昌吉市第一小學(xué)教學(xué)綜合樓隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱果 謝雪梅

昌吉市第一小學(xué)教學(xué)綜合樓為平面L型布置，主體結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架，設(shè)計(jì)采用了基礎(chǔ)隔震技術(shù)。結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)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(shè)防地震作用下），上部結(jié)構(gòu)（隔震層以上）的水平地震作用及抗震措施按設(shè)防烈度降低1度設(shè)計(jì)；通過結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)，顯著延長了該教學(xué)綜合樓的結(jié)構(gòu)自振周期，有效降低了上部結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

教學(xué)樓; 隔震設(shè)計(jì); 隔震支座; 地震作用; 扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

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(jié)構(gòu)工程師，從事結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)工作；謝雪梅（1987—），女，碩士，工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，從事結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)工作。

1 工程概況

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

本工程抗震設(shè)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(fēng)壓按50年一遇W0=0.60 kN/m2設(shè)計(jì)，地面粗糙度為B類［4］。

根據(jù)抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)，綜合教學(xué)樓屬于重點(diǎn)設(shè)防類（乙類建筑）［3］，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)置在與基礎(chǔ)相連的下支墩上，基礎(chǔ)形式采用柱下獨(dú)基，主體結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架［2］（圖1）。

2 隔震設(shè)計(jì)及分析

2.1 隔震支座參數(shù)及布置

依據(jù)項(xiàng)目情況以及結(jié)構(gòu)布置和荷載分布，本工程隔震支座設(shè)置在基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)外圍四周的地震位移相對較大，在這些位置設(shè)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(jié)構(gòu)抗扭剛度，在主體內(nèi)部則設(shè)置承擔(dān)軸力為主的天然橡膠支座。本工程設(shè)置鉛芯橡膠支座29個，天然橡膠支座5個，合計(jì)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)［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(jì)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(jì)算時簡化為雙線性模型［1］。

2.2 隔震層偏心率計(jì)算及隔震前后周期對比

因?yàn)楦粽鹬ё目古まD(zhuǎn)能力較弱，在設(shè)計(jì)值中布置隔震支座時，應(yīng)盡量使上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和隔震層的剛心重合（小于3%），以減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。本工程隔震支座設(shè)置后的偏心率計(jì)算結(jié)果如表2所示，滿足規(guī)范要求。

隔震前后結(jié)構(gòu)前兩振型的周期對比見表3，隔震前后的結(jié)構(gòu)前三周期均為平動、平動、扭轉(zhuǎn)，設(shè)防地震作用下，前兩振型的結(jié)構(gòu)平動周期基本相同。對比隔震前后，結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)規(guī)范》簡稱《抗規(guī)》）第5.1.2條的規(guī)定，當(dāng)進(jìn)行時程分析選取地震波時，人工波和天然波應(yīng)依據(jù)設(shè)計(jì)地震分組和建筑場地類別條件選取相應(yīng)的數(shù)量，天然波的數(shù)量不應(yīng)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(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的在統(tǒng)計(jì)意義上相符。在進(jìn)行彈性時程分析時，振型分解反應(yīng)譜的結(jié)構(gòu)底部剪力應(yīng)小于所有單條地震波計(jì)算結(jié)果的65%，且應(yīng)小于多條地震波計(jì)算結(jié)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(yīng)譜基底剪力對比結(jié)果如表5所示，均滿足規(guī)范要求。

根據(jù)《抗規(guī)》關(guān)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(dá)到結(jié)構(gòu)基本周期5～10倍的要求，保證了結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的移可以按結(jié)構(gòu)基本周期往復(fù)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(yīng)與振型分解反應(yīng)譜應(yīng)在統(tǒng)計(jì)意義上相符。所謂“在統(tǒng)計(jì)意義上相符”是指地震影響系數(shù)曲線在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上（一般是前3周期），選取地震波的平均值與振型分解反應(yīng)譜相比，應(yīng)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(yīng)譜接近。

2.4 減震系數(shù)計(jì)算

經(jīng)過7條地震波的非線性時程分析，在設(shè)防地震作用下，隔震前后結(jié)構(gòu)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(guān)于隔震后的水平地震影響系數(shù)最大值計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)設(shè)防類建筑，因此上部結(jié)構(gòu)隔震后的抗震措施應(yīng)按7度0.1g提高一度查表確定，即按表8所對應(yīng)的8度0.20g選?。?］，以滿足預(yù)期的隔震設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.5 隔震支座驗(yàn)算及隔震縫寬設(shè)置

2.5.1 支座應(yīng)力

根據(jù)《抗規(guī)》表12.2.3，乙類建筑的橡膠隔震支座壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)力為13.99 MPa＜25 MPa，滿足相關(guān)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(yīng)力，滿足相關(guān)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(yīng)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(jié)構(gòu)的周邊應(yīng)設(shè)置連通豎向隔離縫，隔離縫的設(shè)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(shè)置的隔震縫寬為350 mm。

2.6 隔震層抗風(fēng)承載力驗(yàn)算

根據(jù)《抗規(guī)》12.1.3條，對隔震結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載的產(chǎn)生的總水平力不宜超過結(jié)構(gòu)總重力的10%，本結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的產(chǎn)生的總水平力X向?yàn)?57.9 kN，Y向?yàn)?38.4 kN，總重力為79 804.8 kN。

為滿足微振動和風(fēng)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(shù)規(guī)程》第4.3.4條要求［6］，隔震支座應(yīng)按下式進(jìn)行抗風(fēng)驗(yàn)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(shè)計(jì)值；γw為風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.5；Vwk為風(fēng)荷載作用下隔震層的水平剪力標(biāo)準(zhǔn)值。

2.7 隔震層水平抗恢復(fù)力特性

為滿足微振動和風(fēng)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(fù)力特性。圖6給出了隔震層的水平恢復(fù)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(yàn)算，滿足要求。

隔震支座的彈性恢復(fù)力驗(yàn)算：

K100Tγ≥1.40VRw

式中：K100為隔震支座在水平剪切應(yīng)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(fù)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(fù)力滿足要求。

3 隔震節(jié)點(diǎn)構(gòu)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(jié)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(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算［7］。

隔震層結(jié)構(gòu)周邊隔離溝示意如圖8所示，與隔震層上部結(jié)構(gòu)相連的附屬構(gòu)件均才有柔性連接或設(shè)置水平隔離縫，縫寬30 mm，水平隔離縫采用柔性粘結(jié)膠材料填充，以防止風(fēng)雨砂塵飄入或防鼠蟲等爬入。沿隔震層周邊設(shè)置豎向隔離縫，即隔震溝，隔震溝連通設(shè)置，不得影響上部結(jié)構(gòu)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(jié)論

根據(jù)國家及新疆維吾爾自治區(qū)的相關(guān)要求，鼓勵重點(diǎn)設(shè)防類建筑應(yīng)采用減隔震技術(shù)。昌吉市第一小教學(xué)綜合樓工程設(shè)計(jì)基于提高結(jié)構(gòu)抗震性能、保護(hù)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、實(shí)現(xiàn)建筑功能、結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性等諸多原因，采用了基礎(chǔ)隔震技術(shù)，設(shè)計(jì)結(jié)果表明，通過結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的抗震性能，在不脫縫的情況下改善結(jié)構(gòu)的抗扭性能。

參考文獻(xiàn)

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［6］ 疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程：CECS 126：2001［S］.北京：中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［8］ 混凝土建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震技術(shù)規(guī)程：DB62/T25-3121-2016［S］. 北京：中國建材工業(yè)出版社，2016.