處于發(fā)震斷層10km以內(nèi)的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)隔震分析

1、 處于發(fā)震斷層10km以內(nèi)的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)隔震分析 【摘要】對某框架剪力墻醫(yī)院采用隔震技術(shù)進行計算分析。該建筑位于發(fā)震斷層10km以內(nèi)，設(shè)防烈度9度。計算分析表明，隔震后水平地震影響系數(shù)由原來的0.395降到了0.22，有效減小了上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用，為類似工程提供了一定的參考作用?！娟P(guān)鍵詞】框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；發(fā)震斷層；隔震；非線性時程分析。1 工程概況1.1 基本信息本工程位于四川省某州，抗震設(shè)防烈度9度，設(shè)計基本地震加速度峰值為0.4g，設(shè)計地震分組第三組，ii類場地， 場地特征周期0.45s。采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)形式，地上為6層，地下1層。建筑結(jié)構(gòu)高度23.08m，寬47.9m，高寬

2、比0.48。屬于重點設(shè)防類，乙類建筑。1.2基本設(shè)計指標(biāo)抗震設(shè)防烈度9度；設(shè)計地震分組第三組； 場地類別ii類； 場地特征周期：小震和中震取0.45s，罕遇地震取0.5s。 本工程設(shè)計基準(zhǔn)期為50年，根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范gb50011-2010，地震參數(shù)按9度取值：地震烈度50年設(shè)計基準(zhǔn)期超越概率場地特征周期tg方向加速度峰值(gal)水平地震影響 系數(shù)最大值max多遇地震63%0.45s水平1580.395豎向102.70.257設(shè)防烈度10%0.45s水平4000.90豎向2600.59罕遇地震2%0.50s水平6201.4豎向4030.91根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范gb50011-2010第1

3、2.2.2條第2款，當(dāng)處于發(fā)震斷層10km以內(nèi)時，輸入地震波應(yīng)考慮近場系數(shù)影響，5km以內(nèi)宜取1.5。本項目地塊處于5km以內(nèi)，因此，水平向地震動參數(shù)需考慮近場影響系數(shù)1.5。根據(jù)某公司出具的某州中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院整體搬遷項目工程場地地震安全性評價報告，本工程多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值取max=0.395，加速度峰值為158cm/s2。多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值：0.2961.50.395/0.80=0.219 取值0.22（隔震后）設(shè)防地震水平地震影響系數(shù)最大值：0.91.5=1.35；設(shè)防地震時程分析加速度幅值：4001.5=600cm/s2；罕遇地震水平地震影響系數(shù)最大值：1.4

4、1.5=2.10；罕遇地震時程分析加速度幅值：6201.5=930cm/s2；上部結(jié)構(gòu)設(shè)計時與豎向相關(guān)的抗震措施不降低。隔震性能目標(biāo)：罕遇地震下支座拉應(yīng)力不大于1mpa，支座壓應(yīng)力不大于30mpa，長期荷載下的支座壓應(yīng)力不大于12mpa。1.3 構(gòu)件的基本計算信息構(gòu)件配筋計算抗震等級軸壓比原結(jié)構(gòu)隔震后結(jié)構(gòu)原結(jié)構(gòu)隔震后結(jié)構(gòu)墻max=1.50.395=0.5925max=：0.2961.50.395/0.80=0.219取值0.22特一級一級0.40梁特一級一級支墩9度（0.4g）下大震抗剪， 中震抗彎0.65基礎(chǔ)9度（0.4g）9度（0.4g）2. yjk模型建立本工程使用大型有限元軟件etab

5、s建立隔震與非隔震結(jié)構(gòu)模型，并進行計算與分析。etabs軟件具有方便靈活的建模功能和強大的線性和非線性動力分析功能，其中連接單元能夠準(zhǔn)確模擬橡膠隔震支座。本結(jié)構(gòu)模型依據(jù)pkpm建模得到。三維模型如圖1。圖13 地震動輸入建筑抗震設(shè)計規(guī)范（gb50011-2010，以下簡稱抗規(guī)）5.1.2條規(guī)定：采用時程分析法時，應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程，其中實際強震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3，多組時程的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符。彈性時程分析時，每條時程計算的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜計算結(jié)果的65%

6、，多條時程計算的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%。地震波的特性包括三要素：振幅地震波峰值；頻譜特性譜形狀、峰值、卓越周期等因素；持時地震波能量。振幅選擇，加速度峰值與設(shè)防烈度對應(yīng)；頻譜特性，考慮場地“卓越周期”和“震中距”；持時，包含峰值、彈性、彈塑性一般為t的510倍。本工程地震波采用三向波輸入，選取了實際5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程，226、649、acc3、acc9、451、ren11、ren4共7組三向地震波。其中ren1、ren4為人工波，226、649、acc3、acc9、451為天然波。各地震波包括水平向地震波：xx-1（主向波）、xx-2（次

7、向波）和xx-3（豎向地震波）。時程曲線示例如圖2所示，基底剪力對比結(jié)果如表4所示。表4 非隔震結(jié)構(gòu)基底剪力（小震下選波對比）工況反應(yīng)譜226649acc3acc9451ren11ren4時程平均剪力（kn）x87214.2573386.9785024.1878967.9673856.9962286.3577884.5562286.2373384.75y81636.6063172.9364911.0075881.5472705.4058459.2267814.1952404.7565049.86比例（%）x100849710887791057184y100778012011277936480時

8、程簡稱時程全稱多遇地震采用地震加速度最大值(cm/s)設(shè)防地震采用地震加速度最大值(cm/s)罕遇地震采用地震加速度最大值(cm/s)采集間隔布點數(shù)量ren4ren4-1500-0.021584006200.021500ren11ren11-1501-0.021584006200.021501226t2267-15751-0.0041584006200.00415751649t649-3000-0.021584006200.023000acc9acc9-3001-0.011584006200.013001acc3acc3-2001-0.021584006200.0220014510.451-2

9、001-0.021584006200.022001圖2.1 ren11-1主向波 圖2.2 ren11-2次向波 圖2.3 ren11-3豎向地震波4 隔震支座布置本工程采用的橡膠隔震支座，在選擇其直徑、個數(shù)和平面布置時，主要考慮了以下因素：（1）根據(jù)抗規(guī)12.2.3條，同一隔震層內(nèi)各個橡膠隔震支座的豎向壓應(yīng)力宜均勻，豎向平均應(yīng)力不應(yīng)超過乙類建筑的限值12mpa。（2）在罕遇地震作用下，隔震支座不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)少數(shù)隔震支座出現(xiàn)拉應(yīng)力時，其拉應(yīng)力不應(yīng)大于1mpa。（3）在罕遇地震作用下,隔震支座在罕遇地震下的水平位移應(yīng)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。本工程共使用了6

10、0個隔震支座，平面布置見圖（lrb表示鉛芯隔震支座；lnr表示天然橡膠隔震支座）。5 隔震層偏心率隔震層偏心率是隔震結(jié)構(gòu)計算的重要指標(biāo)，結(jié)構(gòu)的質(zhì)心坐標(biāo)、剛心坐標(biāo)、偏心率等值見表8。偏心率小于3，結(jié)構(gòu)的偏心影響很小，避免了扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，符合規(guī)范。全局坐標(biāo)重心剛心偏心距扭轉(zhuǎn)剛度回轉(zhuǎn)半徑偏心率(%)x27.5327.900.61127416.3125.661.42y29.0128.400.3625.662.38注：x向為結(jié)構(gòu)的橫向，y向為結(jié)構(gòu)的縱向6 設(shè)防地震（中震）分析8.1 隔震與非隔震周期對比：設(shè)防地震（中震）作用下，隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)的周期對比見表10，疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程規(guī)定：隔震房屋兩

11、個方向的基本周期相差不宜超過較小值的30%。隔震前前三階周期分別為0.737s、0.675s、0.654s，采用隔震技術(shù)后前三階周期分別為2.606s、2.594s、2.385s，結(jié)構(gòu)的周期明顯延長，前兩階周期差值0.46% ，滿足相關(guān)規(guī)定要求。5.1 求取減震系數(shù)8.2 減震系數(shù)求取中震下減震系數(shù)計算時，分別對非隔震模型及隔震模型輸入單向地震波（加速度幅值：4001.5=600），進行時程分析，其中，非隔震模型進行線性時程分析，對隔震模型進行非線性時程分析，進行層剪力進行對比得到減震系數(shù)，用于判斷地震作用及構(gòu)造措施降低的標(biāo)準(zhǔn)。由非隔震與隔震結(jié)構(gòu)層間剪力及層間剪力比（包絡(luò)取值）得到隔震結(jié)構(gòu)的水

12、平向減震系數(shù)為0.296，根據(jù)抗規(guī)第12.2.5條，確定隔震后水平地震影響系數(shù)最大值max1max/=0.296*0.395/0.85=0.1376，還需考慮1.5倍近場地震影響系數(shù)，所以上部結(jié)構(gòu)計算所采用的水平地震影響系數(shù)最大值max=0.1376*1.5=0.206，實際取值0.22。7 罕遇地震（大震）分析罕遇地震下分析計算采用7組地震波進行三向輸入非線性時程分析。其中，“x主向，y次向”代表地震波輸入時三向加速度幅值比值為x:y:z=1:0.85:0.65，“y主向，x次向”代表地震波輸入時三向加速度幅值比值為x:y:z=0.85:1.0:0.65，并考慮近場系數(shù)1.5。罕遇地震下隔震

13、層計算采用的荷載組合： 1.0恒荷載0.5活荷載1.0水平地震；其荷載組合為： 1.0d+0.5l+1.0fek。根據(jù) 建筑抗震設(shè)計規(guī)范12.2.9條規(guī)定：隔震層的支墩、支柱及相連構(gòu)件，滿足罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和力矩的承載力要求；隔震層以下的地下室，滿足嵌固剛度比和隔震后設(shè)防地震的抗震承載力要求，并滿足罕遇地震下的抗剪承載力要求。罕遇地震下驗算隔震層的位移，同時得到軸力、剪力用于支墩設(shè)計。建筑抗震設(shè)計規(guī)范12.2.4條規(guī)定：隔震橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時作用下，拉應(yīng)力不應(yīng)大于1.0mpa。建筑抗震設(shè)計規(guī)范12.2.3條條文說明規(guī)定：在罕遇地震作用下支座需滿足豎向壓

14、應(yīng)力不大于30mpa。隔震層在罕遇地震下最大位移為590.7mm，小于0.55d=605mm（d為最小隔震支座直徑，本工程采用隔震支座最小直徑為1100mm）及3tr=612mm（tr為最小隔震支座的橡膠層總厚度為204mm），滿足要求。8罕遇地震下隔震層各支座最大拉應(yīng)力建筑抗震設(shè)計規(guī)范12.2.4條規(guī)定：隔震橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時作用下，拉應(yīng)力不應(yīng)大于1.0mpa。隔震支座拉應(yīng)力驗算采用的荷載組合為：1.0恒荷載+0.5活荷載+1.0水平地震-0.5豎向地震、1.0恒荷載+0.5活荷載+0.5水平地震-1.0豎向地震，豎向地震本工程取0.4倍重力荷載代表值，其荷載組合為：0.

15、8d+0.4l+1.0fek、0.6d+0.3l+0.5fek。經(jīng)計算分析得到罕遇地震下各隔震支座在兩種荷載組合下承受的最大拉應(yīng)力。拉應(yīng)力大于1mpa的有3個，分別是1.76mpa（支座1）、1.25mpa（支座15）、1.22mpa（支座60）。為滿足隔震支座拉應(yīng)力的規(guī)范限值要求，拉應(yīng)力大于1mpa的3個隔震支座額外采用雙向活動支座抗拉裝置（型號：klqz-9000-sx，抗拉力1200kn）?？估b置采用十字交叉梁之間接觸受力，其剛度主要來源于交叉梁抗彎剛度串聯(lián)形成，由于在隔震層產(chǎn)生水平位移的過程中，接觸點不同，交叉梁的抗彎剛度亦不相同，串聯(lián)形成的彈簧剛度呈時變狀態(tài)，因此為簡化計算，根據(jù)接

16、觸點不同，確定交叉梁變形最大和最小狀態(tài)時的剛度，取其均值參與計算分析，采用鉤單元（hook單元）進行模擬，抗拉裝置設(shè)計參數(shù)：計算剛度取1200kn/mm，初始間隙為10mm。9 罕遇地震下隔震層各支座最大壓應(yīng)力建筑抗震設(shè)計規(guī)范12.2.3條條文說明指出：在罕遇地震作用下支座需滿足豎向壓應(yīng)力不大于30mpa。隔震支座壓應(yīng)力驗算采用的荷載組合為：1.0恒荷載+0.5活荷載+1.0水平地震+0.5豎向地震、1.0恒荷載+0.5活荷載+0.5水平地震+1.0豎向地震，豎向地震本工程取0.4倍重力荷載代表值，其荷載組合為：1.2d+0.6l+1.0fek、1.4d+0.7l+0.5fek。經(jīng)計算分析罕遇

17、地震下各隔震支座在兩種荷載組合下承受的最大壓應(yīng)力均小于30mpa限值。10 地下室計算、基礎(chǔ)的受力計算及構(gòu)造措施地下室按照隔震結(jié)構(gòu)大震下軸力和隔震支座位移產(chǎn)生的柱頂彎矩、大震隔震支座剪力、軸力計算。按照恒荷載分別單向正（負(fù)）輸入pkpm模型中進行整體“靜力”計算（恒荷載組合系數(shù)及分項系數(shù)均改為1.0，兩個方向分別計算取包絡(luò)。依據(jù)規(guī)范建筑抗震設(shè)計規(guī)范（gb 50011-2010）12.2.9條和疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程(cecs 126:2001) 4.5.1條規(guī)定，隔震層以下結(jié)構(gòu)（包括支墩，柱，墻體，地下室等）的地震作用和抗震驗算，應(yīng)按罕遇地震作用下隔震支座底部的水平剪力、豎向力及其偏心距進行

18、驗算；隔震建筑地基基礎(chǔ)的抗震驗算和地基處理仍應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度進行。隔震構(gòu)造措施的具體做法參考圖集變形縫建筑構(gòu)造（14j936 ）和建筑結(jié)構(gòu)隔震構(gòu)造詳圖（03sg610-1）。11結(jié)論1. 抗震設(shè)防烈度9度，設(shè)計基本地震加速度峰值為0.4g，設(shè)計地震分組第三組，ii類場地， 場地特征周期0.45s。采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)形式，地上為6層，地下1層。乙類建筑，使用隔震技術(shù)。隔震后水平地震影響系數(shù)最大值max1max/=0.296*0.395/0.85=0.1376，還需考慮1.5倍近場地震影響系數(shù)，所以上部結(jié)構(gòu)計算所采用的水平地震影響系數(shù)最大值max=0.1376*1.5=0.206，取值0.22。長期荷載下支座面壓7.63mpa12mpa，滿足要求。隔震支座瞬時最大拉應(yīng)力為0.82mpa1mpa，瞬時壓應(yīng)力最大值15.62mpa30mpa，滿足規(guī)范要求。本工程隔震層在大震下的最大水平位移為590.7mm，小于0.55d=605mm及3tr=612mm，滿足要求。構(gòu)造要求：隔震層最大水平位移590.7mm，故豎向隔震縫設(shè)為600mm。