铭嘉设计-唐山市某小区隔震设计分析

唐山市某小区隔震设计分析项目概况本项目位于河北省唐山市路南区。建筑设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级；抗震设防类别为标准设防类，抗震设防烈度为8度（0.3g），设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类，特征周期0.55s；地面粗糙度类别为B类，基本风压为0.4KN/m2。其中1#~10#住宅均为18层，建筑高度在52.7m~53.8m之间，高宽比在4.6~5之间，结构形式为剪力墙结构。图1项目鸟瞰图结构方案比选根据《唐山市某小区工程场地地震安全性评价报告》，本项目位于陡河地震断裂西北方向直接距离约400米，距唐山断裂4.4公里，抗震设防烈度为8度（0.3g），场地类别为Ⅲ类。方案一：经过试算，按照传统抗震结构设计方案剪力墙内外墙厚度在400mm左右，且配筋困难，严重影响建筑使用功能，造成户内使用面积缩水影响后期销售及使用；方案二：采用减震技术，连梁剪切型等位移型阻尼器所提供的附加阻尼比太小无法达到减震效果。同时因建筑方案的限制，户内没有合适位置放置液体黏滞型阻尼器，故减震技术在本项目中不能满足要求。方案三：隔震设计，通过试算，在满足建筑使用功能同时保持较为经济的墙肢厚度并维持原建筑高度，最终确定采用隔震设计。本文以1#楼为主要对象进行分析，其他栋号与之类似。隔震原理与隔震系统3.1隔震原理隔震结构作为一种有效的被动控制方式，通过调整原有结构体系的自振周期，使其远离地震的地面运动的卓越周期，从而显著地降低结构地震响应。国内外已进行了大量研究，并在实际工程中得到广泛应用。隔震系统因水平刚度较小，可延长上部结构周期至2s~3s以上，使建筑物因地震产生的加速度响应大大减小，隔震系统同时也能利用隔震支座的非线性变形吸收地震能量以及附加粘滞阻尼器的耗能，提高系统的阻尼比，因此可降低地震对建筑物的作用力。图3.1给出了隔震结构的反应谱原理。图3.1隔震结构的反应谱原理从图中可以看出，根据反应谱理论：延长结构周期→降低加速度响应→降低地震剪力→结构减少受力。虽然延长结构周期后，结构的位移响应会增加，但隔震支座可以通过提高系统的阻尼比来抑制隔震结构的位移响应。隔震结构设计时以柔性隔震支座来隔绝地震力的输入路径，从而大大减少结构承受的地震力，使其在强震中得以安全无恙。隔震结构的上部振动反应会接近刚体运动，结构层间位移角很小，避免了结构与非结构构件的破坏，提高了结构的抗震性能和功能完整性。3.2隔震系统常见的隔震系统包括橡胶支座隔震系统、滑移支座隔震系统、弹簧隔震系统和摆动隔震系统，以及近年发展的混合控制隔震系统等。这些隔震系统除用于建筑、桥梁的抗震设计和加固维修以外，还用于核电站、工业设备等的抗震设计。隔震橡胶支座，又称夹层橡胶隔震垫或叠层橡胶隔震垫，由多层橡胶和多层钢板交替叠置结合而成，是一种竖向承载力高、水平刚度较小、水平侧移容许值较大的装置，它既能减小水平地震作用，又能承载竖向地震作用，适用于房屋、桥梁、铁路、设备等隔震装置中，是目前世界上应用最多的隔震器。本工程隔震设计中选用的隔震装置为铅芯橡胶支座（以下简称LRB）和叠层橡胶支座（以下简称LNR）。图2.2,2.3分别为铅芯橡胶支座和叠层橡胶支座的示意图。图2.2铅芯橡胶支座（LRB）组成示意图图2.3叠层橡胶支座（LNR）组成示意图铅芯橡胶支座为非线性单元，为了简化分析，其滞回力学模型可采用双线性模型，图2.4给出了铅芯橡胶支座的滞回力学模型。图2.4铅芯隔震支座双线性模型总体上，隔震橡胶隔震支座具有以下特点：具有足够的竖向刚度和竖向承载力；隔震效果明显、稳定，具有小的水平刚度，保证建筑物基本周期延长至2~3s或3s以上；具有恰当的阻尼比，能有效地吸收地震能量，减少上部结构的地震反应；具有稳定的弹性复位功能，能在多次地震中自动复位；构造简单，安装检测修复方便。隔震计算分析结果4.1计算模型本项目隔震设计采用传统分离式设计方法，即将整个隔震结构设计分为四部分：上部结构设计、隔震层设计、下部结构设计和基础设计。隔震层设置于地下室顶部，隔震层高度为2.25m，转换梁高度为1.2m。上部结构设计采用PKPM软件，采用考虑扭转藕联的振型分解反应谱法进行计算；隔震分析采用ETABS软件，使用ETABS中连接单元“RubberIsolator”模拟含铅芯橡胶隔震支座。图3.1PKPM模型图3.2ETABS模型首先校核ETABS模型的准确性，将EATBS和PKPMSATWE非隔震模型计算得到的质量、周期和层间剪力（振型分解反应谱法）进行对比，误差均小于5%。结果表明，用于本工程隔震分析计算的ETABS模型与PKPM模型是一致的。4.2隔震层支座布置及性能参数采用橡胶隔震支座，在选择其直径、个数和平面布置时，主要考虑了以下因素：1．同一隔震层内，各个橡胶隔震支座的竖向压应力宜均匀，在重力荷载代表值作用下竖向压应力不应超过丙类建筑的限值15MPa。2．在罕遇地震作用下，隔震支座不宜出现拉应力，当少数隔震支座出现拉应力时，其拉应力不应大于1MPa；压应力不超过30MPa。3．隔震支座的罕遇地震作用下的水平变位应小于其有效直径的0.55倍和各橡胶层总厚度3倍二者的较小值。4．铅芯隔震支座尽可能布置在周边。经过计算，本工程共采用51个建筑隔震橡胶支座，支座型号及性能参数见表3.1。表3.1有铅芯隔震支座力学性能参数类别符号单位LRB800LRB1000隔震垫有效直径Dmm8001000剪切模量GMPa0.3920.392等效阻尼比100%ζ%2222中孔直径Mm160200第一形状系数S1S1/≥15≥15第二形状系数S2S2/≥5≥5竖向压力极限值kN753911780竖向刚度KvkN/mm47345650等效水平刚度(设计剪应变)KeqkN/mm2.58(100%)2.56(100%)屈服后刚度KdkN/mm1.501.71屈服力QdkN160182支座总高度mm330290图3.3隔震层支墩布置4.3地震波的选用《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010，以下简称《抗规》）5.1.2条规定：采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。弹性时程分析时，每条时程计算的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱计算结果的65%，多条时程计算的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。同时根据《河北省房屋建筑和市政基础设施工程施工图设计文件审查要点》（2017年版）19.2.2条规定：地震波的反应谱特性宜同时符合隔震和非隔震结构。本工程选取了实际5条强震记录和2条人工模拟加速度时程，7条时程曲线如图5所示，7条时程反应谱和规范反应谱对比曲线如图6所示，基底剪力对比结果如表2.3所示。的楼层剪力、倾覆力矩比值，确定水平向减震系数最大值为0.28。4.5罕遇地震下支座分析根据《抗规》要求，隔震支座还需进行罕遇地震下的分析：1.隔震支座水平位移限制验算；2.罕遇地震作用下隔震支座拉应力验算；3.罕遇地震作用下隔震支座压应力验算；4.隔震房屋抗倾覆验算；5.隔震结构剪重比等一系列验算。限于篇幅限制，本文此处不做赘述。专家论证本项目所有栋号高宽比均超过4，根据《抗规》12.1.3条要求：高宽比大于4或非隔震结构相关规定的结构采用隔震设计时，需进行专门研究。故我公司协助甲方邀请5位行业内专家对本项目进行论证，专家们一致认为此隔震设计方案是可行、合理的，此项目顺利通过论证。结论在高烈度区尤其是8度（0.3g），场地类别为Ⅲ类，高层剪力墙结构采用传统抗震设计很难满足高层住宅建筑的使用功能。采用隔震设计能有效降低上部结构的地震作用，隔震垫能有效地耗散地震能量，上部结构几乎平动。经合理设计，极大的降低工程造价，同时增加了建筑有效使用面积，满足住户的使用要求。隔震结构与抗震结构相比，还具有以下优点：提高了地震时结构的安全性；上部结构设计更加灵活，抗震措施简单明了；防止内部物品的振动、移动等，减小次生灾害；震后修复小