某多层框架结构隔震分析

某多层框架结构隔震分析

伍彦坤

单位名称：中交第四航务工程勘察设计院有限公司

单位省市：广东省广州市

单位邮编：510000

摘要：地震的发生难以预测，一旦发生会严重威胁人类生命及财产安全。传统抗震设计理论的核心是延性设计。在罕遇地震下，建筑结构可以通过自身的塑性变形以及延性变形削弱地震作用，以此降低建筑结构的损坏程度。地震作用下，虽然结构骨架并没有遭到毁灭性破坏，但是产生了严重变形，内部损毁严重，且后期修复成本巨大。隔震技术的诞生正是为了解决这个问题。隔震技术是指在基础和上部结构之间合理地设置隔震支座来延长结构的自振周期，增大阻尼，使结构变得更“柔”，以此削减地震作用对结构的影响。该技术能大大减小构件断面尺寸，降低含钢量，达到使用方便、经济合理的目的，且使结构的抗震性能得到提高，达到预期的隔震目标。

关键词：多层框架；结构隔震；分析

随着我国社会与国民经济快速发展，基础设施建设达到高潮期，建筑结构大致呈现出几个特点，建筑大规模、大面积、大数量、结构长大化、高耸化，以及复杂化。现在面临一个问题，多数大中型城市的复杂建筑还未经受大地震考验，且我国是一个地震频发国，基础设施建设有很多紧靠或跨越地震断层，仍有大量不满足抗震要求的老旧建筑。在以往地震灾害中，布置隔震装置后的建筑结构，往往发生破坏的概率比较低，即更为安全可靠，隔震效果明显，具有良好的隔绝地震优势。

1工程概况

某工程为多层框架结构，结构共6层，一层地下室。建筑总高度为22.95m(不包括底层基础埋置深度)，工程设计为8度抗震设防，二级框架，Ⅳ类场地，设计地震分组第一组，设计基本地震加速度值0.20g，执行GB50011—2010建筑抗震设计规范，反应谱特征周期0.65s。通过建筑设计可能性及性价比分析，该工程拟采用隔震技术，期望通过采用隔震措施，降低房屋的地震反应力。

2地震波选取

根据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）（以下简称《抗规》）5.1.2条规定，分析时应选取2种波，本次分析选取了2条人工波和5条天然波。7条时程反应谱和规范反应谱曲线如图1所示。

图1 时程反应谱与规范反应谱曲线

3支座布置

采取基础隔震方法，将地下室作为隔震层，考虑到近场放大效应，从经济性，合理性，可行性等三方面考虑，经反复试算，采用铅芯橡胶支座LRB1000，LRB900和天然橡胶支座LNR900共３种类型支座，其支座布置图如图２所示。其中，在布置主要遵循以下原则：

①《抗规》规定，在重力荷载代表值下的隔震垫子压应力值宜均匀，且不应超过乙类建筑的限值12Mpa。

②罕遇状态下，隔震垫子不宜出现受拉状态，不可避免时，应验算其拉应力，使其小于限值1.0Mpa，从而控制隔震支座不会因受拉而破坏。

③在罕遇状态下，隔震支座的水平位移不宜过大而超过限值，限值取min（0.55D，３Tr），D：最小隔震垫子，Tr：橡胶层总厚度）。

图２支座平面布置图

４隔震分析

①隔震支座最大剪力Vmax和最大轴力Nmax计算。Vmax和Nmax的计算采用的荷载组合如下：1.2×（1.0×恒荷载+0.5×活荷载）+1.3×水平地震荷载+0.5×竖向地震荷载；即1.2（1.0D+0.5L）+1.3Fek+0.5×0.2（1.0D+0.5L）=1.30D+0.65L+1.30Fek（D为恒荷载；L为活荷载；Fek为水平地震荷载）。由此得到罕遇地震下每个支座的Vmax和Nmax。

②隔震层水平位移计算。罕遇地震下隔震层水平位移最大值Dmax计算采用如下荷载效应组合：1.0×恒荷载+0.5×活荷载+1.0×水平地震荷载，其荷载组合：1.0D+0.5L+1.0Fek。由此得到Dmax。Dmax=263mm，隔震支座直径为600mm，其0.55倍为330mm。隔震支座厚度的最小值为112mm，其3倍为336mm。Dmax的值既小于330mm，又小于336mm，满足要求。

③隔震支座应力验算。根据《抗规》12.2.4条规定：罕遇地震震下，受到的拉应力须小于或等于1.0MPa。在产生水平向剪切变形后，要求支座的竖向压应力不大于30MPa，以保证其在较大变形的情况下仍具有足够承载力，确保结构整体安全性（《抗规》12.2.3、12.2.4条文说明）。采用如下荷载效应组合：1.0×恒荷载±1.0×水平地震荷载-0.5×竖向地震荷载，其荷载组合：1.0D±1.0-0.5×0.2×(1.0D+0.5L)=0.90D-0.05L±1.00Fek，隔震支座在罕遇地震荷载下压应力验算采用的荷载组合：1.0×恒荷载±0.5活荷载+1.0×水平地震作用+0.5×竖向地震荷载，其荷载组合为：1.0D+0.5L+1.0+0.5×0.2×(1.0D+0.5L)=1.10D+0.55L+1.00，计算得到大震下每个支座所受到的拉应力和压应力的最大值。在罕遇地震作用下，当荷载组合为0.90D-0.05L+1.00Fek和0.90D-0.05L-1.00Fek时，各个支座均未出现受拉状态，即没出现零应力区，满足要求。

5针对性抗震设计

①计算上部结构时，按8度取抗震等级，抗震设防烈度8度，地震影响系数按降1度取值，取7度：即多遇地震下的αmax值取0.08，用于12层以下规则混凝土框架结构薄弱层验算的地震影响系数最大值取0.5；隔震支座只隔水平地震作用，对竖向地震不起作用，竖向地震荷载仍按8度取值，故竖向地震组合值系数需要修改放大。

②上部结构整体计算时，第一计算层（隔震层）的层高取1.1m，且柱底设置为铰接。

③计算基础时，地震影响系数最大值取0.16，用于12层以下规则混凝土框架结构薄弱层验算的地震影响系数最大值取0.9，1层层高取1.8~2m，按照实际隔震层的层高取值。柱底铰接删除。

④为减小对主体结构抗侧力时的不利影响，板式楼梯的梯板下端均按滑动支座处理。剪强度的在大剪跨比情况下，展现出显著的非线性变化趋势。当纵筋配筋率ρ≤1.0%时，随纵筋配筋率的增大，承载力增长趋势尤为突出，大部分数据结果点落在规范计算值之下；当纵筋配筋率1.0%＜ρ≤2.0%时，增长趋势逐渐变缓，但仍有一些数据点落在规范计算值之下；当纵筋配筋率ρ＞2.0%时，增长趋势趋于平缓，绝大部分数据点试验实测结果大于计算公式预测值。

图3集中荷载下无腹筋简支梁抗剪强度实测值与我国《规范》预测值对比

结语：

为多层框架结构的隔震提供一些经验性的指导。通过算例可得：①采用隔震技术后，隔震支座延长放大结构基本周期，有效避开地震波中高频部分，削弱、隔绝地震作用，从而降低结构响应。同时减小了构件截面，增大建筑使用空间，节约工程总造价。②隔震装置通过变形耗散地震能量，隔离地震传递，上部主体结构处于弹性工作状态，运动以平动为主。

参考文献：

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[2]狄谨.无腹钢筋混凝土梁的抗剪承载力[J].长安大学学报(自然科学版),2004,24(5):43-47.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范:GB50010—2010[S].2015年版.北京:中国建筑工业出版社,2015.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范:GB50011—2010[S].2016年版.北京:中国建筑工业出版社,2016.

[5]李立峰,徐开铎,胡思聪,等.考虑多参数耦合的无腹筋梁抗剪承载力分析[J].建筑结构,2019,49(6):86-91.