銘嘉設計-唐山市某小區(qū)隔震設計分析

唐山市某小區(qū)隔震設計分析項目概況本項目位于河北省唐山市路南區(qū)。建筑設計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級；抗震設防類別為標準設防類，抗震設防烈度為8度（0.3g），設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅲ類，特征周期0.55s；地面粗糙度類別為B類，基本風壓為0.4KN/m2。其中1#~10#住宅均為18層，建筑高度在52.7m~53.8m之間，高寬比在4.6~5之間，結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)。圖1項目鳥瞰圖結(jié)構(gòu)方案比選根據(jù)《唐山市某小區(qū)工程場地地震安全性評價報告》，本項目位于陡河地震斷裂西北方向直接距離約400米，距唐山斷裂4.4公里，抗震設防烈度為8度（0.3g），場地類別為Ⅲ類。方案一：經(jīng)過試算，按照傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)設計方案剪力墻內(nèi)外墻厚度在400mm左右，且配筋困難，嚴重影響建筑使用功能，造成戶內(nèi)使用面積縮水影響后期銷售及使用；方案二：采用減震技術(shù)，連梁剪切型等位移型阻尼器所提供的附加阻尼比太小無法達到減震效果。同時因建筑方案的限制，戶內(nèi)沒有合適位置放置液體黏滯型阻尼器，故減震技術(shù)在本項目中不能滿足要求。方案三：隔震設計，通過試算，在滿足建筑使用功能同時保持較為經(jīng)濟的墻肢厚度并維持原建筑高度，最終確定采用隔震設計。本文以1#樓為主要對象進行分析，其他棟號與之類似。隔震原理與隔震系統(tǒng)3.1隔震原理隔震結(jié)構(gòu)作為一種有效的被動控制方式，通過調(diào)整原有結(jié)構(gòu)體系的自振周期，使其遠離地震的地面運動的卓越周期，從而顯著地降低結(jié)構(gòu)地震響應。國內(nèi)外已進行了大量研究，并在實際工程中得到廣泛應用。隔震系統(tǒng)因水平剛度較小，可延長上部結(jié)構(gòu)周期至2s~3s以上，使建筑物因地震產(chǎn)生的加速度響應大大減小，隔震系統(tǒng)同時也能利用隔震支座的非線性變形吸收地震能量以及附加粘滯阻尼器的耗能，提高系統(tǒng)的阻尼比，因此可降低地震對建筑物的作用力。圖3.1給出了隔震結(jié)構(gòu)的反應譜原理。圖3.1隔震結(jié)構(gòu)的反應譜原理從圖中可以看出，根據(jù)反應譜理論：延長結(jié)構(gòu)周期→降低加速度響應→降低地震剪力→結(jié)構(gòu)減少受力。雖然延長結(jié)構(gòu)周期后，結(jié)構(gòu)的位移響應會增加，但隔震支座可以通過提高系統(tǒng)的阻尼比來抑制隔震結(jié)構(gòu)的位移響應。隔震結(jié)構(gòu)設計時以柔性隔震支座來隔絕地震力的輸入路徑，從而大大減少結(jié)構(gòu)承受的地震力，使其在強震中得以安全無恙。隔震結(jié)構(gòu)的上部振動反應會接近剛體運動，結(jié)構(gòu)層間位移角很小，避免了結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能和功能完整性。3.2隔震系統(tǒng)常見的隔震系統(tǒng)包括橡膠支座隔震系統(tǒng)、滑移支座隔震系統(tǒng)、彈簧隔震系統(tǒng)和擺動隔震系統(tǒng)，以及近年發(fā)展的混合控制隔震系統(tǒng)等。這些隔震系統(tǒng)除用于建筑、橋梁的抗震設計和加固維修以外，還用于核電站、工業(yè)設備等的抗震設計。隔震橡膠支座，又稱夾層橡膠隔震墊或疊層橡膠隔震墊，由多層橡膠和多層鋼板交替疊置結(jié)合而成，是一種豎向承載力高、水平剛度較小、水平側(cè)移容許值較大的裝置，它既能減小水平地震作用，又能承載豎向地震作用，適用于房屋、橋梁、鐵路、設備等隔震裝置中，是目前世界上應用最多的隔震器。本工程隔震設計中選用的隔震裝置為鉛芯橡膠支座（以下簡稱LRB）和疊層橡膠支座（以下簡稱LNR）。圖2.2,2.3分別為鉛芯橡膠支座和疊層橡膠支座的示意圖。圖2.2鉛芯橡膠支座（LRB）組成示意圖圖2.3疊層橡膠支座（LNR）組成示意圖鉛芯橡膠支座為非線性單元，為了簡化分析，其滯回力學模型可采用雙線性模型，圖2.4給出了鉛芯橡膠支座的滯回力學模型。圖2.4鉛芯隔震支座雙線性模型總體上，隔震橡膠隔震支座具有以下特點：具有足夠的豎向剛度和豎向承載力；隔震效果明顯、穩(wěn)定，具有小的水平剛度，保證建筑物基本周期延長至2~3s或3s以上；具有恰當?shù)淖枘岜?，能有效地吸收地震能量，減少上部結(jié)構(gòu)的地震反應；具有穩(wěn)定的彈性復位功能，能在多次地震中自動復位；構(gòu)造簡單，安裝檢測修復方便。隔震計算分析結(jié)果4.1計算模型本項目隔震設計采用傳統(tǒng)分離式設計方法，即將整個隔震結(jié)構(gòu)設計分為四部分：上部結(jié)構(gòu)設計、隔震層設計、下部結(jié)構(gòu)設計和基礎設計。隔震層設置于地下室頂部，隔震層高度為2.25m，轉(zhuǎn)換梁高度為1.2m。上部結(jié)構(gòu)設計采用PKPM軟件，采用考慮扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)的振型分解反應譜法進行計算；隔震分析采用ETABS軟件，使用ETABS中連接單元“RubberIsolator”模擬含鉛芯橡膠隔震支座。圖3.1PKPM模型圖3.2ETABS模型首先校核ETABS模型的準確性，將EATBS和PKPMSATWE非隔震模型計算得到的質(zhì)量、周期和層間剪力（振型分解反應譜法）進行對比，誤差均小于5%。結(jié)果表明，用于本工程隔震分析計算的ETABS模型與PKPM模型是一致的。4.2隔震層支座布置及性能參數(shù)采用橡膠隔震支座，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．同一隔震層內(nèi)，各個橡膠隔震支座的豎向壓應力宜均勻，在重力荷載代表值作用下豎向壓應力不應超過丙類建筑的限值15MPa。2．在罕遇地震作用下，隔震支座不宜出現(xiàn)拉應力，當少數(shù)隔震支座出現(xiàn)拉應力時，其拉應力不應大于1MPa；壓應力不超過30MPa。3．隔震支座的罕遇地震作用下的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。4．鉛芯隔震支座盡可能布置在周邊。經(jīng)過計算，本工程共采用51個建筑隔震橡膠支座，支座型號及性能參數(shù)見表3.1。表3.1有鉛芯隔震支座力學性能參數(shù)類別符號單位LRB800LRB1000隔震墊有效直徑Dmm8001000剪切模量GMPa0.3920.392等效阻尼比100%ζ%2222中孔直徑Mm160200第一形狀系數(shù)S1S1/≥15≥15第二形狀系數(shù)S2S2/≥5≥5豎向壓力極限值kN753911780豎向剛度KvkN/mm47345650等效水平剛度(設計剪應變)KeqkN/mm2.58(100%)2.56(100%)屈服后剛度KdkN/mm1.501.71屈服力QdkN160182支座總高度mm330290圖3.3隔震層支墩布置4.3地震波的選用《建筑抗震設計規(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，應按建筑場地類別和設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)曲線應與振型分解反應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)底部剪力不應小于振型分解反應譜計算結(jié)果的65%，多條時程計算的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法計算結(jié)果的80%。同時根據(jù)《河北省房屋建筑和市政基礎設施工程施工圖設計文件審查要點》（2017年版）19.2.2條規(guī)定：地震波的反應譜特性宜同時符合隔震和非隔震結(jié)構(gòu)。本工程選取了實際5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程，7條時程曲線如圖5所示，7條時程反應譜和規(guī)范反應譜對比曲線如圖6所示，基底剪力對比結(jié)果如表2.3所示。的樓層剪力、傾覆力矩比值，確定水平向減震系數(shù)最大值為0.28。4.5罕遇地震下支座分析根據(jù)《抗規(guī)》要求，隔震支座還需進行罕遇地震下的分析：1.隔震支座水平位移限制驗算；2.罕遇地震作用下隔震支座拉應力驗算；3.罕遇地震作用下隔震支座壓應力驗算；4.隔震房屋抗傾覆驗算；5.隔震結(jié)構(gòu)剪重比等一系列驗算。限于篇幅限制，本文此處不做贅述。專家論證本項目所有棟號高寬比均超過4，根據(jù)《抗規(guī)》12.1.3條要求：高寬比大于4或非隔震結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)定的結(jié)構(gòu)采用隔震設計時，需進行專門研究。故我公司協(xié)助甲方邀請5位行業(yè)內(nèi)專家對本項目進行論證，專家們一致認為此隔震設計方案是可行、合理的，此項目順利通過論證。結(jié)論在高烈度區(qū)尤其是8度（0.3g），場地類別為Ⅲ類，高層剪力墻結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)抗震設計很難滿足高層住宅建筑的使用功能。采用隔震設計能有效降低上部結(jié)構(gòu)的地震作用，隔震墊能有效地耗散地震能量，上部結(jié)構(gòu)幾乎平動。經(jīng)合理設計，極大的降低工程造價，同時增加了建筑有效使用面積，滿足住戶的使用要求。隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)相比，還具有以下優(yōu)點：提高了地震時結(jié)構(gòu)的安全性；上部結(jié)構(gòu)設計更加靈活，抗震措施簡單明了；防止內(nèi)部物品的振動、移動等，減小次生災害；震后修復小