甘肃河西某中学教学楼隔震设计

孟维华，苏向向

（甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 引言

通过阅读大量有关减震隔震的文献，对新建工程、既有结构改造及加层工程中减震隔震结构的设计方法进行了深入研究，本文从隔震的概念和设防目标出发，从隔震技术的适用范围、减震系数、各部分的单独设计和结构措施等方面总结出一种更实用的设计方法，以解决实际隔震工程设计中具体操作中的困惑。根据地震烈度区划图公开的统计数据，甘肃省一半以上的城市位于地震基本烈度为7度及以上的地区，甘肃省全境均为6度及以上地震烈度设防区，其中7、8度设防区占全省总面积的78.5%，9度设防区约占总面积的9%[1]。

近年来，为了减少地震给人类造成的巨大损失，国家相继出台了隔震减震行业的强制性法律法规和配套政策，进一步鼓励建筑业向减震隔震方向发展。我国减隔震研究起步较晚，技术相对落后，导致在同等强度地震下，我国受到地震的损害比发达国家更严重，由此可见，隔震减震产业未来发展潜力巨大。2014年2月，住房和城乡建设部印发《关于住房建设项目推广应用减震隔震技术的若干意见（暂行）》指出了推广的必要性和范围。2019年10月，司法部印发《建设项目地震管理规定》指出“高烈度地区的学校、幼儿园、医院、养老院、应急避难楼、应急指挥中心等人口密集的公共建筑应采用减震隔震技术”。与常规设计相比，高烈度区建筑设计中结构楼层剪力和层间位移角的主要指标难以满足规范要求。常规设计方式采用增加结构构件截面和配筋，以抵抗地震作用的方式满足规范承载要求。结构隔震后，结构的应力比普通建筑大大降低，大大减小了上部结构构件的截面尺寸和结构的含钢量，不仅满足了建筑空间的使用要求，而且减少了结构构件配筋紧密、施工难度大等问题，取得了良好的经济效益。

2 工程概况

文章以甘肃河西某五层中学教学楼为工程背景，其结构型式为钢筋混凝土框架结构，建筑抗震设防类别为乙级。建筑高度20.7m，总建筑面积3544.83 m2。地上五层局部三层，立面呈“凸”形。一层至三层的层高为3.900 m，四层为4.800 m，五层为3.600 m，平面布局如图1所示。教学楼主要地震动参数，设防烈度8度（0.20 g），Ⅱ类场地，第三组，特征周期Tg为0.45 s，时程分析采用的基本地震和多遇地震峰值加速度值严格按照抗震规范取值。根据地震参数确定本工程的减震目标，采用隔震技术减缓上部结构的水平方向的地震反应，从而提高结构的抗震能力，大大提高其安全储备。

图1 一层建筑平面布置图（单位：mm）

3 隔震支座布置

隔震工程设计主要在于隔震支座位置布置，考虑到教学楼所处场地地震烈度高，层数少，且无地下室，故直接将隔震支座布置于建筑物基础位置。由于隔震支座自身有较好的变形能力，直接导致采用隔震技术的结构相比常规结构，有较大的变形能力，能够在地震来临时屹立不倒；同时隔震支座还有物理粘滞阻尼，在地震过程中能够较好地吸收能量，从而减弱地震作用。

隔震支座布置时，根据初步计算分析，结合结构受力与建筑方案进行隔震支座布置，将隔震层设置在自然地坪下方，承载压力限制在12 kPa。根据结构在地震作用下柱底内力统计结果，在每根框架柱底部设置1～2个隔震支座。为使所有支座受力均匀，避免结构发生扭转，结合市场现有隔震支座规格，初步选用LNR400、LNR500、LNR700和LRB600。平面布局如图2所示。

图2 隔震支座布置图（单位：mm）

4 结构计算

利用ETABS软件，对结构承受的水平地震剪力进行对比分析，然后计算减震系数。隔震采用时程分析法进行计算，计算中选取了2条天然波El Centro地震波（简称ELC波）、Taft地震波（简称Taft波），一条人工波地震加速度时程曲线，以包络值作为计算结果。教学楼非隔震结构模型的自振特性和内力由ETABS计算。在结构分析计算中，采用空间梁柱单元建立结构梁柱，膜单元建立结构混凝土楼板，结构建模基于刚性楼板假设[2]。计算模型如图3所示。

图3 高台宣化镇中心小学教学楼模型图

4.1 计算模型的正确性验证

上部结构施工图设计所用ETABS非隔震结构模型和YJK模型的总质量、前6个自振周期和层间剪力采用差分率（其中差分=（YJK-ETABS）/YJK×100%）验证其正确性。比较的主要内容包括：非隔震结构的总质量、前六阶周期和层间剪力[3]。算得YJK模型的总质量为6 926.2 t，ETABS模型的总质量为6 925.5 t，二者差异为0.01%。YJK和ETABS之间的楼层剪力和周期比较见表1、表2。

表1 非隔震结构层间剪力对比

表2 非隔震结构前三周期对比

由表1、表2可知，采用ETABS建造的非隔震结构模型的结构质量、前六阶振型的自振周期和层间地震反应与YJK模型基本相似。因此，ETABS模型能准确反映结构的动力特性，可作为本工程隔震设计的有限元模型[4]。

4.2 时程分析地震波的选取

时程分析选取的地震波时需要满足规范规定的三要素及与反应谱频谱特性接近的要求，本设计选取两条天然波ELC波如图4、Taft波如图5，一条人工波如图6所示。由时程分析选择的地震波中响应最小的波产生的地震剪力占反应谱中地震剪力的70%。隔震结构在多遇地震下的底部剪力见表3，由三条时程曲线计算的结构底部横向和纵向剪力的平均值分别为4 934 kN和4 402 kN，占反应谱的84%，满足规范[5]的要求。

图4 ELC地震波时程

图5 Taft地震波时程

图6 人工模拟地震加速度记录

表3 隔震结构在多遇地震下的底部剪力

5 隔震结构的地震响应分析

文章采用大型结构有限元计算程序ETABS计算隔震结构的地震反应。通过ETABS建立三维结构空间模型和分析有限元模型[6]。

根据抗震要求，采用ETABS进行隔震计算时，竖向地震作用标准值取隔震层以上结构总重力荷载代表值的20%。利用ETABS软件分析了隔震模型和非隔震模型在地震作用下的弹性时程，计算出的结构自振周期见表4，前6种振型如图7所示[7]。

表4 隔震前后结构周期比较

图7 结构前六阶振型图

5.1 水平向减震系数

根据《抗震》水平向减震系数β定义为：《抗规》12.2.5条规定，对于多层建筑，mn=m2,mn}，其中为隔震后的剪力，vn为隔震前的剪力，mn为按弹性计算所得的隔震与非隔震各层层间剪力的最大比值[8]，见表5。

由表5可知，本教学楼最大层间减震系数为0.319（大于0.27且小于0.40），因此，通过在基础顶部设置隔震支座，可以将上部结构的水平地震反应降低1度。

5.2 多遇和罕遇地震作用下隔震模型的层间位移角验算

多遇地震和罕遇地震作用下的层间位移角验算时，计入水平地震和竖向地震作用计算分析，选取两条天然波和一条人工波计算结果的最大值，见表6。

表6 多遇和罕遇地震作用下隔震模型的层间位移角

由表6可知结构在基本和罕遇地震作用下隔震后的结构变形远远小于规范限值的要求。

6 结论

（1）隔震后，结构的最大变形主要发生在隔震层中，隔震支座是整个结构的耗能部分，基底剪力大大降低，整个结构变形以平移为主。

（2）教学楼减震系数0.319（0.27＜0.319＜0.40），由抗规可得结构所承受的地震作用可减小50%以上，抗震措施可降低一级。

（3）在罕遇地震作用下，设计选用的隔震支座虽然有一定的拉应力，但远小于规范中橡胶支座的最大拉应力限值，结构不会发生倾覆。