段好才

（甘肅省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

甘肅省位于青藏塊體的東北緣，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，是地震多發(fā)的省份。省內(nèi)地震發(fā)生頻率較高、震級比較大、造成災(zāi)害嚴(yán)重，因此對建筑抗震設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為減少因地震導(dǎo)致房屋傾斜倒塌、房屋開裂不能繼續(xù)使用，造成人員傷亡特別是弱勢群體的傷亡及各類經(jīng)濟(jì)損失，甘肅省制定了一系列政策和規(guī)定。例如，對位于抗震設(shè)防烈度8度及比8度高的地震多發(fā)高烈度地區(qū)和地震災(zāi)后重新建造的4～12層學(xué)校教學(xué)樓、醫(yī)院醫(yī)療用房、學(xué)生宿舍樓、幼兒園等人員密集的公共建筑，要求必須采用隔震技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。隔震技術(shù)主要是通過在建筑物底部，即地下室頂部或基礎(chǔ)設(shè)立剛度遠(yuǎn)小于上部結(jié)構(gòu)的隔震層，形成“基礎(chǔ)隔震”。隔震結(jié)構(gòu)的變形主要發(fā)生在隔震層，通過隔震層發(fā)生較大的變形吸收地震能量，從而減少地震對上部結(jié)構(gòu)的破壞。隔震技術(shù)是通過了地震考驗(yàn)，目前在學(xué)校、醫(yī)院建筑抗震設(shè)計(jì)中大量采用成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。

國內(nèi)許多人已進(jìn)行了隔震設(shè)計(jì)研究，周小燕[1]對隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題進(jìn)行了研究；朱果和謝雪梅[2]對昌吉市第一小學(xué)教學(xué)樓進(jìn)行了隔震設(shè)計(jì)；張堅(jiān)等[3]對上海某中學(xué)進(jìn)行了三維隔震分析。對大跨度的研究也很多，李銀[4]進(jìn)行了大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究；張金海等[5]對某中學(xué)行政樓大跨度連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。而頂層抽柱形成的大跨度隔震結(jié)構(gòu)研究較少，甘肅省內(nèi)很多地方都位于抗震設(shè)防8度區(qū)，而在8度區(qū)建設(shè)教學(xué)樓就必須采用隔震技術(shù)。這就需要對頂部抽柱形成大空間的教學(xué)樓進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)。文章通過參閱文獻(xiàn)并依據(jù)國家、省及行業(yè)規(guī)范要求對甘肅省一棟位于8度抗震設(shè)防區(qū)的教學(xué)樓進(jìn)行了隔震設(shè)計(jì)及分析。

2 結(jié)構(gòu)概況及模型

2.1 結(jié)構(gòu)概況

工程結(jié)構(gòu)為一棟教學(xué)樓，地上共5層，正負(fù)零以下為隔震層。隔震層層高設(shè)置為2 m，地上1～4層層高為3.9 m，第5層層高為6.0 m為大空間，房屋高度21.90 m，長度29.20 m，寬度16.50 m，采用全現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為乙類重點(diǎn)設(shè)防類，場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震分組為第3組。

2.2 結(jié)構(gòu)模型

上部結(jié)構(gòu)建模采用常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件（YJK2.1.0），通過計(jì)算減震系數(shù)得到地震影響系數(shù)，并對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為增大教學(xué)樓的凈高，除了隔震層頂板采用梁板式樓蓋，板厚180 mm。其他樓板均采用空心大板樓蓋，樓板厚度為270 mm；頂部大空間屋面板采用650 mm厚的空心板與暗梁及暗柱帽的組合。

利用ETABS軟件建立有限元模型，采用時(shí)程分析法對隔震與非隔震結(jié)構(gòu)的樓層剪力進(jìn)行分析，得到減震系數(shù)。隔震支座采用ETABS軟件中常用的連接單元來模擬。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置及結(jié)構(gòu)模型，如圖1和圖2所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置

圖2 結(jié)構(gòu)模型圖

3 隔震設(shè)計(jì)

通過計(jì)算，結(jié)構(gòu)的高寬比小于4，建筑場地為Ⅱ類，風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)值作用時(shí)產(chǎn)生的水平力小于結(jié)構(gòu)所有樓層各部分總重力的10%，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，穩(wěn)定性較好，滿足相應(yīng)規(guī)范的規(guī)定，因此可采用隔震設(shè)計(jì)。

3.1 地震動(dòng)選取

根據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，按以下3條進(jìn)行了地震動(dòng)的選取。

（1）首先，按照建筑場地類別、設(shè)計(jì)地震分組選用實(shí)際發(fā)生的強(qiáng)震記錄和通過人工進(jìn)行模擬的加速度時(shí)程，其中實(shí)際發(fā)生的地震波的數(shù)量不應(yīng)少于總地震波數(shù)的2/3。選取了5條天然實(shí)際發(fā)生的地震波和2條通過人工模擬形成的地震波，滿足要求。

（2）其次，輸入的地震加速度時(shí)程曲線的有效持續(xù)時(shí)間也是有要求的，其計(jì)算方法是，一般從第1次達(dá)到該地震波時(shí)程曲線最大加速度峰值的10%那一刻（t1）算起，到末次（t1）達(dá)到最大加速度峰值的10%為止，不管是實(shí)際發(fā)生的地震動(dòng)記錄還是人工模擬合成的時(shí)程曲線，有效持續(xù)的時(shí)間一般應(yīng)為該結(jié)構(gòu)基本周期的5～10倍。研究選取的地震波有效持續(xù)時(shí)間最小為結(jié)構(gòu)基本周期的6.25倍，滿足要求。

（3）最后，多組地震動(dòng)時(shí)程的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符，按照規(guī)范條文說明，就是要求多組地震時(shí)程波的地震影響系數(shù)的平均值與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)值相比，在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)，一般是結(jié)構(gòu)的前3周期，周期點(diǎn)上下相差不大于20%。研究選取的7條地震波地震反應(yīng)譜及平均反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜的對比。在結(jié)構(gòu)主要周期點(diǎn)處，7條波的平均反應(yīng)譜值與規(guī)范反應(yīng)譜值的差值最大為19.5%，隔震后的第1周期（3.383 s）處差值最大，差值均小于20%，滿足規(guī)范要求。

3.2 動(dòng)力分析結(jié)果

隔震分析，首先要計(jì)算重力荷載代表值下各柱底的內(nèi)力，通過柱底內(nèi)力初步選擇了隔震支座，要求隔震支座的壓力不大于12 Mpa，依據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，利用ETABS有限元軟件，采用3.1節(jié)選取的7條地震動(dòng)參數(shù)，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件盈建科的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行設(shè)防地震和罕遇地震作用下分析計(jì)算。經(jīng)過多次計(jì)算，并反復(fù)優(yōu)化計(jì)算設(shè)計(jì)，最終確定隔震支座的布置，如圖3所示。

圖3 隔震支座平面布置圖

計(jì)算結(jié)果如下，圖4為隔震支座在重力荷載代表值下的豎向壓應(yīng)力，圖5為隔震支座在罕遇地震作用下最大拉應(yīng)力及壓應(yīng)力，負(fù)號表示為壓應(yīng)力。

圖4 隔震支座在重力荷載代表值下的豎向壓應(yīng)力

圖5 隔震支座在地震作用下的豎向拉壓應(yīng)力

由圖4可以看出，隔震支座在重力荷載代表值下的豎向壓應(yīng)力都不超過12 MPa，滿足規(guī)范對乙類建筑的要求。由圖5可知，隔震支座在罕遇地震組合下都沒有未發(fā)生受拉，也滿足規(guī)范的規(guī)定。

表1為設(shè)防地震作用下，隔震與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力比，層間剪力比是通過同時(shí)建立2個(gè)結(jié)構(gòu)模型，一個(gè)隔震模型，一個(gè)非隔震模型。2個(gè)模型在相同的參數(shù)下計(jì)算對比，通過提取每個(gè)模型各樓層的剪力，然后相對應(yīng)的樓層剪力計(jì)算比值，該值一定程度上反映了隔震結(jié)構(gòu)的減震效果。

表1 隔震與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力比

由表1可以得到結(jié)構(gòu)的X向減震系數(shù)最大值為0.358，依據(jù)相關(guān)規(guī)范，隔震層以上結(jié)構(gòu)計(jì)算的地震影響系數(shù)：

式中：αmax為非隔震的地震影響系數(shù)最大值；

β為減震系數(shù)；φ為調(diào)整系數(shù)，一般橡膠支座，取0.80。

由式（1）計(jì)算出結(jié)果為0.071 6，建議地震影響系數(shù)取為0.08，按降低一度對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

表2為罕遇地震作用下，隔震支座最大位移。也就是大震作用下，計(jì)算各支座的變形，下表支座最大位移是7條地震波計(jì)算結(jié)果的平均值。

表2 罕遇地震作用下隔震支座最大位移

由表2可以看出，罕遇地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)各支座的變形相差不大，隔震層以平動(dòng)為主要運(yùn)動(dòng)。角部支座變形比中間變形稍大一點(diǎn)，只是因?yàn)楦粽饘右灿泻苄〉霓D(zhuǎn)動(dòng)，平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)疊加使得角部支座變形最大。總體隔震層所有支座水平位移都滿足位移限制要求。

4 隔震層以上及以下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 隔震層以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過以上計(jì)算，隔震層以上結(jié)構(gòu)水平地震影響系數(shù)取0.08，可將隔震后上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用減小。對于頂部抽柱形成大空間隔震結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，難點(diǎn)主要是對上部結(jié)構(gòu)抗震措施及豎向地震的考慮，隔震支座只能減小上部結(jié)構(gòu)水平地震作用，不能減小上部結(jié)構(gòu)豎向地震作用。

按照《甘肅省建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》[6]的規(guī)定，結(jié)構(gòu)的X向減震系數(shù)小于0.4，設(shè)防烈度為8度，高度小于24 m的乙類建筑，隔震后上部結(jié)構(gòu)的抗震措施可降低1度處理，因此上部結(jié)構(gòu)的抗震等級由原來的一級降為二級。又因頂部抽柱（大空間）形成局部單跨框架，《甘肅省建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》規(guī)定對局部單跨框架其梁柱抗震等級提高一級。所以頂層框架等級應(yīng)為一級，其余為二級。但是，所有框架柱的軸壓比限值按一級框架考慮，軸壓比限值為0.65。

規(guī)范規(guī)定對于大跨結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮豎向地震作用，對于頂部抽柱形成的大空間也應(yīng)考慮豎向地震。因?yàn)殂U芯橡膠隔震支座不會(huì)減小豎向地震作用，所以對于頂層框架應(yīng)按8度考慮豎向地震作用。YJK軟件可以通過前處理中特殊梁定義對單個(gè)框架梁考慮豎向地震，應(yīng)用該功能對頂層框架梁進(jìn)行了豎向地震計(jì)算，地震作用標(biāo)準(zhǔn)值按重力荷載代表值的10%進(jìn)行計(jì)算。

4.2 隔震層以下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

規(guī)范規(guī)定隔震層以下的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)楦粽饘釉诨A(chǔ)以上，隔震層以下部分剛度也比較大，不會(huì)發(fā)生大變形，地震力不會(huì)減小，因此隔震層支墩及基礎(chǔ)應(yīng)按抗震設(shè)防烈度為8度考慮地震作用。

5 頂部抽柱形成大空間結(jié)構(gòu)的隔震效果分析

為進(jìn)一步了解頂部抽柱形成大空間結(jié)構(gòu)的隔震效果，通過建立對比模型進(jìn)行分析。另外建立了一個(gè)頂部未抽柱，頂層層高為3.9 m，其余與原結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)。采用相同軟件、相同地震波對其進(jìn)行了時(shí)程分析，并對2個(gè)結(jié)構(gòu)的減震系數(shù)進(jìn)行了對比分析。由圖6可以看出，模型一為頂部抽柱形成大空間結(jié)構(gòu)的減震系數(shù)，相比模型一的減震系數(shù)，模型二各層減震系數(shù)都有減小。減震系數(shù)越小，說明傳遞到上部結(jié)構(gòu)的地震力越小，說明模型二減震效果較好。分析原因是，模型一頂部抽柱形成大空間結(jié)構(gòu)，頂部抗側(cè)剛度減弱，上部結(jié)構(gòu)水平剛度與隔震層剛度比值變小，使隔震效果減弱。

圖6 減震系數(shù)對比圖

2個(gè)模型上部結(jié)構(gòu)水平剛度（地震剪力與地震層間位移的比）與隔震層水平剛度（隔震支座100%等效剛度）的比值見如圖7所示。

綜合圖6，通過圖7可以看出，上部結(jié)構(gòu)水平剛度與隔震層的水平剛度比值越大，隔震效果越好。上部結(jié)構(gòu)越剛隔震效果越好。

6 結(jié)論與建議

（1）對頂部抽去柱子形成大空間的學(xué)校建筑進(jìn)行隔震分析很有必要性。

（2）在對頂層抽去柱子形成較大空間結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)中，頂層大跨度框架應(yīng)考慮豎向地震。而在隔震結(jié)構(gòu)中，因?yàn)殂U芯橡膠支座豎向剛度較大，不會(huì)發(fā)生較大變形，所以不會(huì)減小豎向地震作用，頂部大跨度框架應(yīng)按本地區(qū)設(shè)防烈度考慮豎向地震。

（3）頂部抽掉部分柱子形成的大空間結(jié)構(gòu)隔震效果相比頂部沒有未抽去柱子的小空間結(jié)構(gòu)的效果要差。相比小空間結(jié)構(gòu)，大空間結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)水平剛度與隔震層的水平剛度比值減小，使減震效果減弱。