多层基础隔震结构考虑近场影响的计算方法（建筑）

多层基础隔震结构考虑近场影响的计算方法（建筑）

                 陈朝晖¹，  王  东²，  吴爱武¹，  苏仕琪³

 （1云南省安泰建设工程施工图设计文件审查中心，昆明650228：2昆明理工大学建筑工程学院，昆明650500；3云南震安减震科技股份有限公司，昆明650500）

[摘要]基础隔震结构的近断层脉冲型地震作用与常规地震作用相比，结构的最大绝对加速度、隔震层的最大位移均有较大增加。通过算例分析，采用时程分析法对近断层脉冲型地震作用的隔震结构计算时，罕遇地震下的峰值加速度的取值决定了隔震支座的选择。通过对《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）12章及附录L简化计算方法的分析，三种罕遇地震峰值加速度取值对应三种隔震支座布置的计算结果，8度区多层框架结构，建议采用插值法进行罕遇地震下隔震层计算，隔震层以上结构的水平地震影啊系数最大值，抗规公式(12.2.5)应乘以近场影响系数。

[关键词]  近断层脉冲型地震作用；近场影响系数；基础隔震结构；时程分析；峰值加速度；罕遇地震

0  引言

    1994年美国Norhridge地震、1995年日本Kobe地震和1999年台湾集集( Chi-Chi)地震，都造成大量建筑、桥梁结构破坏和人员伤亡，其显著特点之一是，地震发生地点距城市市区很近，这种以断层滑移为本质的近断层地震动具有较强方向性，包含有明显长周期、短持时、高能量的速度和位移脉冲运动以及较大的峰值加速等特征，是城区地震烈度很高的原因之

一。研究表明，当近断层脉冲型地震作用于长周期的LRB（铅芯橡胶隔震支座）基础隔震结构时，因近断层地震动瞬间的巨大能量，上部结构最大绝对加速度、隔震层最大水平位移与常规地震作用相比，均有较大增加，且隔震的有效范围有一定的减小。我国从2001版到现行的2010版抗震规范，均明确要求隔震结构计算中需要考虑近断层地震动影响。

    在政府鼓励下，云南省高烈度地区基础隔震结构得到了广泛运用。由于云南省内高烈度地区较多，地震带分布较广，建筑物的选址不可避免地会有距发震断裂带较近的位置，设计中近断层脉冲型地震作用的影响应不容忽视。但由于实际中近断层脉冲型地震动的记录数量有限，不能满足直接用于时程分析计算的要求，同时对LRB基础隔震结构在近断层脉冲型地震动下的动力响应缺乏较为系统的参数研究，现行规范中也未提供明确的计算方法，在实际工程设计中存在难点。

    表1为《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010)（简称抗规）第12.2.2条中提供的隔震结构简化及时程分析，表2为计算方法及计算公式的对比。

 

    从表2可知，当时，则结构安全。“罕遇地震下当时程分析计算的近断层地震效应与常规地震效应的比值等于近场影响系数，则可以认为结构已经达到了规范要求的安全度，而时程分析峰值加速度的取值决定了。所以峰值加速度取值的方法确定了是否达到规范要求的安全度。

    本文以抗震设防烈度为8度(0. 20g)某小学近断层震作用的计算为例，通过计算分析，得到时程分析峰值加速度的取值方法，使其计算结果符合表2的关系，从而即满足规范要求的安全度，又经济合理。

1  计算实例

1.1工程概况

    某小学抗震设防类别为重点设防，设防烈度为8度(0. 20g)，设计地震分组第三组，水平地震影响系数最大值a _max为0. 16，地场地类别为Ⅱ类，多遇地震及设防地震的特征周期为0. 45s，罕遇地震特征周期为0. 50s，距发震断裂仅4km，近场影响系数取为1.5。建筑层数为五层（不含隔震层及出屋面楼梯间），为现浇钢筋混凝土框架结构，轴线距离长为50. 1m，宽为9.9m，隔震层层高为2.4m，一~五层层高均为3.6m，出屋面楼梯间层高为3. 0m，结构高度为21m，框架柱截面尺寸为550×600、500×550、500×500、450×450，隔震层框架梁截面尺寸为300×700、250×700、250×650、250×600，标准层框架梁截面尺寸为300×650、 250×650、250×600，混凝土强度等级均为C30。

1.2两种软件的模型对比

    采用SATWE软件对隔震层以上结构进行多遇地震作用下的振型分解反应谱法分析，采用ETABS软件进行设防地震、罕遇地震下隔震结构的时程分析。为保证计算模型的准确性，对SATWE、ETABS软件的非隔震结构在设防地震下振型分解反应谱法的结构反应进行了对比分析。两种软件计算所得的质量、周期、各层剪力差异均较小，结果分析表明模型是可靠的，能作为计算的依据。

 

1.3隔震支座的布置

    隔震支座性能参数见表3、表4，布置见图1，支座型号见表5，均为S-A类叠层橡胶隔震支座。隔震支座的布置在两个主轴方向，隔震层刚心与隔震层以上结构的质心的偏心率均小于3%，在重力荷载代表值的竖向压应力均满足规范12MPa的要求。风荷载和其他非地震作用下的水平荷载标准值产生的总水平力均满足抗规第12.1.3条不宜超过结构总重力的1 0%的要求。隔震支座水平位移限值按抗规第12.2.6条计算确定。

 

1.4时程分析中峰值加速度的取值

    根据抗规第12.2.4~12.2.6、12.2.9条，隔震结构的时程分析法分两个阶段进行计算：

    第一阶段：设防地震下多层建筑按弹性计算所得的隔震与非隔震各层层间剪力的最大比值，确定结构的水平向减震系数，确定隔震层以上结构的水平地震作用，进行上部结构的设计。

    第二阶段：罕遇地震下计算隔震支座的水平和竖向地震同时作用下的拉应力（不应大于1MPa），计算隔震支座对应水平地震剪力的水平位移（橡胶隔震支座水平位移不应超过该支座有效直径的0. 55倍及各支座内部橡胶总厚度3.0倍二者的较小值）；进行隔震层支墩、支柱及相连构件的承载力验算。

    对应的时程分析地震波的峰值加速度有设防地震及罕遇地震两组。抗规第12.2.2条要求“输入地震波应考虑近场影响系数”，但规范未明确此处的地震波是指设防地震还是罕遇地震，还是两者均是。规范中多遇地震的峰值加速度（即地震加速度最大值）大约为设防地震的0. 36倍，两者基本为等比关系；罕遇地震的峰值加速度为设防地震的1. 55~2.5倍，两者并非等比关系，见表6，时程所用峰值加速度及罕遇地震与设防地震关系见图2。

 

    文中常规地震作用下设防地震、罕遇地震的峰值加速度按表6取值（同抗规表4.1.2-2）。考虑近场影响时，设防地震时程分析峰值加速度取为200=300cm／s²；罕遇地震下按两种方法取值，第一种为400=600cm／s²，由表6可知其值已接近9度设防标准；第二种设防地震的峰值加速度放大1.5倍后为300cm/ s²，根据表6可知，其值恰好为设防烈度8度(0. 30g)设防地震的峰值加速度值，故采用8度(0. 30g)对应罕遇地震的峰值加速度值510cm／s²，此方法满足了规范中罕遇地震与设防地震线性关系，见图2。

 

1.5时程分析曲线

    多遇地震下根据不同的特征周期，分别选取了图3所示的两组时程曲线，每组各7条，其中2条( REN1、REN2)为人工模拟的加速度时程曲线，其余5条为实际地震记录加速度时程曲线。两组曲线均满足抗规对时程曲线的相关要求，如特征周期、加速度最大值（即峰值加速度）、有较持续时间及统计意义相符等。隔震前后结构的基本周期见表7。

 

1.6常规地震不考虑近场影响的时程分析

    (1)设防地震峰值加速度取为200cm／s²，隔震支座布置同支座(a)，非隔震与隔震层间剪力及剪力比见表8。

 

    由表8分析得到，隔震层以上结构隔震前后层间剪力比值平均值的最大值为0. 303，根据抗规第12.2.5条水平向减震系数为0.303，隔震层以上结构采用振型分解反应谱法计算的水平地震影响系数最大值a _max1=0.303×0.160/0. 850=0.057.

    (2)罕遇地震峰值加速度取为400cm/ s²，隔震支座布置同支座(a)，隔震层水平地震剪力及支座最大水平位移见表9。

 

    由表9可知，罕遇地震下隔震层最大水平位移192mm，满足表3、表4要求。

    支座(a)的隔震支座布置即为按常规地震作用设计的结果。    

1.7近断层地震考虑近场影响的时程分析

    (1)设防地震峰值加速度取为300cm/s²，隔震支座布置同支座(a)，非隔震与隔震层间剪力及剪力比见表10。

 

    由表10分析可知，隔震支座同不考虑近场影响时的，隔震层以上结构隔震前后层间剪力比值平均值的最大值（即水平向减震系数）为0. 303，与不考虑近场影响的基本一致，见表8，其规律符合抗规附录L第L．1.1条水平向减震系数与地震作用的大小无关。

    (2)罕遇地震峰值加速度取为600cm/s²，隔震支座布置同支座(a)，隔震层水平地震剪力及支座最大水平位移见表11。

 

    由表11可知，隔震支座同不考虑近场影响时的，罕遇地震下隔震层最大水平位移337mm，不满足表4要求，且各隔震支座的水平位移均超规范限值，隔震支座布置需全部重新设计。且隔震层水平地震剪力及隔震支座最大水平位移与常规地震的比值A。7均大于1.5，即超过了附录L第L 1.3条要求，特别是水平位移达到近场系数(A。)的1.17倍。

    重新调整隔震支座布置见表5中支座(b)。经计算隔震层最大水平位移为263 mm，满足表4要求，第一周期、水平向减震系数及水平地震影响系数最大值见表12，隔震层X向水平剪力、隔震支座最大水平位移见图4、图5。

 

    (3)罕遇地震峰值加速度取为510cm/s²，隔震支座布置同支座(a)，隔震层水平地震剪力及支座最大水平位移见表13。

 

    由表13可知，隔震支座同常规地震时，罕遇地震下隔震层最大水平位移271mm，仅LRB400型支座不满足表4要求，但隔震支座布置仍需重新设计。其隔震层水平地震剪力及隔震支座最大水平位移与常规地震的比值均小于1.5，即小于抗规附录L放大1.5（即倍）倍的要求。

    重新调整隔震支座布置见表5中支座(c)。经计算隔震层最大水平位移为261mm，满足表4要求，第一周期、水平向减震系薮及水平地震影响系数最大值见表12，隔震层x向水平剪力、隔震支座最大水平位移见图4、图5。

    (4)罕遇地震隔震支座在水平和竖向地震同时作用下，各工况均有部分支座受拉，其拉应力均满足规范不应大于1MPa的要求。

2  计算结果分析

    图4、图5得到水平剪力及最大水平位移与时程采用的峰值加速基本成线性关系。根据表12可知，由于需要满足的峰值加速度增大了，隔震支座直径相应加大了，则隔震后的基本周期变短了，其隔震的效果也略有减小。参照云南震安减震科技股份有限公司的报价，支座(b)、支座(c)隔震支座的费用较支座(a)分别增加31.4%及12.1%。由于罕遇地震的峰值加速度决定了隔震支座的造价，若采用规范值乘以近场影响系数，其值偏离了抗规中设防地震与罕遇地震的相关性（图2），计算结果也超出了抗规附录L的要求（表11），造价较常规地震作用增加较多，故建议按表14取值。

 

    近断层地震作用下隔震层以上结构的最大绝对加速度较常规地震下有较大增加。

隔震层的输入地震加速度增大，上部地震反应完全不变也不符合实际，见表15，所以应对抗规公式(12.2．5)进行修正，应乘以近场影响系数，

 

3  结论及建议

    (1)基础隔震结构设计中应根据项目场地与发震断裂的距离，确定近场影响系数值。

    (2)选取时程分析地震波时，应根据抗规设防地震、罕遇地震的不同要求，按对应的场地特征周期选取两组地震曲线，部分设计人员仅采用一组时程曲线进行计算，不满足规范要求。

    (3)8度(0.20g)及低于8度地区近断层地震的多层框架隔震结构的隔震计算，建议如下：

    第一阶段：设防地震时程分析，地震波的加速度最大值按表4取值再乘以近场影响系数。通过计算确定隔震结构的水平向减震系数，确定上部结构计算的水平地震影响系数最大值，实际采用的数值建议为。

    第二阶段：罕遇地震时程分析，分为两步计算：

    第一步，地震波峰值加速度按表4取值计算隔震层水平地震剪力及隔震支座最大水平位移。

    第二步，地震波峰值加速度先按表14取值，计算出隔震层的水平地震剪力及隔震支座最大水平位移，与第一步的结果进行比较，若比值接近近场影响系数（相差不大于10%），则按第一步的结果乘以近场影响系数，确定隔震层的罕遇地震水平剪力及水平位移，并复核满足支座水平位移限值。若比值相差较大，按前两次的计算结果，参照图4、图5按插值法对地震波峰值加速度进行调整（取隔震层的水平地震剪力及隔震支座最大水平位移对应的峰值加速度两者较大值），重新进行罕遇地震下的计算。按最终确定的罕遇峰值加速度计算满足规范要求的拉应力及最大水平位移，并提供内力进行隔震层支墩、支柱及相连构件的设计。

    (4)8度(0. 30g)近场影响系数为1.5的及9度(0. 40g)区近断层地震，其设防地震的峰值加速度值已超过抗规表4.1. 2-2的最大值，其对应的罕遇地震峰值加速度取值已无可靠依据，所以本文的建议是否适用，应专门研究。