某教学楼隔震分析

饶春英

（中铁装配式建筑股份有限公司，北京 102445）

1 前言

中国是地震多发国家，人们对建筑物的抗震防震能力非常关注。对于地震作用，主要有两种思路来应对。传统思路主要还是通过硬抗加耗能的方法来实现。所谓硬抗就是把构件的截面做得足够大，配筋足够强，满足结构在地震作用下的变形和强度要求，同时对于结构的耗能部分采用恰当的构造措施，在地震作用下，通过经历往复大变形，消耗一部分地震能量，把地震反应控制在一定的范围内。因此要适当控制地震反应，对于这些耗能部位的要求就比较严格，处理保障不到位会严重影响结构预定的设计性能，甚至产生意想不到的严重后果。

隔震技术就是在此基础上发展起来的一门新兴学科，其思路是通过减少地震输入来降低地震的作用。通过在基础设置软弱层，延长上部结构的自振周期，过滤地面波输入能量，减小地震输入[1]。通过隔震层的大变形水平向运动耗散掉大部分地震能量，降低建筑物的地震响应，使结构的加速度减小，让隔震系统承担地震能，起到很好的减震作用。达到预期的防震要求，使建筑物的安全得到可靠保证。

隔震结构的楼层层间位移角非常小，从而可以避免由于层间变形引起的结构及非结构构件的损坏，大幅提高结构的抗震安全性能和建筑使用功能的完整性。地震发生时，隔震建筑在保护室内人员安全、保持室内装修和家具完好等方面均有明显优势。

本文对某教学楼进行了隔震分析，进行了设防烈度下的减震系数计算，并对规范要求的各项性能指标进行了验算。分析结果表明，采用隔震橡胶支座技术后，楼层的层间剪力明显降低，对上部结构进行抗震设计时，其地震影响系数可以按原抗震规范要求降低1度进行设计，为以后类似建筑的隔震设计提供了有益的参考。

2 项目概况

某教学楼，无地下室，地上5层，框架混凝土结构，结构高度20 m，抗震设防烈度8度（0.3g）[2]。为了提高教学楼的安全性，本项目拟采用隔震技术。

2.1 结构平面布置

教学楼的典型结构平面布置如图1所示。

图1 典型结构平面图

2.2 计算参数

依据现行国家有关规范及设计方提供的相关资料，该项目的主要计算参数如表1所示。

表1 结构的主要计算参数

3 计算软件和模型

3.1 分析模型

该项目采用美国CSI公司开发研制的房屋建筑结构分析与设计软件ETABS进行计算。ETABS已有近30年的发展历史，是美国乃至全球公认的高层结构计算程序，在世界范围内被广泛应用，是房屋建筑结构分析与设计软件的业界标准[3]。本项目采用ETABS非线性连接单元模拟隔震支座。分别建立了隔震结构与非隔震结构有限元计算模型，建成后的非隔震与隔震模型如图2所示。非隔震结构与隔震结构基本周期对比如表2所示。

图2 结构非隔震和隔震分析模型

表2 非隔震结构和隔震结构周期对比

3.2 隔震支座力学性能

隔震支座型号性能如表3、表4所示，本项目采用LRB800和LNR800。

表3 铅芯隔震支座产品规格

表4 普通橡胶隔震支座产品规格

4 隔震计算

4.1 隔震层抗风验算

该项目为混凝土框架结构，其结构的高宽比不大于4；建筑场地分类为三类；风荷载标准值所引起的总的水平作用力分别为：X向284 kN，Y向962 kN。

经验算，隔震支座抗风承载力满足规范规定，隔震结构的风荷载计算结果如表5所示。

从表5计算结果可以看出，隔震结构抗风满足要求。因此，该综合楼结构满足《建筑抗震设计规范》第12.1.3条对结构采用隔震设计的基本要求。

表5 隔震结构抗风验算

4.2 隔震支座压应力

各隔震支座的竖向压力最大值和竖向压应力最大值如表6所示。

从表6可知，隔震支座竖向拉压应力均满足建筑抗震设计规范关于乙类建筑的要求。

表6 重力荷载代表值下隔震支座最大竖向压力和最大竖向压应力

4.3 结构动力特性分析

依据《建筑抗震设计规范》要求选取7组波（5组天然波、2组人工波）进行动力分析。7组波的反应谱与规范反应谱比较如图3所示。根据分析结果可知，每条地震波时程曲线统计特征满足满足现行国家抗震规范要求。

图3 地震波时程反应谱与规范反应谱比较

根据分析结果可知，每条地震波时程曲线统计特征满足现行国家抗震规范要求。

4.4 设防烈度地震作用下结构分析

对两个模型分别进行设防烈度下动力分析得到各楼层的楼层剪力。表7、表8分别给出了结构在X方向地震作用和Y方向地震作用下的减震系数。

根据表7、表8可以得出隔震结构地震影响系数最大值，如表9所示。由上述分析可以知道，采用橡胶支座隔震技术后，地震产生的水平楼层剪力大幅减少。

表7 X方向地震作用下减震系数

表8 Y方向地震作用下减震系数

表9 隔震层以上结构水平地震影响系数最大值

根据国家规范《建筑抗震设计规范》相关要求，上部结构的地震影响系数可以按降低1度考虑，即上部结构按7度（0.15g)进行地震分析。除此以外，设计采用的楼层地震剪力仍要满足最地震剪力系数的规定。

5 结构设计要求

5.1 上部结构设计要求

上部结构设计要求如下：①隔震层顶部需设置现浇梁板式楼盖，楼板板厚应不小于160 mm。隔震层顶部框架梁的刚度应适当加大，梁的高度不应小于梁跨度的1/8。②隔震层以上结构应与周围的固定物脱开，并保证其与水平方向的固定物距离不小于480 mm。③上部结构的抗震措施按降低1度考虑。④上部结构与竖向承载力相关的抗震措施维持不变。

5.2 地基基础设计要求

基础的抗震验算和设计仍按8度（0.3g）设防烈度进行。地基的抗震验算和设计仍按8度（0.3g）设防烈度进行。

6 结论

本文对某教学楼结构采用橡胶支座隔震技术进行了计算分析，分别在设防地震和罕遇地震作用下，对结构性能进行了分析，得出了以下结论：①地震波选取合理，时程分析选用2组人工波，7组天然波。每条地震波时程曲线计算所得的结构底部总剪力均超过规范振型分解反应谱法计算结果的65%，7条地震波时程曲线计算所得的结构底部总剪力平均值大于规范振型分解反应谱法计算结果的80%，满足现行国家抗震规范要求。②隔震橡胶支座在正常使用状态下，满足规范相关规定要求。③在罕遇地震作用下，满足规范相关规定要求。④设防地震作用下结构地震剪力明显减少，效果显著。对于重点设防类建筑，减震技术可起到很好的防范作用，可以为类似工程提供参考。