基础隔震在框架结构设计中的应用

邝钟月

(中国轻工业成都设计工程有限公司，四川成都610015)

近几年随着地震活动的频繁增加，对建筑物结构的抗震性要求也越来越高，尤其在高烈度地区，建筑物采用隔震、减震消能的技术也日趋频繁。基础隔震是通过在基础结构和上部结构之间设置隔震层，使上部结构与地震动的水平成分绝缘。隔震层中设置隔震支座和阻尼器等隔震装置，其中隔震支座能够安定持续地支承建筑物重量、追随建筑物的水平变形，并且具有适当弹性恢复力，而阻尼器能够用于吸收地震，输入能量。因此遭受罕见大地震时，作用到上部结构的水平力比非隔震建筑要小很多，很容易对上部结构进行弹性设计。所以即使遭受罕遇大地震，隔震结构也能维持上部结构的功能，确保建筑物内部财产不遭受损失，保障生命安全。

1 工程应用实例

1.1 工程概况

本工程为川烟公司西昌分厂整体技术改造项目经营业务用房。地下半层隔震检修层，地上7层，建筑物高度(室外地面至主要屋面板的板顶)为27.150 m。设计标高±0.000相当于绝对标高(黄海高程)1 509.40 m。本工程位于四川省凉山州西昌市原西昌卷烟厂内，建筑面积11 113.94 m2。建筑抗震设防类别为丙类(标准设防类)，建筑结构安全等级为二级，所在地区的抗震设防烈度为9度，设计基本地震加速度0.40 g，设计地震分组为第二组；场地类别为Ⅲ类；特征周期Tg=0.55 s，隔震层以上的上部结构经隔震调整后用于结构抗震验算的抗震烈度为8度，地震加速度0.20 g；建筑结构的阻尼比取0.05；框架抗震等级为一级。

1.2 ETABS模型建立以及准确性校核

本工程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软件具有方便较灵活的建模功能和强大的线型和非线性动力分析功能，使用连接单元“Isolator1”准确模拟橡胶隔震支座，本结构模型依据PKPM建模得到。ETABS模型如图1所示。

图1 结构有限元模型示意

表1 非隔震结构质量对比 t

由表1可知，两软件模型的质量非常接近。

表2 非隔震结构周期对比(前三阶) s

由表2可知，两软件模型的前三阶模态的自振周期也非常接近。

表3 非隔震结构地震剪力对比 kN

由表3可知，除顶层外，两软件模型的各层剪力也较为接近。

由表1、表2和表3可知，ETABS模型与SATWE模型的结构质量、周期差异很小。各层间剪力除顶层外，差异也很小。综上所述，用于本工程隔震分析计算的ETABS模型与PKPM模型是一致的。

1.3 隔震支座性能参数

《建筑抗震设计规范》(GB 50011、以下简称《抗规》)12.2.4条，对多遇地震分析，采用隔震支座剪切变形为100 %的等效水平刚度和等效粘滞阻尼比；对罕遇地震验算，直径小于600 mm的隔震支座采用隔震支座剪切变形250 %时的等效水平动刚度和等效粘滞阻尼比，直径不小于600 mm的隔震支座采用隔震支座剪切变形为100 %时的等效水平动刚度和等效粘滞阻尼比。支座参数性能见表4。本结构为标准设防类，隔震支座的竖向承载力按照15 MPa计算得到。

表4 隔震支座力学性能参数

1.4 隔震支座布置

参照《叠层橡胶支座隔震技术规程》和《抗规》等资料，确定出每个支座的直径。隔震支座中心应尽量与上支墩(柱)截面中心重合；隔震支座顶、底面标高的确定原则：不同规格的隔震支座其底面都设计在同一标高上，或者顶面都设计在同一标高。隔震支座布置在梁底。

该工程拟在地下半层设置隔震支座，本工程共使用LRB600(有铅芯600直径)、LRB500(有铅芯500直径)和LNR500(无铅芯500直径)的数量分别为35、50和24个。

1.5 隔震分析计算结果

1.5.1 多遇地震

根据计算结果和《抗规》第12.2.5条，确定减震系数可以取为0.38。根据层间位移角的分析结果可知，在多遇地震作用下，层间弹性位移角限值可按现行国家标准《抗规》的规定执行，钢筋混凝土框架弹性层间位移角限值1/550=0.001 8，钢结构弹性层间位移角限值1/300=0.003 3。满足规范要求。

1.5.2 罕遇地震

在罕遇地震作用下，上部结构的层间弹塑性位移角限值可按现行国家标准《抗规》规定值的1/2采用，钢筋混凝土框架、钢结构弹塑性层间位移角限值1/2×1/50=0.01。满足规范要求。

在罕遇地震作用下，隔震层的水平向最大平均位移为259 mm<275 mm，即最小直径(500 mm)支座的最大允许变形。最小支座直径选取满足结构在罕遇地震作用下的水平变形要求，满足规范要求。

隔震层橡胶支座在罕遇地震作用下，一层以下隔震支座未出现拉应力，楼顶支座出现很小的拉力，满足隔震支座不宜出现拉应力，若出现拉应力应小于1.2 MPa的规范要求。

1.6 抗风验算

风荷载作用下隔震层的水平剪力标准值：

Vwk=1 390 kN

抗风装置的水平承载力设计值：

VRw=VRw=50×44+35×64=4 440 kN

1.4Vwk≤VRw

满足规范要求。

2 结论及建议

(1)小震(多遇地震)下，根据隔震和非隔震结构的层剪力比，水平向减震系数取0.38，综合考虑，上部结构水平地震作用可以按照抗震设防烈度8度(0.2g)进行计算。由于所使用的橡胶隔震支座仅对水平地震作用有效，竖向地震作用应满足《抗规》的相关规定。

(2)罕遇地震下，隔震支座最大水平位移(四条时程平均值)为266 mm，因此，要求各种类型支座的设计位移大于275。

(3)隔震层以下结构(包括地下室)的地震作用和抗震验算，应采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力、力矩和支座最大位移进行计算。

(4)隔震结构设计过程中，应注意细部构造处理，必须保证地震作用下，整栋建筑可以顺畅移动，以确保隔震性能的发挥。

(5)上部结构的首层楼面宜采用现浇钢筋混凝土楼板，楼板厚度不宜小于140 mm。当采用装配整体式钢筋混凝土楼板时，现浇面层厚度不直小于50 mm，且应双向配筋，钢筋直径不宜小于6 mm，间距不宜大于250 mm。隔震支座上部的纵横梁应采用现浇钢筋混凝土结构。首层楼面梁板体系的刚度和承载力宜大于一般楼面的钢度和承载力。

(6)隔震层上部的钢筋混凝土结构的抗震等级应符合《抗规》中的隔震后现浇钢筋混凝图结构的抗震等级的要求。

(7)为了使隔震支座完全发挥效用，需保证上部结构能够无障碍的发生35 cm的平动。因此，施工中主要注意事项：不应阻碍隔震层自由平动，要留出35 cm的隔震缝;连接上下部结构的各种管道在穿过隔震层时需要采用柔性连接;建筑物外围四周35 cm范围内不应有任何高度超过隔震层的物体，以保证地震时隔震层的水平位移不受限制。隔震支座顶面标高位于地平面以下，则需要挖掘隔震沟，

(8)沟宽不小于35 cm，并做好排水。

[1] 方同，薛璞. 振动理论及应用[M]. 西安:西北工业大学出版社，2002:302-305

[2] 刘伟庆，薛彦涛. 钢筋混凝土结构抗震加固技术的研究[J]. 工程抗震，1996，(3)

[3] GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S]

[4] 陈旻. 建筑结构隔震技术研究[J].山西建筑,2009，(7)

[5] 王成. 隔震结构应用设计与研究[J].工程建设与设计,2003，(8)

[6] 倪国葳，赵亚敏，苏幼坡. 框架隔震建筑设计方法及应用[J].世界地震工程，2005，21(4):113-118

[7] 日本建筑学会.隔震结构设计[M].北京:地震出版社,2006

[8] 党育,杜永峰,李慧.基础隔震结构设计及施工指南[M].北京:中国水利水电出版社,2007

[9] 田其丰.框架结构橡胶垫基础隔震系统研究[D].西北工业大学，2004