隔震设计分析及隔震结构变形缝设置探讨

隔震设计分析及隔震结构变形缝设置探讨
贾莉;安海玉;张锡治
【摘要】为研究隔震结构设置对整体结构抗震性能的影响，以实际工程中四川卧
龙一贯制学校中学部教学楼结构隔震设计为例，采用SAP2000软件对结构进行整体非线性动力时程分析，在多遇地震和罕遇地震作用下对隔震结构和非隔震结构进行对比分析．分析结果表明：多遇地震作用下隔震结构的层间剪力、加速度和层间位移较非隔震结构均有大幅度降低，其中X向、Y向最大层剪力分别降低了78%，和79%，；X向、Y向楼层最大加速度分别降低了60%，和52%，；X向、Y向
最大层间位移分别降低了75%，和85%，．此外，罕遇地震作用下设置隔震结构也能明显减小结构的地震反应，改善结构的抗震性能．同时还对隔震结构变形缝的设置进行了探讨，为相关工程提供参考．%In order to investigate the effect of isolation structure design on the seismic performance of the overall structure,comparative analysis of the isolated structure and non-isolated structure under frequent and rare earth-quakes has been conducted,which is based on the isolation design for middle school teaching building of Sichuan Wolong consistent system. The nonlinear dynamic history analysis of the whole structure has been carried out by means of the software
SAP2000. According to the analysis results,the interlayer shear,acceleration and interlayer drift of isolation building are considerably smaller than the non-isolated structure under frequent earthquake. The larg-est interlayer shears ofX direction andY direction have reduced by 78%, and 79%,,the largest accelerations ofX di-rection andY direction have reduced by 60%, and 52%, and the largest interlayer drifts ofX direction andY direction have
reduced by 75%, and 85%,,respectively. Besides,the isolated structure could significantly reduce the seismic response and improve the seismic performance of the structure under rare earthquake as well. In addition,the set of deformation joint for isolation structure has been discussed,which can provide a reference for related engineering.
【期刊名称】《天津大学学报》
【年(卷),期】2015(000)0z1
【总页数】10页(P81-90)
【关键词】隔震设计;变形缝;地震反应
【作者】贾莉;安海玉;张锡治
【作者单位】天津大学建筑工程学院，天津 300072; 天津大学建筑设计规划研究总院，天津 300073;天津大学建筑设计规划研究总院，天津 300073;天津大学建筑工程学院，天津 300072; 天津大学建筑设计规划研究总院，天津 300073
【正文语种】中文
【中图分类】TU318
随着现代科技的迅猛发展，隔震技术被广泛应用于建筑结构和桥梁中[1]．在桥梁之中，除了研究较为成熟的被动控制，还可以通过采用适当的半主动控制来有效降低桥梁的地震响应，由于这种技术优点突出，也成为结构振动控制领域的研究热点[2-6]．
在建筑中采用的隔震技术主要分为地基隔震、基础隔震和上部结构隔震等，其中基础隔震是目前工程中应用最多的一种减震控制技术．基础隔震的原理是在建筑上部
结构与基础之间设置隔震层来隔离地震能量，即在房屋底部设置由橡胶隔震支座和阻尼器等部件组成的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期，增大阻尼，减少输入上部结构的地震能量，达到预期抗震要求．
基础隔震的概念最早由日本的河合浩藏于1881年提出，随后德国、英国、新西兰等学者相继提出了类似思想，1921年日本东京建成了最早的隔震建筑——帝国饭店．近几十年来，随着地震工程的发展，大量强震纪录的积累，大型试验设备的研制成功，特别是适用隔震元件的开发取得了重大进展，基础隔震技术已渐渐从理论探索、试验研制阶段发展到了示范应用和推广使用阶段．近年来，我国对房屋基础隔震技术的研究、开发和试点工作的重点也从摩擦滑移隔震机械转到隔层橡胶垫机构，叠层橡胶垫隔震系统已成为隔震技术应用的主流．
本文对四川卧龙一贯制学校中学部教学楼结构进行基础隔震设计，并分别采用等效侧力法和时程分析法对隔震结构和非隔震结构进行了对比分析，提出了隔震层的连接构造措施和隔震支座的施工维护要求．
四川卧龙一贯制学校中学部教学楼为钢筋混凝土框架结构，框架抗震等级为一级．建筑面积4,383,m2，主体结构长68.5,m，宽49.2,m，总高度
15.154,m．地上2层，局部3层，层高3.9,m，顶层局部5.6,m．由于整个平面凹凸不规则，因此设置防震缝，将建筑物分成4个规则独立的结构单元．主体结构采用钢筋混凝土框架体系，柱截面为500,mm× 600,mm，框架梁截面为300,mm×750,mm，次梁截面为250,mm×500,mm；楼盖采用梁板结构，板厚不小于100,mm．场地类别Ⅱ类，抗震设防烈度8度，场地特征周期0.35,s．教学楼采取隔震设计以提高建筑物的抗震性能，隔震层设置于±0.000,m标高，采用梁板结构，板厚150,mm，且双层双向配筋．隔震层作为上部框架柱的嵌固端通过上支墩与隔震支座进行连接，支墩高度与梁高相同．基础采用钢筋混凝土柱下独立基础，选碎、卵石层作为基础持力层．由于持力层标高起伏较大，因此基础埋深
随持力层的变化而分区域变化．基础上设置下支墩，用于安装隔震支座，并在接近支墩顶标高的位置设置基础连系梁，以减小隔震支座对支墩及基础产生的剪力和弯矩．隔震层、隔震支座和隔震构造如图1所示.
2.1 隔震支座布置
隔震层设置在基础与上部结构之间，隔震支座的布置如图2所示．
2.2 隔震支座选型
根据GB 50011—2001《建筑抗震设计规范》(2008版)、JG 118—2000《建筑
隔震橡胶支座》和CECS 126∶2001《叠层橡胶支座隔震技术规程》的规定，计算隔震层各橡胶隔震支座在永久荷载和可变荷载组合作用下的竖向平均压应力设计值[7-9]，并进行罕遇地震作用下的拉应力验算．最终选用普通橡胶隔震支座
GZP400、GZP500、GZP600和铅芯橡胶隔震支座GZY400、GZY500、GZY600，隔震支座选型及数量汇总如表1所示，力学性能如表2所示．
2.3 各结构单元单独隔震分析
对教学楼1号～4号结构单元进行单独分析，计算了隔震层的等效刚度和等效阻尼比等参数，对多遇地震时隔震结构和非隔震结构的基底剪力进行了计算对比，并对罕遇地震时隔震结构隔震层的水平位移进行了验算，计算结果如表3～表14所示．2.3.1 1号单体结构分析
1号单体结构的隔震层计算参数、多遇地震时上部结构基底剪力计算分析以及罕遇地震时上部结构基底剪力和隔震层最大水平位移验算分别如表3～表5所示．表中：Qy为屈服力；Kd为屈服后刚度；Ke为等效刚度；G为重力荷载代表值；Kh为
隔震层水平刚度；T1为基本周期；Tg为场地特征周期；ξ 为等效阻尼比；α 为地震影响系数；Fek为基底总剪力；D为隔震层位移；Dr为考虑扭转的隔震层位移；
[D]为隔震层位移限值.
2.3.2 2号单体结构分析
2号单体结构的隔震层计算参数如表6所示；多遇地震时上部结构基底剪力计算对比如表7所示；罕遇地震时上部结构基底剪力和隔震层最大水平位移验算见表8.
2.3.3 3号单体结构分析
3号单体结构的隔震层计算参数如表9所示；多遇地震时上部结构基底剪力计算分析如表10所示；罕遇地震时上部结构基底剪力和隔震层最大水平位移验算见表11.
2.3.4 4号单体结构分析
4号单体结构的隔震层计算参数如表12所示；多遇地震时上部结构的基底剪力计算对比如表13所示；罕遇地震时上部结构的基底剪力和隔震层最大水平位移验算见表14.
2.4 隔震层方案讨论
由以上计算结果可以得到多遇地震作用下，隔震结构与非隔震结构最大基底剪力比为0.448，可见隔震结构的基底剪力至少降低55%,；上部结构设计中水平减震系数取0.75．罕遇地震作用下，隔震结构隔震层最大水平位移192,mm，满足位移限值要求．如果按照每个结构单元分别进行隔震设计，则两相邻结构单元间必须留设隔离缝，缝宽不小于两单元最大位移之和，即两单元间缝宽至少420,mm，这样会给结构布置、建筑形象和使用功能带来非常大的影响．如果隔震层连成一个整体，在隔震层以上设置防震缝，缝宽只需100,mm，不利条件是形成隔震层为刚性底盘的多塔楼结构，受力较独立单元复杂．综合考虑，本工程采用整体隔震层方案．
3.1 分析模型参数
采用SAP2,000软件对结构进行整体非线性动力时程分析．输入地震波采用BCJ、ElNS、TAFT、SFNS共4条波，其反应谱曲线如图3所示．根据规范要求，对地震波的加速度峰值进行调整，多遇地震时取70,gal，罕遇地震时取400,gal．
铅芯橡胶隔震支座、天然普通橡胶支座的计算恢复力模型分别采用Bounc-wen模型和线性模型，如图4所示．
三维抗震结构计算模型及三维隔震结构计算模型如图5和图6所示；三维抗震结构及三维隔震结构的主振型如图7和图8所示．
由模态分析可知，隔震结构基本周期T1＝1.741,s，约为非隔震结构基本周期T1＝0.616,1,s的2.83倍，可见采用基础隔震技术大大延长了结构体系的自振周期．采用时程分析法对多遇地震时隔震结构和非隔震结构的楼层剪力、楼层最大加速度和楼层层间位移进行了对比分析[10-11]，计算结果如表15～表20和图9～图11所示．对罕遇地震时隔震结构的楼层剪力和楼层最大加速度进行了计算，并验算了隔震结构的楼层层间位移和层间位移角．计算结果如表21～表28所示．
3.2 多遇地震下计算结果
1) 楼层剪力
隔震结构与非隔震结构底层的剪力对比如图9所示．多遇地震时X向和Y向楼层剪力对比分析如表15和表16所示．
2) 楼层最大加速度
多遇地震时X向、Y向楼层最大加速度对比分析如表17和表18所示．隔震结构与非隔震结构顶层加速度对比如图10所示．
3) 楼层层间位移
多遇地震时X向、Y向楼层层间位移对比分析如表19和表20所示．隔震结构与非隔震结构底层层间位移对比如图11所示．
3.3 罕遇地震下计算结果
1) 楼层剪力
罕遇地震时X向和Y向楼层剪力对比分析如表21和表22所示．
2) 楼层最大加速度
罕遇地震时X向和Y向楼层最大加速度对比分析如表23和表24所示．
3) 楼层层间位移
罕遇地震时X向和Y向楼层层间位移对比分析如表25和表26所示．
4) 楼层层间位移角
罕遇地震时X向和Y向楼层层间位移角对比分析如表27和表28所示．
由时程分析法得到多遇地震作用下，隔震结构与非隔震结构的最大层剪比X向、Y 向分别为0.22、0.21，最大楼层加速度比X向、Y向分别为0.40、0.48，最大楼
层层间位移比X向、Y向分别为0.25、0.15，因此，隔震结构在地震作用下的地
震反应大大降低，结构的安全度得到提高．
罕遇地震作用下，隔震层位移均值X向、Y向分别为143.72,mm、136.01,mm，满足《建筑抗震设计规范》GB 50011—2001(2008年版)12.2.6条款关于隔震层
位移限值要求(本项目最小限值为220,mm)，隔震层最大位移满足支座最大容许位移的要求．同时，隔震支座未出现拉应力．
罕遇地震作用下，上部结构最大层间位移角均值X向、Y向分别为1/615、1/737，隔震结构的层间位移角满足GB 50011—2001《建筑抗震设计规范》(2008版)及CE CS 126∶2001《叠层橡胶支座隔震技术规程》关于框架结构层间弹塑性位移角限值的要求，并且结构基本保持弹性．
通过分析可以看出，整体隔震层方案与独立单元隔震层方案相比，隔震效果同样明显，并且结构抗扭性能更好，罕遇地震作用下隔震支座位移更小，同时，上部结构亦能基本保持弹性，大底盘多塔楼的复杂体型并没有对结构带来不利影响．
通过对比分析隔震结构与非隔震结构的基底剪力、楼层剪力、楼层加速度、层间位移等地震反应，发现隔震结构能明显减小结构的地震反应，从而证明本隔震结构减震效果良好．隔震层作为整体大底盘，变形缝只在上部结构设置的方案是合理可行的．通过隔震，使结构抗震设防水准高于普通抗震结构，使得该建筑物既有效地保
护了未成年人的安全，又可作为震后避难场所．
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