重点设防隔震设计咨询（新隔标下8度区基础隔震设计要点内蒙古某教学楼项目）
重点设防隔震设计咨询（新隔标下8度区基础隔震设计要点内蒙古某教学楼项目）设计主要依据和资料三工程概况本工程位于内蒙古呼和浩特市，总建筑面积5648.2㎡，地上楼层数为5层，首层至三层高为4.2m ，四层层高为5.4m，五层（出屋面）楼层层高为3.6m，建筑高度为21.6m，三维模型图详见图1。本工程结构体系采用混凝土框架结构，设计使用年限50年，安全等级为一级，重点设防类（乙类）。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度峰值为0.20g，场地类别为II类场地，设计地震分组为第二组，场地特征周期为0.40s。基本风压( 50年一遇) 为0. 55kN/㎡。图1 三维模型图
一
减隔震技术应用要求
根据《建设工程抗震管理条例》第十六条要求，本工程属于高烈度区的小学教学楼，所以选择混凝土框架结构做隔震。本工程没有地下室，故选择做基础隔震。
二
工程概况
本工程位于内蒙古呼和浩特市，总建筑面积5648.2㎡，地上楼层数为5层，首层至三层高为4.2m ，四层层高为5.4m，五层（出屋面）楼层层高为3.6m，建筑高度为21.6m，三维模型图详见图1。本工程结构体系采用混凝土框架结构，设计使用年限50年，安全等级为一级，重点设防类（乙类）。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度峰值为0.20g，场地类别为II类场地，设计地震分组为第二组，场地特征周期为0.40s。基本风压( 50年一遇) 为0. 55kN/㎡。
图1 三维模型图
三
设计主要依据和资料
本工程减震设计所依据的主要规范、图集如下：
1、《建筑抗震设防分类标准》（GB50223－2008）；
2、《建筑结构荷载规范》（GB50009－2012）；
3、《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB50068－2018）；
4、《建筑抗震设计规范》（GB 50011－2010）（2016版）；
5、《混凝土结构设计规范》（GB50010－2010）（2015版）；
6、《建筑地基基础设计规范》（GB50007－2011）；
7、《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015）；
8、《工程结构通用规范》（GB55001－2021）;
9、《建筑与市政工程抗震通用规范》（GB55002－2021）;
10、《混凝土结构通用规范》(GB55008-2021) ；
11、《建设工程抗震管理条例》；
12、《建筑隔震设计标准》(GB/T 51408-2020) 。
四
隔震设计思路
根据《建筑隔震设计标准》( 下文简称《隔标》)采用整体设计方法，对隔震结构的上部结构、隔震层一体建模进行设计，上部结构设计的抗震等级由底部剪力比确定。为求得底部剪力比，先选取合理的支座布置方案，根据隔震与非震结构的底部剪力求得。同时通过静力及动力分析，验算隔震支座的抗风、罕遇地震作用下支座位移、支座的拉应力和压应力等是否满足规范要求。
五
隔震支座选择和布置
本工程采用的是铅锌橡胶隔震支座 普通橡胶隔震支座，主要技术参数见表1。
|
隔震垫型号 |
LRB600 |
LRB700 |
LNR700 |
|
隔震垫有效直径 |
600 |
700 |
700 |
|
剪切模量G（MPA） |
0.392 |
0.392 |
0.392 |
|
等效阻尼比 |
24 |
25 |
- |
|
第一形状系数S1 |
24.3 |
25.8 |
24.5 |
|
第二形状系数S2 |
5.41 |
5.43 |
5.43 |
|
竖向刚度Kv（KN/mm） |
2200 |
2600 |
2200 |
|
水平刚度Kv（KN/mm） |
1.54 |
1.81 |
1.14 |
|
水平刚度Kv（KN/mm） |
1.2 |
1.39 |
- |
|
设计剪应变 |
100% |
100% |
100% |
|
极限剪应变 |
400% |
400% |
400% |
|
屈服前刚度 |
12.61 |
14.44 |
- |
|
屈服后刚度 |
0.97 |
1.11 |
- |
|
屈服力 |
63 |
90 |
- |
|
罕遇地震下最大位移（mm） |
326 |
- |
- |
表1 隔震支座力学性能参数
本工程隔震层设置在基础顶面，其优点是: 不影响建筑使用功能; 隔震支座上、下支墩的计算高度可以取较小值; 支墩截面尺寸较小，满足支座安装尺寸要求即可。选用和布置橡胶隔震支座时，主要考虑了以下因素:
（1）根据《隔标》 第 4.6.3 条，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乙类建筑的限值12MPa。
（2）根据《隔标》第4.6.2条第 4款要求，隔震层刚度中心宜与上部结构质量中心重合，为确保结构隔震层布置合理、刚度分布均匀，隔震层刚度中心与上部结构质量中心的偏心率小于3%。
（3）为保证抗风装置的有效性和隔震装置在多次地震作用后仍能保持较好的复位性能，隔震层要有足够的水平承载力和弹性恢复力。
（4）根据《隔标》第6.6.1条第 1款要求在罕遇地震作用下，隔震支座拉应力不应大于
1. 0MPa，压应力不应大于25MPa。
（5）根据《隔标》第4.6.6条第 1款要求在罕遇地震作用下，隔震支座的水平位移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。
隔震支座布置详见图2，共采用36个隔震支座，橡胶支座最大直径700mm，最小直径600mm。其中，铅芯橡胶隔震支座( LRB) 主要布置在结构周边及水平位移较大及内力较大的部位; 普通叠层橡胶支座主要布置在结构中部的框架柱下。
图2 隔震支座布置图
隔震层布置图详见图 3，隔震支墩截面为1100 × 1100，上支墩高度0.97m，下支墩高度约0.7m; 隔震层梁截面: Y向梁截面为450 × 800，X向梁截面为450 × 700，局部450×600; 隔震层顶部楼板厚为 160mm。
图3 隔震层平面图
六
隔震结构分析
6.1
分析模型建立
隔震支座抗拉刚度和抗压刚度不一致，抗拉刚度一般约为抗压刚度的1 /10，PKPM2021新规范V1.3.1版本能在反应谱法计算中考虑支座拉压刚度不一致的情况，故本工程采用PKPM软件计算。将上支墩，隔震垫，下支墩分三个标准层建立在模型中，楼层组装图见图4，三维模型图见图5。
图4 楼层组装图
图5 三维模型图
6.2
设防地震下结构周期
表2为隔震前后结构自振周期对比，由计算结果可知，原结构第1振型周期为0.973s，结构主要周期小于1s，此类结构隔震效果较好，且结构规则，完全符合建筑结构采用隔震方案的要求，隔震后结构第1阶振型周期为2.964s，比原结构第1阶振型周期大幅度延长，说明结构采用隔震支座后，由于隔震支座水平刚度较小，所以隔震结构整体水平刚度变小，结构变柔，地震作用相应也会减小。
|
振型 |
隔震前（s） |
隔震后（s） |
|
1 |
0.973 |
2.964 |
|
2 |
0.933 |
2.951 |
|
3 |
0.892 |
2.721 |
表2 隔震前后结构的周期
6.3
底部剪力比和抗震等级的确定
|
层号 |
塔号 |
X向地震作用时主方向剪力比 |
Y向地震作用时主方向剪力比 | ||||
|
非隔震(kN) |
隔震(kN) |
层剪比 |
非隔震(kN) |
隔震(kN) |
层剪比 | ||
|
8 |
1 |
795.92 |
147.57 |
0.19 |
722.82 |
144.88 |
0.2 |
|
7 |
1 |
7715 |
1757.25 |
0.23 |
7441.8 |
1750.85 |
0.24 |
|
6 |
1 |
11867.44 |
3315.86 |
0.28 |
11245.25 |
3301.22 |
0.29 |
|
5 |
1 |
14732.5 |
4479.08 |
0.3 |
13883.98 |
4463.76 |
0.32 |
|
4 |
1 |
16906.69 |
5345.13 |
0.32 |
15943.29 |
5324.93 |
0.33 |
|
3 |
1 |
18089.2 |
6354.93 |
0.35 |
17079.98 |
6328.08 |
0.37 |
|
2 |
1 |
18089.2 |
6354.93 |
0.35 |
17079.98 |
6328.08 |
0.37 |
|
1 |
1 |
18094.35 |
6354.94 |
0.35 |
17084.82 |
6328.08 |
0.37 |
表3 非隔震与隔震结构层间剪力及层间剪力比
因为本工程建筑高度小于24m，乙类建筑，根据抗规可以确定上部结构抗震等级为一级。表3给出了隔震结构层间剪力与非隔震结构层间剪力的比值。从表中数据可以看出地震作用沿0度时的底部剪力比为0.32，地震作用沿90度时的底部剪力比为0.33，最终底部剪力比取0.33，小于0.5，故上部结构抗震等级可以按照《隔标》6.1.3条第二款按照上部结构可按本地区设防烈度降低 1度确定抗震措施，取为二级。
6.4
设防地震下结构层间位移角
本工程设防地震下模型的层间位移角详见表4。由表4可得隔震模型中震下结构层间位移角均满足《隔标》的限值1/400的要求，隔震前后位移角变化非常明显，侧面说明隔震发挥了较明显的作用，隔震效果良好。
|
_ |
非隔震模型 |
隔震模型 | ||
|
层号 |
X向层间位移角 |
Y向层间位移角 |
X向层间位移角 |
Y向层间位移角 |
|
8 |
1/912 |
1/813 |
1/4159 |
1/3899 |
|
7 |
1/368 |
1/286 |
1/1529 |
1/1253 |
|
6 |
1/310 |
1/243 |
1/1110 |
1/925 |
|
5 |
1/254 |
1/210 |
1/845 |
1/737 |
|
4 |
1/261 |
1/233 |
1/812 |
1/760 |
|
3 |
1/437 |
1/380 |
1/866 |
1/805 |
|
2 |
1/870 |
1/762 |
44563 |
1/2/22 |
|
1 |
1/7059 |
1/5682 |
1/9999 |
1/9999 |
表4 设防地震下结构层间位移角
6.5
罕遇地震下结构层间位移角
本模型采用大震隔震模型反应谱下的楼层位移角，详见表5。由表5可得隔震模型罕遇地震下结构层间位移角均满足《隔标》的限值1/50。
|
_ |
隔震模型 | |
|
层号 |
X向层间位移角 |
Y向层间位移角 |
|
8 |
1/2096 |
1/1948 |
|
7 |
1/766 |
1/611 |
|
6 |
1/541 |
1/440 |
|
5 |
1/401 |
1/343 |
|
4 |
1/370 |
1/343 |
|
3 |
1/393 |
1/363 |
|
2 |
44562 |
1/1/22 |
|
1 |
1/9999 |
1/9999 |
表5 罕遇地震下结构层间位移角
七
隔震层与隔震支座验算
7.1
隔震层偏心率
由表6可知隔震偏心率最大值为2.18%，满足3%的《隔标》偏心率的需求。
|
方向 |
层号 |
质心坐标（m） |
刚心坐标（m） |
偏心率（%） |
|
X |
2 |
39.8637 |
40.0439 |
0.7985 |
|
Y |
2 |
18.8529 |
18.3599 |
2.1841 |
表6 隔震层偏心率
7.2
隔震层抗风承载力
X向风荷载验算：1.5Vwk = 517.2 < 1969.4 KN，满足要求；
Y向风荷载验算：1.5Vwk = 1780.2 < 1969.4 KN，满足要求。
7.3
隔震支座拉应力及位移验算
部分隔震支座拉应力及位移验算结果详见图6，T1为重力荷载代表值下的支座压应力，T2为大震下支座的压应力，T3为大震下支座的拉应力，T4为大震下隔震支座的水平位移。
图6 支座验算结果图
八
结论
本工程使用PKPM隔震软件分析了隔震结构在设防地震和罕遇地震作用下结构的地震反应，通过计算结果得出以下结论：
（1）非隔震结构的自振周期为0.973，隔震结构的自震周期为2.964，基本周期延长了3倍，有效的减小了地震作用对上部结构的影响。
（2）隔震支座拉、压应力及水平位移均未超过乙类建筑的要求，满足规范要求。
（3）隔震支座数量满足结构抗风要求。
（4）隔震结构前两阶周期以隔震层的平动为主，两阶周期相差小于较小值的30%，满足规范规定。
（5）隔震结构两主要方向的底部剪力比最大值为0.33，依据《新隔标》6.1.3-1，隔震结构按本地区设防烈度采取抗震措施。
