9度区学校教研图书楼隔震设计及经济性分析

9度区学校教研图书楼隔震设计及经济
性分析
[摘要]澜沧县第四民族中学所在地区抗震设防烈度为9度，结构采用全现
浇钢筋混凝土框架结构，若采用传统结构抗震增强结构自身的抗震性能（刚度、
强度、延性）来抵御地震作用，难以控制结构位移，会产生较大结构损害，，且
会造成构件截面过大，故采用隔震技术。

在基础和上部结构之间设置的隔震装置，能够使结构在基础面上柔性滑动，从而使得结构体系的自振周期得到加长，进而
远离场地的卓越周期，将地面震动隔开，有效降低结构的加速度反应，确保结构
安全，设计中使用了PKPM软件进行上部结构设计采用ETABS软件进行隔震结构
时程分析，得到了水平向减震系数，并进行地震下验算。

通过隔震方案与非隔震
方案的直接建设费用对比，对隔震方案的经济性做了简要分析。

研究结果表明，
采用隔震设计后的结构构件截面相对减小，增加了学校使用面积，建筑布局更加
灵活，减小了上部结构的设计难度，并一定程度上节约了工程造价。

[关键词]9度抗震；隔震技术；延长自振周期；低配筋率；节约造价
0引言
建筑隔震技术的快速发展始于20世纪60年代，由新西兰、日本、美国等多
地震国家对隔震技术进入深入研究，相继在地震频发地区发挥了重要作用。

我国
自上世纪60年代开始推行隔震技术，并高速发展，尤其是在2008年汶川地震后，出版新版《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）对隔震技术做了较大调整。

特
别是隔震技术在2013年芦山县地震中表现出优异的抗震性能，得到公众和政府
部门的高度认可，相继出台系列规章促进隔震技术推进。

高烈度地区学校设防要
求高，对隔震技术尤为严格，在不规则结构隔震层楼板应力分析、大跨度空间结
构隔震应用、BIM对隔震构件的3D模拟等方面都对后续隔震建筑有借鉴应用的意义。

1工程概况
云南省普洱市澜沧县第四民族中学教研图书楼，长56.6m，宽24.8m，地上4层，层高3.9m，无地下室，房屋高度16.05m，主要跨度为9.0m×8.0m。

建筑物
主要功能为阅览室、书库、教研室、办公室等。

结构设计使用年限为50年，工程抗震设防烈度为9度（0.4g），设计地震
分组为第三组，场地类别为Ⅱ类。

大震特征周期为0.45S，结构阻尼比为0.05，
地震影响系数最大值为0.16，属于重点设防类（乙类建筑）。

建筑场地基本风压Wo=0.30KN/㎡，地面粗糙度类别为B类。

结构采用全现浇钢筋混凝土框架结构，
抗震等级为一级（采用隔震技术）。

上部结构的建筑正立面图如图1所示。

图1建筑正立面图
2设计流程
隔震设计的设计流程图如图2所示，可分为以下七个步骤进行：
1）对预定隔震的目标结构形式进行确定。

2）采用PKPM或YJK建立模型，对隔震上部结构进行初步设计、对结构体系、空间跨度布置及荷载进行分布，确保方案经济合理。

3）建立基础固结模型（ETABS），并对其进行隔震分析，对不满足要求的模
型进行重新设计，确保设计准确可靠。

4）依据隔震支座厂家提供的隔震分析报告，进行下部结构隔震设计，进行下支墩结构设计节点进行优化。

5）形成施工图初设抗震专项审查文本，进行内部初审。

6）由隔震专家进行抗震专项审查，确保结构安全。

7）依据审查意见进行修改完善，形成施工图下发。

图2隔震设计流程图
3结构方案
3.1 传统抗震方案
传统抗震方案是通过增强建筑物结构构件的抗震性能（强度、刚度和延性）来抵御地震，以刚克刚的“硬抗”途径。

本工程位于高烈度区，根据房屋高度、建筑功能、平面布置等，采取钢筋混凝土框架-抗震墙结构，坡屋面采用轻钢结构。

框架-抗震墙结构设计为双向抗侧力体系，按以下原则布置剪力墙：1.
剪力墙均匀布置在建筑物的周边附近、楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒
载较大的部位，剪力墙间距不宜过大。

2.
纵、横剪力墙组成L形、T形等形式。

3.
剪力墙贯通建筑物的全高，避免刚度突变；剪力墙开洞时，洞口上下对齐。

剪力墙厚300~400mm，1~3层框架柱截面尺寸主要为900x900、700x700mm，4
层为800x800、700x700mm；梁主要截面尺寸为400x800mm、350x700mm和
300x600mm；楼板厚主要为110mm，屋面板厚为120mm。

因烈度较高，为满足墙柱
抗剪要求，采用高强混凝土，墙柱首层、2层为C50、3层C45、4层C40，首层
顶梁板为C40，2层顶梁板为C35，其余梁板为C30。

上部结构嵌固部位为基础顶。

图3传统抗震方案盈建科计算模型
主要计算结果如下：
结构自振周期表1
主要控制参数表2
目前整体计算指标虽然满足规范要求，但仍存在部分剪力墙、混凝土梁超限
的情况，一至二层的部分剪力墙需采用钢板混凝土剪力墙。

3.2 隔震方案
通过隔震设计，结构自振周期延长，阻尼增大，输入到上部结构的地震能量
减少，使结构的抗震性能得到提高，增加了结构的安全储备。

通过采用隔震技术，将上部结构的水平地震作用降低到相当于抗震设防烈度8度（0.20g）的水平。

3.2.1 隔震层位置的选择
本方案隔震层位置的确定需考虑多方面因素，包括结构合理性，造价经济性，功能布局合理性，最终确定在基础顶设置隔震层。

3.2.2 ETABS模型建立
本方案使用大型有限元软件ETABS建立隔震与非隔震结构模型，并进行计算
与分析。

ETABS软件具有方便灵活的建模功能和强大的线性和非线性动力分析功能，其中连接单元能够准确模拟橡胶隔震支座。

3.2.3 地震动输入
本工程选取了实际5条强震记录和2条人工模拟加速度时程， 7条时程反应
谱和规范反应谱曲线如图4所示。

图47条时程反应谱与规范反应谱曲线
3.2.4 隔震支座布置
本工程采用橡胶隔震支座，在选择其直径、个数和平面布置时，主要考虑了以下因素：
1）根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）第12.2.3条，同一隔震层内，各个橡胶隔震支座的竖向压应力宜均匀，且竖向压应力不应超过甲、乙、丙类建筑的限值10、12、15MPa。

2）在罕遇地震作用下，隔震支座不宜出现拉应力，当少数隔震支座出现拉应力时，其拉应力不应大于1MPa；压应力不超过30MPa。

3）隔震支座的罕遇地震作用下的水平变位应小于其有效直径的0.55倍和各橡胶层总厚度3倍二者的较小值。

4）满足偏心率和水平恢复力等要求。

5）铅芯隔震支座尽可能布置在周边。

图5隔震支座布置图
3.2.5 设防地震（中震）分析
通过分析得到隔震层以上结构隔震前后，结构层间剪力比值的平均值的最大值为0.304，考虑1.5近场放大系数，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-
＝
2010）第12.2.5条，确定隔震后水平地震影响系数最大值α
max1
βα
/ψ=0.304*0.32/0.850=0.114。

（隔震支座为S-A类，ψ取值为0.85）max
综合考虑后，上部结构设计隔震后水平地震影响系数最大值为0.160，地震作用相当于8度（0.20g）。

3.2.6 罕遇地震（大震）分析
1)大震下隔震层水平位移计算
采用工况：l.O×恒荷载+0.5×活荷载+ 1.0×水平地震(1.0D+ 0. 5L +
）得到大震下各个支座最大水平位移。

经过罕遇地震分析，隔震层最大水1.0F
ek
平位移396mm，小于0.55D=440mm（D为最小隔震支座直径，本工程采用隔震支座最小直径为800mm）及3Tr=447mm（Tr为最小隔震支座的橡胶层总厚度）中的较小值，满足要求。

2)隔震支座拉应力验算
-0.5×0.4(1.0D+0.5L)=0.80D-采用的荷载组合：1.0D±l.0F
ek
0.10L±1.00F
ek
在罕遇地震作用下，当荷载组合为0.80D-0.10L+1.00F
时，支座产生的最大
ek
拉应力为0.19Mpa，小于1Mpa，出现在29号支座LRB800-II；当荷载组合为
0.80D-0.10L-1.00F
时，支座产生的最大拉应力为0.17Mpa，小于1Mpa，出现在
ek
29号支座LRB800-II。

罕遇地震下，隔震支座拉应力满足规范要求。

3.2.7 上部结构设计
本工程上部结构设计采用盈建科计算软件，在首层和基础之间增加隔震层，支墩底设为铰接模拟隔震支座。

上部结构地震作用降为8度（0.20g）。

1~2层框架柱截面尺寸主要为700x700，3~4层收至700x700mm；梁主要截面尺寸为
350x800mm、400x700mm和300x600mm；隔震层顶板厚160mm。

图6隔震方案盈建科计算模型
主要计算结果如下：
结构自振周期表3
主要控制参数表4
4方案技术对比
根据前述计算结果，对传统抗震方案和隔震方案进行技术对比：
1）从抗震性能来看，传统抗震建筑的抗震设计原则是“小震不坏、中震可修、大震不倒”，主要通过调整结构体系和增大梁柱墙截面来提高结构的抗震能力。

增大梁柱墙截面，会导致结构体系刚度大，形成结构刚度越大，地震作用越
强的恶性循环，反而使结构延性降低，不利于抗震。

而对于隔震结构，地震作用下，隔震建筑上部结构的层间侧移减小，使上部结构构件在地震作用下进入塑性
的程度减小，一些非结构构件或设备也可以减小破坏。

采用隔震技术后，可使建
筑的抗震设防目标达到“小震不坏，中震不坏或轻微破坏，大震不丧失使用功能
或可修”，在遭遇较大地震时，隔震建筑及室内设备、物品不损坏或轻微损坏
（不维修或简单维修即可使用），结构的性能目标大大提高，极大地提高了结构
的地震安全性。

2）从对使用功能影响看，传统抗震方案采用框架-抗震墙结构，需在结构周
边分散均匀布置剪力墙，影响房间的灵活布置，同时墙体比较厚，使用面积变小。

而隔震方案上部结构采用框架结构，填充墙可灵活布置，对使用功能无影响。

3）从工期角度看，建筑使用隔震技术，施工时增加了隔震层的施工，比常
规建筑增加了施工时间。

隔震支座在工厂提前制作，运至现场安装。

但采用隔震
技术后上部结构不需布置剪力墙，也不需采用钢板剪力墙，施工难度减小；构件
配筋减少，钢筋制作难度减小，制作人工减少。

根据隔震和非隔震建筑施工的经
验对比，总工期没有明显增加。

4）从后期维护检修角度看，传统抗震结构平时无需特别维护，隔震建筑需
要对隔震支座、隔震构造措施进行检查维护。

而当遭遇地震时，传统抗震结构地
震后需要加固维修甚至重建，而隔震结构不维修或简单维修即可使用，优势明显。

从上述分析可以看出，在高烈度区采用隔震结构具有明显优势。

5方案经济性对比
为对比传统抗震方案、隔震方案经济性，从短期经济效益和长期经济效益两
个方面分析。

5.1短期经济效益
根据上部结构材料工程量及隔震装置工程量，进行计算对比，对比情况如下：
工程量对比表5
钢筋/t HRB400E
钢板/t Q235B 隔震支座/套 LRB800-II LRB900-II LNR800-II 通过上述工程量对比可以看出，在高烈度区隔震方案与传统抗震方案相比，由于隔震方案降低了上部结构地震作用，在不考虑隔震层的情况下，上部结构梁板墙柱混凝土减少约23%，钢筋减少约26%。

但由于隔震方案增加了隔震支墩、隔震沟挡墙、隔震层底板等混凝土构件，总混凝土量基本持平，但钢筋总量减少约14%；同时隔震结构增加了隔震支座，减少了抗震结构采用的高强混凝土、钢板剪力墙，总体上看，隔震方案与传统抗震方案成本基本持平。

本工程中隔震层为地下一层附加层，同时楼层较少，造成增加混凝土总量减少不明显。

部分建筑单体对地下室有使用功能规划，如停车场、仓库等。

在此种情况下，混凝土总量及结构钢筋总量还将有较大幅度减少。

5.2长期经济效益
从长期角度分析，传统的建筑遭遇地震时，地震后建筑加固维修和重建的费用，以及室内设备、物品维修和更换的费用大，间接经济损失也是非常巨大的。

地震作用下，上部结构构件的地震作用减小，一些非结构构件或设备也可以减小破坏，避免或者大大降低了直接经济损失，从而有效地降低间接经济损失，隔震建筑具有传统抗震建筑无法比拟的长期经济效益。

综上所述，综合考虑当地政策、设计方案、施工工期、经济效益等因素，本工程最终选用隔震方案。

6结语
澜沧县第四民族中学教研图书楼的基础隔震设计在上部结构设计、隔震层布置以及时程分析等过程中严格遵守了有关规范规程的规定及建议，计算得到的减震系数小于规范所规定的最大值。

符合将上部结构中震降低1度，由9度设防降低为8度设防的要求，表明了隔震技术带来的良好隔震效果。

本文的经济性分析部分对隔震方案与传统方案的短期期经济效益及长期经济效益进行了对比，从而说明了 9度区隔震方案与传统方案相比，在经济效益和社会效益两方面都具有优越性。