石嘴山人防指挥大楼隔震设计

石嘴山人防指挥大楼隔震设计

1建筑平面布置该项目是石口山市一栋亲水指挥楼的建设。结构分主楼和裙房两个部分,主楼地上7层,局部8层,无地下室,裙房地上3层,主楼和裙房之间由防震缝分割开。主楼纵向长60.0m,横向宽17.4m,总高度24.0m。主楼建筑平面布置如图1所示,剖面如图2所示。石嘴山市抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.20g,设计地震第一组(表示未来震源的远近),建筑场地土为Ⅱ类。石嘴山市位于地震高烈度区,按照传统抗震设计方法和建筑功能的特殊要求,采用框架结构。该工程在满足《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)(以下简称为“规范”)要求的前提下,结构主要构件的截面尺寸将会很大,如柱截面最大尺寸达到800mm×800mm,且柱的配筋率很高。这样,带来工程造价大幅度提高,建筑使用功能受到限制;为了防止建筑物在可能发生的大震中,由于地震能量将主要通过结构构件的弹塑性变形耗散而导致结构损坏严重,因此,在该工程中采用隔震设计是非常必要的。2隔震技术的应用隔震技术是在建筑物底部与基础之间设置橡胶隔震支座,以阻隔地震能量向上部结构传递。即在房屋底部设置由叠层橡胶支座和阻尼器等部件组成隔震层,以增加结构的自振周期,增大阻尼,以减少输入上部结构的地震能量,达到预期防震要求。该方法不但能保护建筑物还能保护建筑物内重要的设备免遭强震冲击破坏。其抗震设计的对象也由整体结构转化到隔震装置,大大简化了结构的设计与施工,降低投资,具有广阔的前景。隔震技术比较适用于多层建筑或刚度较大的建筑物。本工程中采用隔震技术,由于该建筑属于中高层建筑,因此,首先必须采取措施保证其在地震中橡胶隔震支座不出现或出现很小的拉应力;同时,为了保证其隔震效果,应适当提高上部结构的刚度。该工程体型规则,高宽比小于2,经过多次调整做到了隔震支座基本上不出现拉应力。采用隔震技术后,上部结构的水平向减震系数预期将达到0.5,即上部结构可降低1.0度设计。这样,在大幅度提高结构抗震安全性的同时,减小上部结构的混凝土和钢筋用量,可获得较好的经济效益。综合多方面的因素,采用隔震技术进行结构减震设计是可行的。3结构隔震分析3.1隔震支柱参数设计本工程隔震层布置在基础顶面和±0.000楼面之间,由橡胶隔震支座、粘滞阻尼器组成;在基础顶面与地上一层柱的柱底之间布置了44只橡胶隔震支座,沿结构的两个主轴方向共设置4只非线性粘滞阻尼器,如图3所示。隔震支座形心与基础截面形心、上柱截面形心重合,不同型号的隔震支座顶标高相同,根据隔震支座外形尺寸推算隔震支座底面标高。假设上部结构水平向减震系数为0.5,并考虑竖向地震作用效应,隔震支座的压力设计值由永久荷载+可变荷载+竖向地震作用计算求得。其中竖向地震作用标准值FEvk=0.2G,G为隔震层以上结构的总重力荷载代表值,求得各柱底轴力,初步设置隔震支座的规格。其中GZY500V4A22个,GZY600V4A22个。根据厂家产品性能参数,选定各隔震支座的设计参数如表1所示(表中r为隔震支座的剪应变)。3.2隔震层间剪力及最大层间位移隔震分析的计算简图如图4所示。图中:G2,G3…G9分别为上部各质点(楼层)重力荷载代表值;K2,K3…K9分别为上部各楼层水平刚度;K1为隔震层水平刚度;G1为隔震层重力荷载代表值;üg为水平地震加速度;FEvk为竖向总地震作用的标准值;ζ为上部结构的阻尼比,取0.05。本文采用结构隔震与非隔震各楼层最大层间剪力对比来确定隔震层以上结构的水平向减震系数,层间剪力采用时程分析结果,选择了2条天然波和1条人工波:天然波选择EICeniro波、Taft波,人工波则根据场地地震地质环境评价报告提供的地震动参数生成了符合“规范”要求的地震波。用三条波作用下各自最大值的平均值作为时程分析的代表值。为验证时程分析所选地震波的合理性,本文首先分别采用SAP2000(时程分析法)和SATWE(振型分解反应谱法)计算出非隔震结构在8度多遇地震(amax=110galamax为地面运动最大加速度)作用下的最大层间剪力,列于表2。从中可以看出,每条地震波时程分析计算所得的结构层间剪力均不小于反应谱法计算结果的65%,3条地震波时程分析计算所得的结构层间剪力平均值不小于反应谱法计算结果的90%,说明本工程所选择的地震波符合“规范”要求,计算结果是可信的。在Ⅱ类场地上一般将隔震结构自振周期控制在2～4s。经软件计算该结构设置隔震装置后基本周期由原来的0.587s延长至2.879s。这样可以有效减小上部结构地震力和地震加速度,可达到预期隔震效果。表3列出了隔震结构与非隔震结构在8度多遇地震作用下的最大层间剪力。从中可以看出,在8度多遇地震作用下,隔震与非隔震两种情况下各层层间剪力的最大比值为0.34,根据“规范”规定,隔震层以上结构的水平向减震系数可取为0.50。表4列出了隔震层隔震结构在8度罕遇地震作用下的最大层间位移。从表中可以看出,隔震层在8度罕遇地震作用下的最大位移为180.32mm。本工程采用的最小隔震支座直径为500mm,其水平位移限值为275mm,符合“规范”要求,而且具有较高的安全储备。为了检验隔震支座在罕遇地震作用下是否存在轴向拉力,本工程还对隔震层中最边缘位置的部分支座进行了拉力校核见表5。隔震支座在3条地震波作用下可能产生的最大轴向拉力值,均小于其由于重力荷载代表值所引起的轴向压力值,因此,隔震支座在罕遇地震作用下均处于受压的状态,不会产生拉力,满足“规范”要求。本工程在隔震层共设置了4只粘滞阻尼器,以增大上部结构的减震效果、降低隔震层的位移、提高结构的安全性。前述分析表明,按照本文的隔震方案,隔震与非隔震两种情况下各层层间剪力的最大比值为0.34,隔震层在8度罕遇地震作用下的最大位移为180.32mm。若取消粘滞阻尼器,将可能导致以下两种结果:①若保持减震效果不变,隔震层在罕遇地震作用下的最大位移将达到245mm;②若保持隔震层在8度罕遇地震作用下的最大位移不变,则上部结构各层层间剪力的最大比值将达到0.372。由此可见粘滞阻尼器对隔震结构减震效果和安全性的贡献程度。4设置叠层橡胶隔震装置本文对石嘴山市一拟建办公楼采用隔震技术设计,进行了整体结构的非线性时程分析,得出如下几点主要结论:①隔震与非隔震两种情况下各层层间剪力的最大比值为0.34,根据“规范”规定,隔震层以上结构的水平向减震系数可取为0.50;罕遇地震作用下隔震层的最大水平位移为18