X、Y向?qū)娱g剪力比值的平均值最大值為0.324，詳見表7，根據(jù)《抗規(guī)》式（12.2.5）關于隔震后的水平地震影響系數(shù)最大值計算，αmax1＝β×αmax/ψ=0.324×0.16/0.85=0.061。

根據(jù)《抗規(guī)》條文說明第12.2.7表8的規(guī)定，本工程減震系數(shù)β＜0.4，因此隔震后上部結構設計的水平地震影響系數(shù)最大值按降一度即7度0.1g選取，取αmax=0.08。由于本工程為重點設防類建筑，因此上部結構隔震后的抗震措施應按7度0.1g提高一度查表確定，即按表8所對應的8度0.20g選?。?］，以滿足預期的隔震設計目標。

2.5 隔震支座驗算及隔震縫寬設置

2.5.1 支座應力

根據(jù)《抗規(guī)》表12.2.3，乙類建筑的橡膠隔震支座壓應力限值為12 MPa，在重力荷載代表值（1.0D+0.5L）作用下，本工程所有橡膠隔震支座的最大壓應力為11.6 MPa，滿足規(guī)范要求。

在罕遇地震作用下，在荷載組合1.10D+0.55L+1.00Fek下和1.20D+0.60L+0.50Fek下支座最大壓應力為13.99 MPa＜25 MPa，滿足相關規(guī)范要求。

在罕遇地震作用下，在荷載組合0.90D-0.05L-1.0Fek下和0.08D-0.10L-0.5Fek下支座均未產(chǎn)生拉應力，滿足相關規(guī)范要求。

2.5.2 支座位移

根據(jù)《抗規(guī)》第12.2.6條，隔震支座在罕遇地震作用下的位移不應超過該支座的直徑0.55倍及3Tr的較小值，其中Tr為隔震支座內(nèi)部的橡膠層總厚度。在荷載組合（1.0×恒荷載＋0.5×活荷載＋1.0×水平地震）工況下，，隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移為185.11 mm，滿足規(guī)范要求。

2.5.3 隔震縫寬

根據(jù)《抗規(guī)》12.2.7條，隔震結構的周邊應設置連通豎向隔離縫，隔離縫的設置需保證隔震層在罕遇地震下的自由變形。隔震縫寬宜大于等于隔震橡膠支座在罕遇地震下的最大水平變形的1.2倍且大于200 mm。滿足隔震支座安裝及檢修空間要求，本工程沿建筑四周設置的隔震縫寬為350 mm。

2.6 隔震層抗風承載力驗算

根據(jù)《抗規(guī)》12.1.3條，對隔震結構，風荷載的產(chǎn)生的總水平力不宜超過結構總重力的10%，本結構風荷載的產(chǎn)生的總水平力X向為857.9 kN，Y向為938.4 kN，總重力為79 804.8 kN。

為滿足微振動和風荷載的要求，隔震支座必須具備足夠的屈服承載力和屈服前剛度，根據(jù)CECS126：2001《疊層橡膠支座隔震技術規(guī)程》第4.3.4條要求［6］，隔震支座應按下式進行抗風驗算：

γwVwk≤VRw，即

X向：1.5×857.9=1286.85kN＜21×63+8×90=2043 kN（各鉛芯支座的屈服力之和）

Y向：1.5×938.4=1407.6kN＜21×63+8×90=2043 kN（各鉛芯支座的屈服力之和）

滿足要求。

式中：VRw為取隔震支座的屈服荷載設計值；γw為風荷載分項系數(shù)，取1.5；Vwk為風荷載作用下隔震層的水平剪力標準值。

2.7 隔震層水平抗恢復力特性

為滿足微振動和風荷載的要求，隔震支座必需具備足夠的屈服前剛度，鉛芯橡膠支座和天然橡膠支座共同組成了隔震層的水平恢復力特性。圖6給出了隔震層的水平恢復力特性，鉛芯橡膠支座水平剛度簡化為雙線性模型、天然橡膠支座的水平剛度簡化為線性模型。

隔震層屈服前的剛度為：

K1=21×13.11+8×15.19+5×0.98=401.73 kN/mm

隔震層屈服后的剛度為：

K2=21×1.01+8×1.17+5×0.98=35.47 kN/mm

經(jīng)驗算，滿足要求。

隔震支座的彈性恢復力驗算：

K100Tγ≥1.40VRw

式中：K100為隔震支座在水平剪切應變100%時的水平等效剛度；Tγ為隔震支座內(nèi)部橡膠總厚度。

即有：

支座彈性恢復力F=21×1.58×112+8×1.87×130+5×0.98×112=6209.76 kN

1.4VRW=1.4×2043=2 860.2 kN

F>1.4VRW

隔震支座彈性恢復力滿足要求。

3 隔震節(jié)點構造

隔震支座的上下連接示意如圖7所示，隔震支座上下支墩通過螺栓與隔震支座的上下聯(lián)結板連接，連接所用的錨固鋼筋或螺栓均按罕遇地震工況下的內(nèi)力進行強度驗算［7］。

隔震層結構周邊隔離溝示意如圖8所示，與隔震層上部結構相連的附屬構件均才有柔性連接或設置水平隔離縫，縫寬30 mm，水平隔離縫采用柔性粘結膠材料填充，以防止風雨砂塵飄入或防鼠蟲等爬入。沿隔震層周邊設置豎向隔離縫，即隔震溝，隔震溝連通設置，不得影響上部結構的水平自由變形，隔震溝縫寬不小于1.2 倍罕遇地震時隔震支座最大水平位移且不小于200 mm。

4 結論

根據(jù)國家及新疆維吾爾自治區(qū)的相關要求，鼓勵重點設防類建筑應采用減隔震技術。昌吉市第一小教學綜合樓工程設計基于提高結構抗震性能、保護非結構構件、實現(xiàn)建筑功能、結構經(jīng)濟性等諸多原因，采用了基礎隔震技術，設計結果表明，通過結構隔震可以有效耗散地震能量，減小水平地震作用，提高主體結構的抗震性能，在不脫縫的情況下改善結構的抗扭性能。

參考文獻

［1］ 日本建筑學會.隔震結構設計［M］.劉文光，譯.馮德民，校.北京：地震出版社，2006.

［2］ 混凝土結構設計規(guī)范：GB 50010-2010（2015年版）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010

［3］ 建筑抗震設計規(guī)范：GB5011-2010（2016年版）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010

［4］ 建筑結構荷載規(guī)范：GB 50009-2012［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012

［5］ 建筑隔震設計規(guī)范（征求意見稿）［EB/OL］.（2018-01-11）［2019-06-20］.http：//www.mohurd.gov.cn/zqyj/201801/t20180112_234778.html.

［6］ 疊層橡膠支座隔震技術規(guī)程：CECS 126：2001［S］.北京：中國工程建設標準化協(xié)會，2001.

［7］ 橡膠支座第3部分：建筑橡膠支座：GB 20688.3-2006［S］.北京：中國標準出版社，2006.

［8］ 混凝土建筑結構基礎隔震技術規(guī)程：DB62/T25-3121-2016［S］. 北京：中國建材工業(yè)出版社，2016.