基于村镇住宅的隔震设计方法研究

李 黎,吴亚楠

(1.南阳师范学院 土木建筑工程学院，河南 南阳 473061；2.邓州市城乡规划局，河南 南阳 473061)

0 引 言

叠层橡胶支座基础隔震技术现已较为成熟，世界各国所建隔震建筑在历次地震灾害中表现出优异的抗震性能.研究表明，中低层的建筑使用隔震技术的隔震效果较高层建筑的更好，而农村和乡镇的住宅建筑非常符合这个条件[1-6].

对于村镇住宅这类中低层建筑采用隔震技术能够带来良好的隔震效果.但是场地类型、地震烈度、隔震层本身的刚度等因素直接影响到隔震效果，以及是否在达到预期隔震效果的同时尽可能的减少造价，这对经济相对落后的广大村镇地区尤为重要.因此，对影响隔震效果的参数进行讨论，使隔震效果达到最优的同时又尽可能减少隔震垫的数量，这是隔震设计的关键.本文主要从设计方法的角度进行讨论，以隔震效果为优化目标，为村镇住宅建筑的隔震标准图设计提供依据.

本文选取若干典型的村镇住宅结构形式进行了隔震设计，对采用时程分析方法与采用抗震规范给定的简化算法两种不同算法下隔的计算结果进行了分析，以期更加合理的利用隔震技术改进村镇住宅的抗震性能.本论文利用美国CSI公司研制开发的通用有限元软件SAP2000进行隔震结构动力时程分析.简化计算方法按《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)给出的算法进行.

1 隔震支座布置及基本参数确定

在本课题组对中原地区村镇住宅调研的基础上，确定进行隔震设计的砖混结构住宅墙体布置形式(见图1～图4)，图中示意已经布置隔震支座之后的情况.

图1 平面类型一隔震层布置

图2 平面类型二隔震层布置

图3 平面类型三隔震层布置

图4 平面类型四隔震层布置

铅芯叠层橡胶垫采用国内某厂家提供的隔震支座主要力学参数(见表1).铅芯叠层橡胶支座的布置形式(见图1～图4).

表1 铅芯叠层橡胶支座支座主要力学参数

考虑到村镇住宅房屋集中化及多户联建等地需要，本文研究中对每种平面布置形式，按六层进行建模计算.设防烈度为8度，基本地震加速度0.2 g[7]，地震分组为第一组，场地类别取Ⅱ类.考虑村镇住宅底层大空间的建筑功能要求，模型底层层高取3.6 m，其它层层高取3.3 m.模型平面总尺寸为16 m×8 m.墙厚240 mm，主梁截面300 mm×500 mm，构造柱截面240 mm×240 mm，预制板厚100 mm.门洞尺寸为1 800 mm×2 100 mm和1 200 mm×2 100 mm，窗洞尺寸为1 200 mm×1 000 mm和1 200 mm×1 000 mm.砌体强度MU10，砂浆强度M10，混凝土强度等级C30.楼梯间荷载经计算取恒载8.0 kN/m2.活载2.0 kN/m2.并导算至两侧承重墙上.楼(屋)面荷载取值如下[8]：

楼面恒载：4.05 kN/m2

楼面活载：2.00 kN/m2

屋面恒载：6.02 kN/m2

屋面活载(上人屋面)：2.00 kN/m2

本文以Ⅱ类场地，8度设防，基本加速度0.2 g，设计地震分组为第一组的六层房屋为例，进行隔震设计，时程分析所选用的地震波为：(1)1979年EL Centro波(220度分量)；(2)1952年Taft波(339度分量)；(3)人工模拟波：加速度峰值为61.16 gal，时间间隔为0.02 s，持续时间为20 s，卓越周期为0.39 s.

2 计算结果对比

对于简化算法，抗震规范规定：对于隔震结构的设计宜采用时程分析方法进行计算.而对于村镇住宅建筑一般较为规则，其上部结构可采用层剪切多质点模型，可以采用抗震规范提供的等效侧力法，即采用单质点模型计算隔震层.

本文采用两阶段设计法对村镇住宅的四类典型平面布置分别进行结构动力反应计算.以Ⅱ类场地，8度设防，基本加速度0.2 g，设计地震分组为第一组的六层房屋为例，分别对隔震后周期、多遇地震烈度下隔震层剪力以及罕遇地震烈度下隔震层剪力与水平位移四种指标进行对比，囿于篇幅所限，对于计算过程，文中不再赘述.

计算结果(见表2)，对于上述两种算法表2中简称为简化和时程.

表2 两种计算方法下计算结果对比

3 结 论

(1)对相同的隔震结构来说，与等效侧力法比较，时程分析法算得的周期偏长，隔震层剪力偏大，隔震层位移偏小.从控制罕遇地震作用下隔震层最大位移的角度来讲，等效侧力法偏保守，对于简化算法，偏于安全，说明该算法基本合理.所以本文采用两阶段设计法，即在初步布置的基础上先用等效侧力法确定隔震层最大位移来调整隔震支座的类型和数目，再利用时程分析法进行上部结构的动力反应分析的方法有效可行.

(2)数据表明，两种方法的计算结果相差最多在20%左右，可以接受.

(3)由于地震波的随机性与不规则性，在进行结构时程分析时应按规范要求至少选择符合条件的两条实际强震记录与一条人工记录，会得到比较合理的结构地震反应.

参考文献：

[1] 李红培.汶川地震房屋建筑震害分析及重建隔震设计研究[D].成都：四川石油大学，2010.

[2] 日本免震构造协会编.图解隔震结构入门[M].叶列平,译.北京：科学出版社，1998.

[3] JAMES M.Kelly．The Implementation of Base Isolation in the United States[J].Earthquake Engineering，1994：6507-6508.

[4] 张 迪.叠层橡胶支座基础隔震结构计算实用模型及工程应用[D].兰州：甘肃工业大学，2001.

[5] 宋 刚.叠层橡胶垫基础隔震的应用研究[D].南京：东南大学，2006.

[6] 苏经宇，曾德民.我国建筑结构隔震技术的研究和应用[J].地震工程与工程振动，2001，21(4):94-97.

[7] 中华人民共和国建设部.GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[8] 中华人民共和国建设部.GB 50009-2012建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.