隔震技术在校舍工程改造加固中的应用

刘春明， 江宜城

(华中科技大学 土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074)

地震对建筑物的作用实际上是一种能量的传输。汶川地震后，国家对全国的校舍进行了安全鉴定，部分校舍不能满足抗震要求，需采取适当方法对其进行抗震加固改造。这些实施起来需要耗费大量的人力物力，并且影响正常的教学。而隔震技术就是在建筑物上部结构与下部结构之间设置隔震层，隔离地震能量向上部结构的传递和延长结构体系的自振周期来减小上部结构的地震作用［1］。在抗震加固中，若将隔震层设置在建筑物顶部，其减小地震作用的原理就相当于TMD隔震。本文以一栋教学楼为研究对象，运用隔震技术加固，以加层隔震后主结构和子结构的位移、加速度为目标并结合数值搜索来进行参数优化，采用时程分析方法对该建筑结构的隔震性能进行了研究。而且运用这种隔震技术只需在屋面上加层施工，施工量小且基本不影响正常的教学，方便、经济、快速［2］。

1 振动模型和理论分析

在结构顶部设置隔震层，由于主结构的刚度远比子结构(加层部分)大，因而将体系简化为一个两自由度体系进行分析，如图1所示［3］。

运动方程为:

图1 隔震结构示意图

式中，m1，m2分别为主结构和子结构的质量;c1，c2分别为主结构和子结构的阻尼系数;k1，k2分别为主结构和子结构的刚度;x1，x2分别为主结构和子结构的位移;分别为主结构和子结构的速度;分别为主结构和子结构的加速度;¨xg为地震加速度。

定义子结构与主结构的质量比和频率比分别为:

在设计隔震层参数时，应同时考虑加层隔震后主结构和子结构的位移、加速度为目标进行参数优化［4］，得到一个简单参数计算公式:

式中，a，b分别为其系数;ξ1，ξ2分别为主结构和子结构的阻尼比。

用上式计算得到的参数作为初参数，再利用数值搜索方法得到最优参数。然后采用Newmarkβ逐次数值积分法进行动力时程计算，得到地震响应。隔震层的橡胶支座恢复力特性如图2所示。

图2 铅芯橡胶支座双线性模型

2 工程应用实例

2.1 工程概况

某中学的一栋教学楼结构体系为钢筋混凝土框架结构。设计地震分组为第1组，地震烈度为8度(0.2g)，场地类别为一类;该建筑地上三层无地下层;抗震等级为三级;建筑场地的地质情况良好。该建筑的平面图及有限元模型图如图3，4所示。

图3 模型平面图

图4 建筑模型图

根据GB 50023-2009《建筑抗震鉴定标准》及GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》的要求［5，6］，使用PKPM软件对该建筑建立模型，计算该学校在小震、中震、大震以及巨震时的抗震承载力系数ξw，根据该系数得到的评价结果发现该教学楼不能满足抗震要求，需进行采用顶层隔震方案进行抗震加固。

2.2 ETABS计算模型

采用ETABS对结构计算分析，梁、柱采用空间梁柱单元，混凝土楼板采用膜体单元，并按照刚性楼板假定进行建模。

原结构的第一、二、三层质量分别为1.4585×106kg、1.4609 ×106kg、1.0152 ×106kg，刚度分别为 1678 kN/mm、1120 kN/mm、1084 kN/mm。在顶部设隔震层，并对隔震层进行参数优化［7～9］。得到加层质量为5.903 ×105kg(质量比为0.15)［10］。采用橡胶支座作为加层质量的支座，取橡胶支座总侧移刚度为57.8 kN/mm(频率比取0.786)，橡胶支座弹性阶段阻尼比为0.185，支座型号参数见表1。选取El Centro1940 NS波、Taft波、人工波对该模型进行地震响应分析计算，得到隔震前后的自振特性如表2，位移如表3和图5、剪力如表4和图6。隔震前后顶层加速度时程曲线如图7、图8和图9。

表1 支座型号参数

表2 隔震与不隔震模型动力特性

表3 隔震前后结构最大位移 cm

表4 隔震前后结构最大剪力

图5 隔震前后结构最大位移

图6 隔震前后结构最大层间剪力

图7 El Centro波下隔震前后顶层加速度时程曲线

根据表3和图5，可以看出结构最大位移有明显减小，最大减少了38.6%。根据表4和图6，可以看出结构最大层间剪力有明显减小，最大减少了41.6%。根据图7～9可知，结构顶层加速度有明显的减低。

对采用该隔震方法进行加固后的教学楼再进行抗震能力鉴定，使用PKPM软件对该学校建立模型，计算该学校在小震、中震、大震以及巨震时的抗震承载力系数，该学校在用这种减震方法隔震后可以满足抗震要求。

图8 Taft波下隔震前后顶层加速度时程曲线

图9 人工波下隔震前后顶层加速度时程曲线

3 结论

(1)使用建筑物顶部加层减震方法，关键是设计合理的隔震层参数(质量比、频率比、阻尼比、刚度)。这栋教学楼在选取了合理的隔震层参数，其减震效果非常明显且使这栋教学楼达到了抗震设防标准和防灾避险安全的要求。

(2)运用建筑物顶部加层减震方法时，隔震层以下的结构中直接支承隔震层以上结构的相关构件，应满足嵌固的刚度比和隔震后设防地震的抗震承载力要求，故需要注意对第三层进行加固。

(3)由于无需对原结构整体进行加固改造，因此这种隔震方法对正常教学影响很小且经济，对我国现有的不满足抗震要求的校舍的改造加固，具有重要的应用价值。

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［5］GB 50023-2009，建筑抗震鉴定标准［S］.

［6］GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.

［7］张文芳，孔 鹏.结构顶部TMD系统采用隔震部件的减震研究［J］.太原理工大学学报，2006，37(6):629-633.

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