學校的基礎隔震設計研究

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鑒于本文篇幅所限，僅以學生宿舍為例進行分析說明。學生宿舍結構模型如圖1所示，地上主體結構六層，層高3.6m，屋頂構架一層，層高4.0m，建筑總高度為25.6m。典型柱網尺寸為7.9m×7.2m和7.2m×7.2m，采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結構，單棟建筑面積5324m2。

隔震設計

1隔震設計目標

根據《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2010，以下簡稱《抗規(guī)》)［3］的相關要求，隔震層以上結構的水平地震影響系數最大值，由水平向減震系數(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)及調整系數(橡膠支座取0.8)確定。本工程隔震設計的目標是隔震層以上主體結構水平地震影響系數最大值αmax1=0.1，水平向減震系數β=φαmax1/αmax=0.8×0.10/0.24=0.333。

2隔震支座設計

隔震支座的設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見表1。隔震層宜設置在底層樓板與基礎面之間，隔震層剛度中心宜與上部結構質量中心重合。隔震支座的規(guī)格、數量和分布應由豎向承載力、側向剛度和阻尼等綜合確定［2］，具體遵循如下標準:(1)《抗規(guī)》規(guī)定同一隔震層內各個橡膠隔震支座的豎向壓應力宜均勻，豎向平均應力不應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)拉應力，當少數隔震支座出現(xiàn)拉應力時，其拉應力不應大于1MPa。(3)隔震支座的極限水平變位應小于其有效直徑的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荷載作用下的基底剪力，對照隔震支座的性能參數確定每根柱下隔震支座的具體型號和數量，并由此建立隔震結構計算模型;接著進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、數量和布置進行調整優(yōu)化;最后計算結構在罕遇地震下的反應，得到支座的軸力、剪力和位移，以用于隔震連接構件設計。整個過程需要反復試算比較，直至滿足隔震設計目標［4］。通過以上過程，設計最終確定共使用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，隔震結構屈重比為0.0366。

3隔震結構計算

分析程序選用ETABS［5］，梁柱構件采用空間梁柱單元，樓板采用考慮平面內剛度的膜單元，隔震支座的模擬由隔震支座恢復力模型(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。選取了實際五條強震記錄和二條人工模擬加速度時程進行彈性時程分析，七條時程反應譜和規(guī)范反應譜曲線如圖3所示。

減震效果分析

1自振特性

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

2多遇地震作用下地震反應和水平減震系數

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

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;采用隔震技術后最大層間位移角為1/126(表4)，滿足規(guī)范框架結構1/50的要求。

上部結構、支墩計算及相關構造連接設計

根據隔震分析結果，上部結構按7度(0.15g)設計，施工圖配筋主算程序采用SATWE，其計算模型做以下特殊調整:設置隔震層，隔震層柱底設為鉸接;設防烈度為8度(0.3g)，地震影響系數最大值改為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%，具體結果詳表5)。最終設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180mm厚樓板，鋼筋10@150雙層雙向拉通。隔震支座設置在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，其配筋由整體結構模型計算確定;下支墩截面尺寸同上支墩，計算簡圖為下端固結、上端自由的壓彎構件柱，其軸力和剪力取罕遇地震作用下各個相應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?！犊挂?guī)》規(guī)定了隔震結構應該采取不阻礙隔震層在罕遇地震下發(fā)生大變形的構造措施。本工程周邊隔震溝結構典型做法詳圖6，縫寬600mm大于罕遇地震最大水平位移的1.2倍(187×1.2=225mm)。上部結構和下部結構之間，設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。

結語

本文以學生宿舍為例，介紹了基礎隔震技術在昆明商貿職業(yè)學院的應用，目前整個項目結構設計已通過了云南省建筑工程抗震設防專項審查以及施工圖審查，正在進行基礎施工。（本文作者：王閣 單位：深圳市建筑設計研究總院有限公司）