【摘 要】本文介绍某学校框架结构的基础隔震分析与设计。通过对非隔震框架结构和隔震框架结构固有特性的分析比较，得出隔震支座能够延长建筑结构的周期。采用7条时程波对框架结构进行中震下的时程分析，隔震结构的动力响应比非隔震结构大幅度降低，说明在地震作用下，隔震支座形成了良好的耗能机制，可以消耗相当一部分的水平地震作用，使主体结构承受的水平地震力显著降低，提高了整体结构的抗震性能。对隔震结构进行罕遇地震时程分析，并对隔震支座进行罕遇地震作用下的验算和隔震支座支敦进行罕遇地震设计。
【关键词】框架结构；隔震；时程分析
【中图分类号】TU352 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2017）06-0054-04
引言
隔震设计指在房屋基础、底部或下部结构与上部结构之间设置由橡胶隔震支座和阻尼装置等部件组成具有整体复位功能的隔震层，以延长整个结构的自振周期，减少输入上部结构的水平地震作用，达到预期防震要求。
隔震技术被美国地震专家称之为“40年来世界地震工程最重要的成果之一。”汶川地震后，国家对这方面的应用越来越重视，本文通过对云南省某框架结构进行隔震设计，为此项技术的推广做些参考。
1.工程概况
该建筑为云南某小学的一栋教学楼，为四层框架结构，建筑总高15.9m，在-1.0m处设置隔震层。本工程抗震设防烈度8度，地震基本加速度0.20g，设计地震分组为第三组，场地类别Ⅱ类，抗震设防分类为重点设防类。建筑的结构平面布置图见图1。
图1 结构平面布置图
本工程隔震目标为隔震后结构的水平地震作用按降低一度考虑，即上部结构设计时，采用隔震技术后上部结构水平地震作用按7.0度（0.10g）计算，框架抗震等级按二级。因隔震技术只能隔水平地震作用，不能隔离竖向地震作用，所以跟竖向地震有关的指标的抗震等级按一级取用，轴压比按≤0.65控制。
2.隔震支座布置
在选择隔震直径、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》GB50011-2010（以下简称《抗规》）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，竖向平均应力不应超过乙类建筑的限值12Mpa。
（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。
（3）在罕遇地震作用下，隔震支座的水平位移限值不应超过其有效直径的0.55倍和各橡胶层总厚度3倍二者的较小值。
根据框架柱在恒载和活载作用下的轴力标准值、结构抗风设计、扭转变形和水平位移的要求，确定采用直径为400mm~600mm的铅芯橡胶隔震支座（LRB），每个柱下一个支座，共布置了25个隔震支座。其中，LRB400支座14个、LRB500 支座8个、LRB600支座3个，隔震支座的产品参数见表1。铅芯橡胶隔震支座平面布置见图2。
4.地震分析
本工程使用大型有限元软件ETABS对各区单体分别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。
4.1 选波
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条时程曲线如图3所示，基底剪力对比结果如表3所示。
弹性时程分析时结果表明，每条时程计算的结构底部剪力不小于振型分解反应谱计算结果的65%，多条时程计算的结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，满足《抗规》要求。
《抗规》规定：输入的地震加速度时程曲线的有效持续时间，一般从首次达到该时程曲线最大峰值的10%那一刻算起，到最后一点达到最大峰值的10%为止；无论是实际的强震记录还是人工模拟波形，有效持续时间一般为结构基本周期的（5~10）倍，具体情况见表4。
因此，本文选的7条时程波满足《抗规》对地震波要求。
4.2 设防地震分析
7条地震波作用下隔震结构和非隔震结构楼层的层间剪力如图4所示。从图中可以看出，设置隔震支座后，楼层层间剪力大幅度降低，说明隔震支座形成了良好的耗能机制，在地震作用下，隔震支座消耗了相当一部分的水平地震作用，使主体结构承受的水平地震力显著降低，从而提高了整体结构的抗震性能。
由表7和表8分析得到隔震层以上的结构在隔震前后结构层间剪力比值的平均值最大值为0.272，根据《抗规》第12.2.5条，确定隔震后水平地震影响系数最大值αmax1＝βαmax/ψ=0.272*0.16/0.8=0.054，其中ψ为橡胶支座的调整系数。
4.3 罕遇地震分析
根据《抗规》12.2.9条规定：隔震层的支墩、支柱及相连构件，满足罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩的承载力要求；隔震层以下的地下室，满足嵌固刚度比和隔震后设防地震的抗震承载力要求，并满足罕遇地震下的抗剪承载力要求。对结构进行罕遇地震下的时程分析，验算隔震层罕遇地震下的位移，同时得到轴力、剪力用于支墩设计。竖向地震力取0.2倍的重力荷载代表值。
（1）隔震支座最大剪力、最大轴力计算
罕遇地震下隔震支座最大剪力和最大轴力计算采用的荷载组合：1.2（1.0×恒荷载＋0.5×活荷载）＋1.3×水平地震＋0.5×竖向地震；其荷载组合为：1.2(1.0D+0.5L)+1.3EhR+0.5×0.2(1.0D+0.5L)=1.30D+0.65L+1.30EvR。罕遇地震下各个支座最大剪力和最大轴力如表9所示。
（2）隔震层水平位移计算
罕遇地震下隔震层水平位移计算采用的荷载组合：1.0×恒荷载＋0.5×活荷载＋1.0×水平地震，得到罕遇地震下各个支座最大水平位移183mm，小于0.55D=220mm（D为最小隔震支座直径，采用隔震支座最小直径为400mm）及3Tr≥219mm（Tr为最小隔震支座的橡胶层总厚度）中的较小值，满足《抗规》要求。
（3） 隔震支座应力验算
隔震支座拉应力验算采用的荷载组合： 1.0×恒荷载±1.0×水平地震-0.5×竖向地震，隔震支座在罕遇地震作用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+0.5×竖向地震。罕遇地震下各个支座承受的最大拉应力和压应力，详见表10。由表10可知，在罕遇地震作用下，当荷载组合为 0.90D-0.05L+1.00EhR时，最大拉应力为0.40Mpa，小于1.0MPa；荷载组合为0.90D-0.05L-1.00EhR时，最大拉应力为0.43MPa，小于1.0MPa。罕遇地震下，隔震支座拉应力满足规范要求。
（4）隔震支座支墩设计
《抗规》12.2.9条规定：与隔震层连接的下部构件（如地下室、支座下的墩柱等）的地震作用和抗震验算，应采用罕遇地震下隔震支座的竖向力、水平力和力矩进行计算。图5中，P为在罕遇地震时设计组合工况下产生的轴向力；Vx和Vy为罕遇地震时设计组合工况下产生的X和Y向水平剪力。Ux 、Uy为罕遇地震作用下隔震支座产生的水平位移；hb为隔震支座高度，H为隔震支墩的高度。则隔震支座下支墩顶部产生的弯矩：Mx=P×Ux+Vx×hb，My=P×Uy+Vy×hb，用于支座连接件的承载力设计；隔震支座下支墩底部产生的弯矩：Mx=P×Ux+Vx×（H+hb），My=P×Uy+Vy×（H+hb），结合前面直接求得的轴力N、剪力Vx、剪力Vy，可以进行下支墩的设计。上支墩的设计内力计算方法与下支墩类似。
图5 隔震支座下墩柱示意图
5.隔震层抗风承载力验算
根据《抗规》12.1.3条，采用隔震的结构风荷载的产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%，本结构总重力35080kN。
隔震层必须具备足够的屈服前刚度和屈服承载力，以满足风荷载和微振动的要求。《叠层橡胶支座隔震技术规程》（CECS126:2001）4.3.4条规定，抗风装置应按下式进行验算：
，其中本工程取值892KN。分析表明，计算满足要求。
式中：——抗风装置的水平承载力设计值。当不单独设抗风装置时，取隔震支座的屈服荷载设计值；——风荷载分项系数，取1.4；——风荷载作用下隔震层的水平剪力标准值。
6.结论
本文采用ETABS程序对隔震结构进行中震和罕遇地震的弹性时程分析，且进行了罕遇地震下隔震支座的验算。通过本文的分析研究得出以下结论：
（1）抗震结构与隔震结构最大水平向减震系数为0.272，计算出隔震后结构在多遇地震作用时，地震影响系数最大值为0.054，因此上部结构可按7度0.1g进行设计。
（2）采用隔震技术后，结构周期明显加长。隔震结构第一阶和第二阶振动均为平动，且前两阶周期接近，第一阶扭转周期与第一阶平动周期比值最大为0.85，表明结构具有合理的侧向刚度及较大的抗扭刚度。
（3）设防地震下的弹性时程分析表明，在地震作用下，隔震支座形成了良好的耗能机制，在承担结构上部荷载的同时，消耗了相当一部分的水平地震作用，使主体结构承受的水平地震力显著降低，提高了整体结构的抗震性能。
参考文献
[1]GB50011-2010，建筑抗震设计规范.
[2]CECS 126:2001，叠层橡胶支座隔震技术规程.
论文作者:沈土富
论文发表刊物:《建筑知识》2017年6期
论文发表时间:2017/6/16
标签：支座论文; 结构论文; 荷载论文; 水平论文; 剪力论文; 应力论文; 组合论文; 《建筑知识》2017年6期论文;