学校综合楼音乐厅钟楼复杂结构隔振设计详解

1、学校综合楼 （音乐厅 钟楼 ）复杂结构隔振设计详解作者之一简介孙柏锋：高工，云南省设计院集团第一建筑设计研究院结构工作室主任。云南省土木建筑学会建筑结 构专业委员会委员、云南省土木建筑学会特种结构与结构加固专业委员会委员、云南省及昆明市震后房屋建筑应急评估专家队成员。专家导读邱明兵学校综合楼隔震 来自筑龙结构设计00:00 01:17前言隔震结构是指在建筑物基底或某个位置设置隔震装置， 把上下部分隔离，来消耗地震能量，避免或减少地震能量向 上部传输。 能有效地保障上部结构与内部人员、 设备的安全。随建筑造型各异及多样化的需要，结构体系越来越复杂，采 用隔震技术将建筑物与基础隔开，将减少地震对上

2、部结构的 影响，从而达到降低地震影响的目的。1、工程概况本文选取某学校综合楼，结构形式为钢筋混凝土框架结构，抗震设防烈度为8度（0.20g），设计地震分组为第三组，场地类别rn类，场地特征周期为0.65s,抗震设防 类别为重点设防类。主楼结构为 4 层，屋顶上部出屋面钟塔 为 6 层，主楼结构设置专门的隔震检修层即隔震层。其中 层四层层高均为 4.2m，隔震层层高1.2m。出屋面钟塔下部五层为4.46m，顶层层高为10.70m。效果图如图1所示， 剖面图如图 2。主楼结构框架柱尺寸700x700mm,600x600mm ，框架梁尺寸 500x800mm ，450x700mm ， 350x800

3、mm ， 350x700mm ，250x500mm,200x500mm ；出屋面钟塔框架柱尺寸箱形350x350x18x18 ，框架梁尺寸H500x200x10x14 。图 1 效果图图 2 剖面图2、隔震结构设计 2.1 隔震支座布置本工程共布置有 58 个隔 震支座，其中有铅芯 600mm 直径（ LRB600 ）12 个，有铅芯500mm 直径（LRB500 ） 30 个，无铅芯 700mm 直径（LNR700 ）4 个，无铅芯 600mm 直径（ LNR600 ）4 个，无铅芯 500mm直径（LNR500 ） 4个，均为叠层橡胶支座， 具体参数详表1 ,隔震前后的周期对比如表 2所示

4、。图 3 隔震支座布置、 编号及质心、刚心图 2.2 计算分析在永久荷载和可变荷载的组合F计算得到的橡胶支座压应力最大值为10.91MPa，位于F轴与6轴相交处的ZZ24支座，小于规范12MPa的要求1。考虑竖向地震作用和倾覆力矩对支座压应力的影响后，仍满 足要求；日本规范明确规定隔震层在两个主轴方向的偏心率 应小于 3%2。我国规范对隔震层偏心问题仅有定性的规定，并未对隔震层偏心率提出具体指标。随着隔震层质心与 其刚度中心距离变大，隔震支座位移将变大，上部结构扭转 效应也会变大，尤其是对于角部支座及上部结构角部的位移 和扭转效应可能会有较大影响。本工程设计时对隔震层偏心率进行了计算和控制，其

5、中X 向偏心率为 0.42%， Y 向偏心率为 0.89%，均小于 3% ，质心与刚心位置详图 3中所示；为保证抗风装置的有效性和隔震装置在多次地震作用下仍保持良好的复位性能，隔震层应具有足够的水平承载能力及弹性恢复力。风荷载作用下隔震层的水平剪力标准值X 向为537kN、丫向为533kN，小于重力荷载代表值 83220kN的10%。从表 3可以看出，隔震层水平承载力及弹性恢复力满足要求。2.2.1 时程曲线选取本工程分析时采用支座拉压刚度不等的模型。考虑到地震作用的随机性，为获得较合理的结果，本工程采用时程分析法进行隔震结构计算分析，并选取了5条实际强震记录和 2条人工模拟的加速度时程曲线，

6、 7条时程曲线满足建筑抗震设计的相关要求如特征周期、加速度峰 值、持时等。其中， 5 条实际强震记录分别为 ELCENTROLK0786 波，人工波、 LK0768 波， LK0776 波， LK0783 波，波根据本工程场地性质合成。图 4 给出了7 条时程曲线及平均值拟合反应谱与规范反应谱对比的结果。图 4 时程曲线拟合反应谱与规范反应谱对比2.2.2 多遇地震整体模型与拆分模型对比分析对带出屋面钟塔的结构，计 算分析时一般采取拆分模型即将出屋面钟塔、主楼结构分别 进行计算和设计。出屋面钟塔与直接作用于地面的钟塔的受 力性能，特别是抗震性能有很大的不同。由于钟塔置于主楼 结构屋顶后， 钟塔

7、与主楼结构在楼顶处刚度、 质量发生突变，产生较明显的鞭梢效应。较钟塔置于地面的地震作用，会有 所放大。由于模型处理不当，可能会出现安全问题，严重的 甚至需要对结构进行抗震加固。因此，本工程对比了整体模 型与拆分模型的计算分析，拆分模型包括钟塔置于地面模型 和主楼模型。主楼模型和整体模型均设置隔震支座，钟塔置 于地面模型柱底固接。计算结果选取各地震波平均值，输入 地震加速度的最大值取 70x1.25=87.5cm/s2。表 4 结果表明，设置隔震支座后主楼结构、出屋面钟塔结构的水平位移均显著减小。表4 中整体模型与主楼模型楼层位移角差异较大， 最大值出现在主楼顶层， X 向差值为 1 6.8%、

8、Y 向差值为 20.6% 。出屋面钟塔地面模型与整体模型楼层位 移角的比值最小为 0.41，塔顶最大为 3.27；。以上结果，如采用拆分模型分别进行设计，与整体模型相比会带来较大误 差。对于出屋面钟塔偏于保守不经济。对于主楼结构正好相 反，偏于不安全。 2.2.3 设防地震作用下减震系数分析隔震前 后水平地震作用的衡量是确定结构隔震性能的重要指标。在 设防地震作用下，隔震与非隔震结构各层层间剪力比值与倾覆力矩比值分别见图 5 图6图 7和图 8，从图中可以看出， x 0.317， X、 Y 向倾覆力矩最大比值为 0.303，根据建筑抗方向 y 方向比值较为均匀。X 、 Y 向层间剪力最大比值为

9、震设计规范(GB50011-2010)规定，【使用又土又木 APP,搜索“ 50011 ”，查看规范具体内容，扫描文底二维码即可】特色小计算功能,值得关注哦！ ）确定水平向减震系数为0.317。隔震层上部结构的水平地震作用影响系数最大值为 0.16 X 0.317/0.85 = 0.0597。综合考虑隔震后上部结构水平地震影响系数最大值取0.08。（图 5 图6图 7和图 8中层号栏对应关系如下： 1 隔震层,21 层，32层，43层54层， 6钢塔 1 层， 7钢塔 2层， 8钢塔 3层，9钢塔 4层，10钢塔 5层，11钢塔 6层）图5非隔震结构与隔震结构x 方向剪力对比图6非隔震结构与隔

10、震结构Y 方向剪力对比图7非隔震结构与隔震结构x 向倾覆力矩对比图8非隔震结构与隔震结构Y 方向倾覆力矩对比 2.2.4 罕遇地震下隔震分析在罕遇地震作用下, 各隔震支座 X 方向及 Y方向最大水平位移见图 9,图中X 向及 Y 方向各隔震支座位移较为接近，局部支座有一定差别，整体变形以平动为主； 其中支座最大位移为 26 0mm ，小于 0.55D 与 3Tr 的最小值275mm 要求。各隔震支座 X 方向及 Y 方向支座剪力见图 10，各隔震支座 X 向及 Y 方向剪力值非常接近。最大轴力设计 值用于进行支墩配筋验算，经计算满足规范规定。考虑水平 及竖向地震同时作用，隔震支座在罕遇地震下的

11、拉应力验算 见图11,最大拉应力为0.78MPa,小于现行抗震规范“拉应 力不应大于 1 MPa ”的限值 . ，在罕遇地震下出现拉应力的支 座有 6 个。支座短期应力统计的是整个时程分析过程中出现的应力最大值，其拉应力或压应力最大值不会同时出现在某时刻。当结构向上运动时，支座同时出现拉应力且达到最 大值的可能性很小。同理，当结构向下运动时，支座同时出 现压应力最大值的可能性也很小。因此能保证支座在罕遇地 震下的稳定性。9 X 方向与 Y 方向大震支座位移对比10 X 方向与 Y 方向大震支座剪力对比11 大震下支座正最大拉应力与负最大拉应力对比3、隔震结构对其它专业的构造要求为了使建筑物在地

12、震时能充分发挥隔震效果，楼、电梯等构件在隔震层位置应采取 相应的构造措施，既要保证上下安全连接，又不能阻碍整个 隔震层的有效变形，满足隔震设计要求：上部结构的周边设 置竖向隔离缝，缝宽取为 400mm3 。上部结构与下部结构之间，设置完全贯通的水平隔离缝，缝高取20mm，并用柔性材料填充。隔震沟与雨水沟分开，采用水平隔离缝或雨水 沟沟盖板斜口滑移做法与隔震支座构造处理。柔性连接管道 的水平变形长度应不小于 400mm 。管道距柱或墙距离小于400mm 时，刚性管道不得超过隔震层梁底。 柔性连接管道的材料可选择不锈钢或橡胶等。构造做法按图集建筑结构隔 震构造详图03G610-1进行设计。【使用又

13、土又木 APP,搜索“ 03G610”，查看规范具体内容，扫描文底二维码即可】本工程电气强、弱电电缆及导线穿越隔震层时，采用柔性电缆及柔性导线连接或其他有效措施适应隔震层在罕遇地震 作用下对水平位移的要求。柔性连接管道的水平变形长度应 不小于 400mm 。导雷体留出不小于 400mm 的多余长度。电 缆，导线和蛇形软管留出不小于 400mm 的多余长度。主筋 与预埋件焊接，预埋件与导雷体焊接。柔性连接管道的材料 可选择不锈钢或橡胶等。暖通供回水管道穿越隔震层时，应 采用柔性连接或其他有效措施适应隔震层在罕遇地震作用对水平位移的要求。防排烟风管穿越隔震层时应根据罕遇地震作用下水平位移的大小，采用耐火柔性连接，并挂在隔震层梁上， 且要求距离墙和柱的距离不小于400mm。燃气管道不宜穿过建筑物的隔震层