某校舍框架结构中的隔震加固技术应用

邹 会，卫 海

（江苏鸿基节能新技术股份有限公司，江苏 南京 210032）

0 引言

传统的结构抗震设计思路，主要是通过增大结构的刚度来抵抗地震作用。但结构刚度的增大又会加强地震作用，刚度与地震力互相纠缠，容易造成结构设计困难。隔震的结构设计思路，则是摆脱原有“抗”的设计思路，而采用“隔”地震力的设计思路，以减弱地震作用，来达到提高结构抗震性能的目的。

传统结构中，底部固定，受力大，结构各层变形很大，结构容易弯剪破坏。地震时激烈晃动，房屋加速度放大，梁柱开裂，内部装饰、设备破坏。隔震结构中，底部柔软，不受力，结构变形集中底部，结构弹性平动。地震时缓慢平动（长周期），房屋加速度减少，结构弹性（变形集中在柔软支座），从而保护结构内部的装饰和设备等。隔震加固新技术相比常规加固方法具有的主要优势如下。

1）创面小。传统加固方法涉及建筑物上部结构的各种构件、各个部位，影响范围大；而隔震加固方法仅涉及首层面及以下，二层以上范围可以基本不动，创面非常小［1］。

2）工期短。由于传统加固涉及的加固构件较多，工艺种类较多，所以往往需要更长的加固施工时间；而隔震加固方法，由于施工基本只在首层进行，故一般可在60 d 以内完成，且节省了大量装修恢复的时间［2，3］。

3）造价低。隔震加固的造价主要取决于楼层的高度。楼层越高的房屋，对应的单位面积造价越低，因此，隔震加固技术从经济角度考虑更适用于三层及以上的建筑物。

4）抗震安全性高。隔震加固方法使地震动减少 100 %～40 %，地震反应减少 1/3～1/10，抗震安全性提高 3～10 倍，地震时地震能量通过隔震支座消耗，上部结构基本不损伤，可有效保护房屋结构内部人员及设施的安全［4-6］。

5）教学秩序的影响小。采用隔震加固方法二层以上教室没有任何破坏，工程结束后，也无需后期恢复，能确保学校的正常教学秩序，并且可在施工期间，保证加固教学楼二层以上正常教学和使用［7，8］。

本工程建筑物为框架结构综合楼，其楼层较高且室内装修造价很高，因此该工程适合采用隔震加固的方法。本文通过该工程实例来说明隔震加固设计的思路以及建筑物采用隔震加固后的隔震（抗震）加固改造效果。

1 工程概况

该校舍综合楼为 5 层框架结构，建于 2004 年，层高 3.6 m，总长 42 m，宽 26 m。梁板柱均为现浇混凝土，基础为桩基及独基。

本工程按后续使用年限 40 年进行隔震设计，该结构的抗震设防烈度为 7 度（0.15g），场地类别为 Ⅲ 类，需提高半度按 8 度（0.20g）采取抗震构造措施；本建筑属乙类建筑，校舍加固需提高一度采取抗震构造措施；同时，采用隔震措施且减震系数小于 0.4 时，根据规范可降低一度采取抗震构造措施，故本次隔震改造中抗震构造措施按 8 度（0.20g）设计；在有限元软件中进行隔震计算时，地震作用按 7 度（0.15g）考虑；在 PKPM 软件进行构件承载力复核时，减震系数小于 0.4，地震作用效应按 GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》第 12.2.5 条确定。

动力分析中考虑了双向水平地震荷载，设计基本地震分组为第一组，特征周期为 0.45 s。

2 隔震加固设计与分析

2.1 加固方案的选择及鉴定报告结论的解决方法

本综合楼工程安全性不存在明显不足，但抗震性能方面存在明显不足，本身需加固、维修。本工程经隔震设计加固后，减震系数小于 0.4。隔震后，地震影响已大大减弱，传递到上部结构的地震力显著减小，建筑抗震性能明显提高，且经 PKPM 复核，结构抗震满足要求。

2.2 三维有限元分析模型

为了准确地进行基础隔震分析，用有限元软件 ETABS 对该综合楼在隔震支座以上的结构主体建立了隔震结构的三维有限元分析模型。图 1、图 2 为该综合楼有限元模型的三维视图和二层平面视图。

图1 综合楼有限元分析模型三维视图

图2 综合楼有限元分析模型二层平面视图

2.3 输入地震动及其评价

1）输入地震动。本报告选用 5 条天然地震动记录和 2 条人工波（南京波和宿迁波），利用 ETABS 非线性有限元软件对综合楼隔震结构进行了整体非线性时程分析，并与未隔震结构进行对比，重点分析了未隔震结构和隔震结构在 7 度（0.15g）多遇地震作用下的最大底部剪力响应等。所选用地震波的详细参数如表 1 所示。图 3 给出了综合楼 7 度（0.15g）多遇（55 gal）设计地震动加速度时程。

表1 输入地震动参数

图3 输入地震动加速度时程（峰值已归一化）

7 度（0.15g）多遇（55 gal）设计地震动和 5 % 阻尼比规范设计谱对比如图 4 所示。

图4 输入地震波加速度反应谱与规范设计反应谱对比

2）基于动力响应的地震动评价。从结构动力响应的角度分析所选用的地震动，我国 GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》明确规定，在弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力均超过振型分解反应谱法计算结果的 65 %，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值均大于振型分解反应谱法计算结果的 80 %。将各条加速度时程曲线的加速度最大值调整到 55 gal，对未进行基础隔震的结构进行了时程分析和反应谱分析，得到结构最大地震剪力，列于表 2。

3）从表 2 可以看出，从结构动力响应的角度来分析，所选用的地震动满足规范的要求。采用7条时程曲线作用下各自最大地震响应值的平均值作为时程分析的最终计算值，结果可靠，可以用于综合楼隔震设计。

表2 综合楼非隔震结构时程和反应谱底部剪力对比 kN

2.4 罕遇地震下结构位移验算

结构的位移量，需满足抗规 5.5.5 条规定的位移角限值。取七条时程计算结果的位移角平均值作为结构的位移角进行验算，如表 3 所示。

表3 综合楼位移计算

由表 3 结果，可得X向、Y向位移角均小于 1/50，均满足抗规 5.5.5 条关于钢筋混凝土框架结构位移角的限值要求，说明综合楼结构位移变形稳定。

2.5 结构隔震后的水平变形

表 4 给出了 7 度（0.15g）罕遇地震（310 gal）作用下一层某边柱点位移最大值。

表4 综合楼隔震结构罕遇地震底部代表性支座的最大位移

由表 4 可见，在多条双向地震作用下，各支座最大位移没有超越规范限值，满足规范相关要求，隔震层在罕遇地震作用下具有较高的可靠性和稳定性。

2.6 隔震结构模态分析

模态分析是结构的自振特性分析，主要是确定结构或结构构件的固有频率和振型，也是结构进一步进行动力分析的基础。表 5 给出了采用 Ritz 向量法计算出隔震体系在 50 % 剪应变和 100 % 剪应变时前 6 阶周期的结果。从表 5 中可以看出，隔震体系的周期较原结构增大了很多，综合楼基本周期由原来的 0.79 s 延长至 2.15 s，已经远离了结构的基本周期。

表5 隔震结构前 6 阶振型的周期 s

2.7 水平向减震系数

表 6 给出了隔震结构与非隔震结构在设计地震作用下的各层层间剪力对比。

表6 综合楼隔震和非隔震结构各层层间剪力对比 kN

从表 6 中可以看出综合楼采用隔震加固方案后，层间剪力与非隔震结构相比降幅较大。从多条地震波的平均结果来看，综合楼X向层间剪力比平均值为 0.393，Y向最大层间剪力比平均值为 0.391，隔震效果非常显著。

2.8 中震下加速度时程对比

图 5 给出了 7 度（0.15g）多遇地震（55 gal）作用下未隔震结构与隔震结构二层某边柱加速度时程对比图。

图5 综合楼未隔震结构与隔震结构 2 层某边柱顶点加速度时程对比

从以上结构参考点加速度结果来看，结构布设隔震支座后，结构的动力加速度显著降低，隔震效果明显。

3 结语

综合楼经抗震鉴定不满足现行抗震规范要求，为提高建筑物的抗震性能，提升建筑的使用功能，对该建筑进行了隔震加固设计与施工。通过上述内容，对综合楼进行了隔震分析计算，说明建筑物采用隔震加固设计后满足规范相关要求及提高建筑抗震性能的要求。且现有建筑物采用隔震加固后已使用了数年，实践证明建筑物隔震加固改造后满足了功能使用和结构安全的要求。

建筑物采用隔震加固方法后，能降低建筑物的地震作用及抗震构造措施，经计算减震系数小于 0.4，同时抗震构造措施可按降低一度考虑，因此大大提高了建筑物的抗震安全性能，解决了鉴定报告中提出的结构抗震性能问题；同时隔震层结构具有足够的刚度、强度，能满足罕遇地震工况下的结构安全性；对于本工程，由于建筑层数较高、且室内装修好，采用隔震加固的方法相比传统的常规加固来说，在施工工期、造价、结构抗震性能等方面来说均具有很好的适用性和优势。Q