學(xué)校的基礎(chǔ)隔震設(shè)計研究

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鑒于本文篇幅所限，僅以學(xué)生宿舍為例進(jìn)行分析說明。學(xué)生宿舍結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，地上主體結(jié)構(gòu)六層，層高3.6m，屋頂構(gòu)架一層，層高4.0m，建筑總高度為25.6m。典型柱網(wǎng)尺寸為7.9m×7.2m和7.2m×7.2m，采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，單棟建筑面積5324m2。

隔震設(shè)計

1隔震設(shè)計目標(biāo)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010，以下簡稱《抗規(guī)》)［3］的相關(guān)要求，隔震層以上結(jié)構(gòu)的水平地震影響系數(shù)最大值，由水平向減震系數(shù)(多層按彈性計算所得的隔震與非隔震各層層間剪力的最大比值)及調(diào)整系數(shù)(橡膠支座取0.8)確定。本工程隔震設(shè)計的目標(biāo)是隔震層以上主體結(jié)構(gòu)水平地震影響系數(shù)最大值αmax1=0.1，水平向減震系數(shù)β=φαmax1/αmax=0.8×0.10/0.24=0.333。

2隔震支座設(shè)計

隔震支座的設(shè)計選型要考慮工廠加工及施工的方便，支座直徑過大會造成制造困難，數(shù)量過多會使支座布置無法實現(xiàn)。工程最終確定使用的隔震支座基本參數(shù)見表1。隔震層宜設(shè)置在底層樓板與基礎(chǔ)面之間，隔震層剛度中心宜與上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心重合。隔震支座的規(guī)格、數(shù)量和分布應(yīng)由豎向承載力、側(cè)向剛度和阻尼等綜合確定［2］，具體遵循如下標(biāo)準(zhǔn):(1)《抗規(guī)》規(guī)定同一隔震層內(nèi)各個橡膠隔震支座的豎向壓應(yīng)力宜均勻，豎向平均應(yīng)力不應(yīng)超過乙類建筑的限值12MPa。(2)在罕遇地震作用下，隔震支座不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)少數(shù)隔震支座出現(xiàn)拉應(yīng)力時，其拉應(yīng)力不應(yīng)大于1MPa。(3)隔震支座的極限水平變位應(yīng)小于其有效直徑的0.55倍和各橡膠層總厚度3倍二者的較小值。隔震支座布置設(shè)計具體流程如下:首先計算出無地震作用情況下，基底固接模型的基底豎向反力及風(fēng)荷載作用下的基底剪力，對照隔震支座的性能參數(shù)確定每根柱下隔震支座的具體型號和數(shù)量，并由此建立隔震結(jié)構(gòu)計算模型;接著進(jìn)行多遇地震下的彈性時程分析，驗算隔震支座豎向抗壓承載力和水平抗剪承載力及初始剛度，并對支座型號、數(shù)量和布置進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化;最后計算結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的反應(yīng)，得到支座的軸力、剪力和位移，以用于隔震連接構(gòu)件設(shè)計。整個過程需要反復(fù)試算比較，直至滿足隔震設(shè)計目標(biāo)［4］。通過以上過程，設(shè)計最終確定共使用50個支座，其中有鉛芯隔震支座:LRB500(14個)、LRB600(36個)。隔震支座平面布置見圖2，隔震結(jié)構(gòu)屈重比為0.0366。

3隔震結(jié)構(gòu)計算

分析程序選用ETABS［5］，梁柱構(gòu)件采用空間梁柱單元，樓板采用考慮平面內(nèi)剛度的膜單元，隔震支座的模擬由隔震支座恢復(fù)力模型(豎向和水平向)確定，豎向由于剛度較大，可等效為一線性彈簧，水平向具有良好的彈性性能，同時又具有一定的粘滯阻尼特性，可等效為一個線性彈簧和一個粘滯阻尼器的組合。選取了實際五條強(qiáng)震記錄和二條人工模擬加速度時程進(jìn)行彈性時程分析，七條時程反應(yīng)譜和規(guī)范反應(yīng)譜曲線如圖3所示。

減震效果分析

1自振特性

自振特性計算結(jié)果詳見表2，多遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)的自振周期約為非隔震狀態(tài)的2.2倍，達(dá)到5.3Tg，由《抗規(guī)》地震影響系數(shù)曲線可知，隔震后自振周期明顯延長，反應(yīng)譜中對應(yīng)的地震影響系數(shù)顯著減小，達(dá)到了降低地震作用的效果。

2多遇地震作用下地震反應(yīng)和水平減震系數(shù)

表3表明，隔震與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力的最大比值均出現(xiàn)在2層，X向(Y向)的水平減震系數(shù)為0.326，滿足水平向減震系數(shù)為0.333的設(shè)計目標(biāo)。

3罕遇地震分析

《抗規(guī)》［3］規(guī)定:隔震層的支墩、支柱及相連構(gòu)件，滿足罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和力矩的承載力要求;隔震層以下的地下室，滿足嵌固剛度比和隔震后設(shè)防地震的抗震承載力要求，并滿足罕遇地震下的抗剪承載力要求。罕遇地震下驗算隔震層的位移，同時得到軸力、剪力用于下支墩設(shè)計。罕遇地震下隔震支座最大剪力和最大軸力荷載組合采用1.2(1.0×恒荷載+0.5×活荷載)+1.3×水平地震+0.5×豎向地震;拉力荷載組合采用1.0×恒荷載±1.0×水平地震作用;隔震層水平位移計算荷載組合采用1.0×恒荷載+0.5×活荷載+1.0×水平地震，得到隔震層最大水平位移186mm，小于0.55D=275mm(D為最小隔震支座直徑，本工程采用隔震支座最小直徑為500mm)及3Tr=330mm(Tr為最小隔震支座的橡膠層總厚度)中的較小值，滿足要求;采用隔震技術(shù)后最大層間位移角為1/126(表4)，滿足規(guī)范框架結(jié)構(gòu)1/50的要求。

上部結(jié)構(gòu)、支墩計算及相關(guān)構(gòu)造連接設(shè)計

根據(jù)隔震分析結(jié)果，上部結(jié)構(gòu)按7度(0.15g)設(shè)計，施工圖配筋主算程序采用SATWE，其計算模型做以下特殊調(diào)整:設(shè)置隔震層，隔震層柱底設(shè)為鉸接;設(shè)防烈度為8度(0.3g)，地震影響系數(shù)最大值改為0.1，不考慮豎向地震;柱軸壓比按8度(0.3g)一級框架0.65的規(guī)范限值控制;樓層剪重比按8度(0.3g)限值要求0.048控制(地震作用須放大15%，具體結(jié)果詳表5)。最終設(shè)計確定框架柱截面尺寸:1層為500mm×800mm，1層以上500mm×700mm;框架梁截面尺寸:2層樓面為250mm×700mm、2層樓面以上為200mm×600mm。1層(±0.000m)增設(shè)180mm厚樓板，鋼筋10@150雙層雙向拉通。隔震支座設(shè)置在1層樓板(±0.000m)以下0.8m處。上支墩截面尺寸由隔震支座規(guī)格尺寸確定，且大于1層柱截面尺寸，其配筋由整體結(jié)構(gòu)模型計算確定;下支墩截面尺寸同上支墩，計算簡圖為下端固結(jié)、上端自由的壓彎構(gòu)件柱，其軸力和剪力取罕遇地震作用下各個相應(yīng)支座的最大剪力和最大軸力。隔震層隔震支座連接做法如圖4、5所示。《抗規(guī)》規(guī)定了隔震結(jié)構(gòu)應(yīng)該采取不阻礙隔震層在罕遇地震下發(fā)生大變形的構(gòu)造措施。本工程周邊隔震溝結(jié)構(gòu)典型做法詳圖6，縫寬600mm大于罕遇地震最大水平位移的1.2倍(187×1.2=225mm)。上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間，設(shè)置了完全貫通的縫高20mm的水平隔離縫，并采用柔性材料填充。

結(jié)語

本文以學(xué)生宿舍為例，介紹了基礎(chǔ)隔震技術(shù)在昆明商貿(mào)職業(yè)學(xué)院的應(yīng)用，目前整個項目結(jié)構(gòu)設(shè)計已通過了云南省建筑工程抗震設(shè)防專項審查以及施工圖審查，正在進(jìn)行基礎(chǔ)施工。（本文作者：王閣 單位：深圳市建筑設(shè)計研究總院有限公司）