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陜西土木建筑網首頁 > 建筑論文 > 工程結構 > 高烈度地震區建筑隔震方法設計與分析實例

閱讀 4605 次高烈度地震區建筑隔震方法設計與分析實例

摘要：本文通過有限元分析軟件ETABS對其進行動力性能分析，對比了地震作用下隔震結構和非隔震結構的樓層平均剪力值、層間剪力比等，并研究了罕遇地震作用下隔震層支座位移及內力，得出與非隔震框架結構相比，底層隔震框架結構的周期延長，層剪力，位移，底層軸力均變小。說明采用隔震支座能有效地減小地震荷載對結構的不利影響，提高了結構的安全性。...

高烈度地震區建筑隔震方法設計與分析實例

張玲雷珂娜

柳州東方工程橡膠制品有限公司

陜西省建筑設計研究院有限責任公司

一、引言

1、隔震技術及其研究和應用成果介紹

我國地震頻繁，是地震大國也是震災大國，地震災害對建筑物造成的損害是巨大的，為此我國就城市建筑和抗震標準進行了嚴格規定，但經歷了汶川地震后，我們仍然看到大量建筑物倒塌以及各種程度的不可修復的損壞，特別是部分校舍的坍塌，值得我們深思。如何減輕地震災害，特別是一些特大、突發性強的地震帶來的不可預測的損失，對我們來說很重要。目前，部分發達地區和一些發達國家較為推廣的并且得到驗證的有效工程措施就是建筑結構的減隔震技術。因此，對高烈度地震區域的一些建筑結構僅僅局限于抗震設防是遠遠不夠的，進行有效地減隔震保護是非常迫切的。從各國家的建筑減隔震技術應用情況來看，高于抗震設防烈度8級（0.3g）的建筑采用隔震設計，除了改善高烈度區域建筑的整體抗震性能，還可以有效地降低建筑成本。

以某鋼筋混凝土框架結構為例，采用基層隔震技術，即在上部結構和基礎之間設置隔震層來降低傳入上部結構的地震力。

對該結構進行非線性時程有限元分析，優化該建筑隔震支座的設計參數和布置，同時檢驗該建筑在地震作用下能否滿足預期的功能要求，從理論上對該建筑的減隔震效果進行研究。

二、工程簡介

1 、工程介紹

該建筑為7層框架結構，底層層高為4.2m，頂層樓梯間層高為4.5m，其余層層高均為3.9m，總高度為28.15 m，高寬比為2，建筑平面長度較大。采用鋼筋混凝土框架結構，設計使用年限為50年，丙類建筑。該建筑場地地震基本烈度為8度、設計基本地震加速度值為0.30g，設計地震分組為第二組，場地類別Ⅱ類；基本風壓按50年一遇的基本風壓采用，取ω=0.40 kN/m2 。地面粗糙度B類。

本項目隔震設計方案采用基礎隔震，支座采用有效直徑為600mm、700mm的橡膠隔震支座（其中JZY為無鉛型建筑隔震橡膠支座，JZY1Q為鉛芯型建筑隔震橡膠支座）。支座布置圖如圖1所示，支座均為橡膠隔震支座。

圖1 隔震橡膠支座的平面布置圖

2、有限元計算模型

采用有限元程序ETABS對該建筑結構進行模型建立和動力分析，模型中梁、柱采用桿單元模擬，樓板采用膜單元模擬，材料選混凝土C30，建筑結構抗震設計基礎采用6個方向支點約束；建筑結構隔震設計基層支座采用塑性連接單元Isolator1來模擬，其在ETABS程序中需要定義彈性剛度、屈服后剛度比和屈服荷載。采用空間桿單元模擬梁，考慮翼緣作用影響，樓面梁剛度增大系數取1.3~2.0。該結構有限元計算模型簡圖如圖2所示。

圖2 結構有限元計算模型圖

3、模態分析

利用Ritz向量法分別對隔震結構和抗震結構進行動力分析，分別求出前20階的陣型和周期，抗震結構第一扭轉周期與第一平動周期之比為0.88，抗震性能良好；比較前三階周期如表1所示，多遇地震下隔震結構周期是抗震結構周期的3倍多，有效避開地震地面運動的主要攜能頻帶范圍，隔震層在罕遇地震時，變形增大，剛度減小，基本周期將進一步延長，減少傳入上部結構的地震響應，達到很好的隔震效果。

表1 結構周期對比表

振型	抗震周期/（s）	隔震周期/（s）	周期放大倍數
1	0.98	3.00	3.07
2	0.92	2.97	3.21
3	0.87	2.70	3.10

三、分析用地震波

在進行該建筑的地震時程響應計算時，我國《建筑抗震設計規范》（GB50011－2010）規定，應采用多條地震波進行計算分析，在時程分析時地震波的選取必須按照場地類別和設計地震分組選用不少于三組的強震記錄，當取七組及七組以上的時程曲線輸入時，計算結構可取時程法的平均值。該結構選取7條地震波進行時程分析。分別是5條天然波：Elcentro波、EUR波、Northbrige波、SAN波和Taft波，兩條人工波：RGB1波和RGB2波。在彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結構底部剪力均超過振型分解反應譜法計算結果的65%，結構底部剪力的平均值均達到振型分解反應譜法計算結果的80%以上。

四、時程分析結果

1、多遇地震下的結果分析

結構輸入抗震設防烈度8度，設計基本地震加速度地震波，時程分析結果得出抗震結構和隔震結構的地震響應，比較抗震結構和隔震結構的樓層剪力平均值（如表2所示），和層間剪力比值（如表3所示），從各層剪力比值可以看出，水平地震影響系數最大值為0.33。由《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）12.2.5條中公式可計算出隔震后結構計算結構地震作用時的地震影響系數最大值為0.096，根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）12.2.7條可得出采用隔震技術后上部結構的構造措施可降一度設防烈度進行設。

表2 結構層間剪力平均值/（KN）

樓層	抗震各層剪力/（kN）		隔震各層剪力/（kN）
樓層	X向平均值	Y向平均值	X向平均值	Y向平均值
8	549	416	128	123
7	8224	7858	1744	2003
6	12650	11665	2597	2976
5	15495	14087	3275	3519
4	17934	16771	3979	3973
3	20511	19400	4558	4441
2	22394	21413	5137	5032
1	22475	22001	7141	7137

表3 層間剪力比

樓層	X向平均值	Y向平均值	MAX值
8	0.22	0.29	0.29
7	0.21	0.24	0.24
6	0.20	0.25	0.25
5	0.22	0.25	0.25
4	0.24	0.24	0.24
3	0.24	0.24	0.24
2	0.24	0.24	0.24
1	0.33	0.33	0.33

2、隔震設計安全性評估

在罕遇地震作用下，隔震層層位移量，如圖表4所示。

按照隔震支座的極限水平變位應小于其有效直徑的0.55倍和各橡膠層總厚度3倍二者的較小值進行驗算，罕遇地震作用時隔震層最大層間位移285mm<330mm，可以滿足隔震支座高度在罕遇地震作用下的可靠性和穩定性。罕遇地震作用下，對隔震結構下部結構進行分析，隔震支座節點編號如圖1所示，計算各種工況下最大軸力值（如表5所示）和最小軸力值（如表6所示）。

表4支座位移響應/（mm）

地震波	X向位移/ （mm）		Y向位移/ （mm）
地震波	最大	最小	最大	最小
EL	191	-278	194	-262
EUR	220	-145	208	-138
NOR	243	-193	233	-201
RGB1	492	-288	491	-337
RGB2	526	-324	520	-376
SAN	170	-281	178	-275
TAFT	149	-168	142	-161
平均值	285	-160	281	-250

表5支座軸力極大值/（kN）

MAX	標準組合
支座編號	軸壓力/(kN)	支座編號	軸壓力/(kN)
45	-5603	13	-5150
30	-3712	14	-5275
29	-3929	18	-5212
28	-4116	19	-5084
27	-3998	20	-5084
26	-4155	21	-4941
25	-3991	15	-4709
24	-4023	16	-4780
23	-3760	17	-4683
43	-4316	42	-7539
44	-3804	32	-5445
31	-3554	34	-6726
22	-3995	39	-6715
11	-4763	40	-6623
12	-5051	41	-6391

隔震支座在罕遇地震作用下支座壓應力滿足隔震設計要求。

通過對隔震支座軸向力進行組合，驗算隔震支座是否出現拉力情況，滿足《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）隔震支座在罕遇地震作用下支座拉應力小于1MPa的要求。

表6支座極小值/（kN）

MAX	標準組合
支座編號	軸壓比	支座編號	軸壓比
45	-2516	13	-746
30	-1353	14	-870
29	-1645	18	-1009
28	-1668	19	-941
27	-1775	20	-747
26	-1752	21	-396
25	-1807	15	-838
24	-1722	16	-885
23	-1747	17	-903
43	-440	42	-510
44	-826	32	2
31	-1557	34	-755
22	-1930	39	-919
11	-314	40	-998
12	-513	41	-1043

隔震支座在罕遇地震作用下支座拉應力小于1MPa，滿足隔震設計要求。

五、結論

1、通過模態分析可得出，隔震結構相比較于抗震結構周期大大增加，周期越大，結構的基本周期越好地規避建筑場地的卓越周期，減弱地震對結構的動力響應。

（2）通過依次對抗震結構和隔震結構依次輸入x，y方向的7條地震波進行地震反應分析，得到多遇地震作用下的各層剪力比，隔震結構各樓層間剪力比抗震結構各樓層剪力均減小，橡膠支座隔震結構能較好地降低結構水平地震反應，減小了地震對結構的動力響應。

（3）隔震建筑隔震層以上的結構在8度（0.3g）設計地震作用下各樓層地震剪力，均小于未隔震結構在8度（0.3g）設計地震作用下樓層地震剪力的0.33倍。根據《建筑抗震設計規范》GB50011-2010的規定，本工程隔震層以上結構的水平向地震影響系數取為0.096，即隔震層以上結構可降低1度進行抗震設防。

（4）結果給出隔震支座在罕遇地震作用下隔震層最大位移285mm，小于隔震支座的極限水平變位330mm 。隔震設防可以滿足隔震支座在罕遇地震作用下的可靠性和穩定性。

（5）隔震支座豎向承載力和受拉情況均滿足規范要求。

(本文來源：陜西省土木建筑學會文徑網絡設計項目投資中心：劉紅娟尹維維編輯劉真文徑審核)