某装配式隔震框架办公楼抗震性能研究

王亮， 张天经， 李鹏飞， 赵航， 李运刚

（1.信阳市装配式建筑重点实验室，河南 信阳 464000；2.信阳学院土木工程学院，河南 信阳 464000；3.天津市农村社会事业发展服务中心，天津 300384；4.信阳市建筑勘察设计研究院有限公司，河南 信阳 464000）

0 引言

随着我国大力推广应用装配式建筑，建筑工业化、模块化生产得到有力发展。然而我国较多城市处于8度以上设防烈度区，严峻的地震设计环境为装配式结构体系推广应用带来了挑战[1]。众多研究表明，装配式框架结构梁柱节点力学性能较现浇结构明显降低，地震作用下节点区域易出现塑性变形，影响建筑功能使用和结构安全[2,3]。基础隔震技术将隔震装置设置在上部结构与基础之间，能够延长结构振动周期以降低上部结构地震响应[4]。王维等[5]对预制混凝土剪力墙结构进行隔震设计并采用振动试验验证，得到隔震后层加速度、剪力显著减小的结论；黄敦坚等[6]针对模块化结构进行层间隔震设计流程和设计参数分析，发现隔震层位移上移对隔震效果有削弱现象；曾雪涵等[7]对多层装配式框架基础隔震结构地震响应进行了分析，得出隔震能够使上部结构保持在弹性范围内的结论；何斌[8]对多种结构方案进行了隔震性能比选，优化了隔震层位置造型；刘辉龙等[9]基于有限元分析了低层装配式民居的抗震性能，指出门窗墙体削弱处在地震下易损伤的特点。研究结合某五层装配式框架办公楼，基于刚度、强度折减原理建立有限元分析模型，对罕遇地震作用下结构的抗震响应进行分析。结果表明，装配式框架结构抗震能力弱于现浇结构，隔震后结构层加速度、层剪力均明显降低，水平位移主要集中在隔震层，基础隔震装配式结构具备较好抗震效果。

1 工程概况

某装配式框架办公楼共5层，层高均为3.3m。抗震设防烈度为8度（设防地震0.2g，罕遇地震0.4g），设计地震分组为第II组，场地类别III类，场地特征周期0.55s。结构长30m、宽12m，预制柱为650mm×650mm，预制梁300mm×700mm，板厚120mm，恒载3.5kN/m2，活载2.0kN/m2。计算模型如图1所示，文献[10]研究成果，装配式结构刚度折减系数取0.8、强度折减系数取0.9。

图1 有限元分析模型

选用EL-centro（EL）、Bigbear（BIG）、人工波（REN）3条地震动进行设防烈度下时程分析，由图2反应谱对比曲线可见3条波高频段包络反应谱,满足抗震规范选波要求。

图2 地震反应谱对比

2 隔震方案设计

隔震支座设置在原结构柱底，铅芯橡胶支座（LRB）布置在角柱、边柱下以提高抗扭和耗能能力，橡胶支座（NRB）布置在内柱底以充分变形和提供恢复力。支座布设方案见图3、支座类型与支座力学参数见表1。

图3 水平隔震支座布置

表1 水平隔震支座力学参数

3 抗震性能分析

为便于抗震性能对比分析，利用SAP2000有限元分析软件建立现浇框架结构（RC），装配式框架结构（PRC），隔震装配式框架结构（IS0PRC）三类结构模型，分别对模态、加速度、层剪力、层位移、顶层谱响应进行对比研究。

3.1 模态分析

表2为3类结构在罕遇地震下模态信息表，由表可得PRC结构较RC结构周期稍有延长，表明其抗侧刚度弱于现浇结构。ISOPRC结构周期较RC、PRC结构均有明显延长，能够避开场地特征周期。

表2 模态信息

3.2 抗震效果分析

图4为3条地震波罕遇地震（0.4g）作用下的X向层加速度峰值包络图，结果显示PRC结构层加速度与RC结构加速度相比稍有降低，但ISOPRC结构层加速度明显小于另两类结构。ISOPRC结构隔震层的设置，使输入到上部的加速度减小至1/3，表明隔震有效降低上部加速度响应，降低装配式节点塑性变形出现概率。

图4 X向层加速度峰值

图5为3条地震波罕遇地震作用下的X向楼层位移峰值曲线随高度变化，结果显示RC、PRC结构层位移峰值随高度增加呈放大趋势，而ISOPRC结构水平变形则集中在隔震层内，上部结构接近平动，有效避免装配式节点因层内相对位移而发生转动破坏，这与图4表述现象相符。ISOPRC结构隔震层位移平均达145mm，需在房屋周边设置足够防撞间隙。

图5 X向层位移峰值对比

图6结果显示，PRC结构与RC结构顶层加速度谱值、卓越周期几乎保持一致，而ISOPRC结构反应谱峰值明显降低，且峰值周期由低周段向高周段移动。0.4g输入下ISOPRC结构低周段谱曲线均包络在RC、PRC谱内，表明隔震方案对上部结构的减震效果显著。但在长周期段，ISOPRC结构谱明显高于RC、PRC结构，表明隔震结构长周期段加速度响应有放大现象。

图6 X向层剪力峰值对比

图7为EL波罕遇地震下X向底层加速度时程曲线对比，结果显示ISOPRC结构底层加速度时程包络在RC、PRC时程内，PRC结构底层加速度时程与RC结构时程基本一致。

图7 底层加速度时程曲线

图8可知，地震作用下LRB支座滞回环饱满，形状保持稳定。表明ISOPRC结构中隔震层铅芯能够提供初始启动力，并且耗能能力稳定，可以有效减小上部装配式框架体系的变形耗能，使结构保有充足的安全裕度。

图8 LRB支座滞回曲线

4 结语

研究结合某5层装配式框架隔震办公楼，基于力学性能折减原理建立有限元分析模型，对罕遇地震下结构的抗震响应进行分析，得到如下结论：

（1） 设置隔震层的装配式框架结构，其自振周期较装配式框架结构、现浇结构体系有显著延长，能够避开场地特征周期。

（2） 地震动时程罕遇地震作用下，设置隔震层装配式框架结构水平位移主要集中在隔震层内，上部结构保持平动，其层加速度较装配式结构、现浇结构减小，通过隔震层输入到上部结构的加速度仅为未隔震的1/3。

（3） 顶层加速度反应谱曲线对比发现，设置隔震层的装配式框架结构在低周段内其谱包络在现浇、装配式结构顶层反应谱内，且谱卓越周期由低周区向高周区移动；地震动作用下，隔震装置滞回曲线饱满、出力良好，起到较好的耗能作用。隔震技术应用于装配式框架结构能够起到提升其抗震能力的效果。