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微信扫一扫基于《隔标》采用PKPM+SAUSG的河南省鹤壁市某医院隔震设计
作者：李密、陈家模
机械工业第六设计研究院有限公司
一
工程概况
本工程的建筑使用功能为医院病房楼，位于河南省鹤壁市，抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第二组，场类别为II类，场地特征周期0.40s，抗震设防类别为重点设防，抗震等级为一级；主体结构采用钢筋混凝土框架结构，地下2层（隔震层为地下1层），地上8层，建筑结构高度32.4m，长约62.0m，宽约17.0m；基本风压为0. 45kN/㎡，地面粗糙度为C类；设计使用年限50年，安全等级为一级。
图1-1 工程效果图
图1-2 工程三维模型示意图
二
工程设计
2.1
设计主要依据和资料
本工程隔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 51408-2021)；
13、《建筑结构隔震构造详图》(03SG610-1)；
14、《叠层橡胶支座隔震技术规程》（CECS126-2001）等。
2.2
结构分析与设计软件的选用
本工程采用PKPM2021版V1系列结构分析软件进行隔震结构的建模与分析设计。该单体结构平面、竖向规则，依据《建筑隔震设计标准》（以下简称隔标）4.1.3条，可采用复振型分解反应谱法迭代计算隔震支座刚度和阻尼比，进行隔震结构的设计。可在PKPM软件中布置隔震支座，定义关键构件、普通水平构件、普通竖向构件，对隔震模型进行整体分析计算；可在一个模型计算目录下，一键实现中震隔震、中震非隔震、大震隔震等多模型的性能包络设计，方便快捷。采用SAUSG-GZ进行大震下的弹塑性分析。
三
隔震设计
3.1
隔震设计目标及设计思路
本工程通过在地下室的顶板与正负零之间设置隔震装置及其相连构件，形成隔震层，从而降低上部结构的地震响应，实现隔震的功能。隔震支座直接固定在地下室顶板柱顶。
依据《隔标》1.0.3条、3.1.3条、4.4.4条、4.4.5条、4.7.2条、6.1.3条等条文，控制上部结构底部剪力比不大于0.5。根据《隔标》的相关规定，本工程构件的主要性能目标信息详见表3.1。
表3.1 | |||||||
_ | 隔震区域构件 | 构件类型 | 性能目标 | 抗震等级 | |||
框架梁 | 框架柱 | 框架梁 | 框架柱 | 框架梁 | 框架柱 | ||
上部结构 | 3 | 3 | 普通水平构件 | 普通竖向构件 | 中震全截面不屈服 | 中震抗剪弹性抗弯不屈服 | 一级 |
上支墩 | 3 | 3 | 关键构件 | 关键构件 | 中震全截面弹性 | 中震全截面弹性 | 一级 |
下支墩 | 表3.1 | 表3.1 | 表3.1 | 表3.1 | 表3.1 | 表3.1 | 表3.1 |
地下室 | 1 | 2 | 关键构件 | 关键构件 | 中震全截面弹性 | 中震全截面弹性 | 一级 |
大震抗剪弹性抗弯不屈服 | |||||||
地下室外延一跨 | 1 | 2 | 关键构件 | 关键构件 | 中震全截面弹性 | 中震全截面弹性 | 一级 |
大震抗剪弹性抗弯不屈服 | |||||||
注：1-支墩、支柱及相连构件；2-隔震层以下构件；3-其他构件 | |||||||
3.2
隔震支座的选取和布置
3.2.1本工程隔震支座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3.2.1。
表3.2.1 隔震支座参数信息表 | ||||||
类别 | 符号 | 单位 | 支座1 | 支座2 | 支座3 | 支座4 |
使用数量 | N | 套 | 9 | 7 | 3 | 8 |
有效直径 | d | mm | 800 | 1000 | 800 | 900 |
剪切弹性模量 | G | N/mm² | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
一次形状系数 | S1 | 表3.2.1 隔震支座参数信息表 | 40 | 39.6 | 38 | 37.5 |
二次形状系数 | S2 | 表3.2.1 隔震支座参数信息表 | 5 | 6.2 | 5 | 5.6 |
限界变形 | 表3.2.1 隔震支座参数信息表 | 表3.2.1 隔震支座参数信息表 | 400 | 400 | 400 | 400 |
有效面积 | A | c㎡ | 5027 | 7834 | 5014 | 6362 |
竖向初始刚度 | Kv | kN/m | 4104000 | 5839000 | 3664000 | 4905000 |
水平初始刚度 | Ku | kN/m | 12390 | 1870 | 1210 | 15490 |
水平屈服力 | Qd | kN | 178.1 | 0 | 0 | 225.4 |
屈服后水平刚度 | Kd | kN/m | 1239 | 0 | 0 | 1549 |
水平等效刚度 | Keq | kN/m | 2241 | 1870 | 1210 | 2801 |
等效阻尼比 | ζeq | 表3.2.1 隔震支座参数信息表 | 26 | 0 | 0 | 26 |
3.2.2本工程隔震支座布置详见图3.3.2-1。
图3.3.2-1 隔震支座布置图
PKPM-GZ模块可以进行一键自动布置隔震支座，方便快捷的完成隔震支座的初步选型。如图3.3.2-2。
图3.3.2-2 隔震支座自动布置示意图
3.2.3本单体模型软件主要技术参数设置内容如图3.2.3-1、3.2.3-2所示。
图3.2.3-1 隔震设计主要技术参数
|
|
图3.2.3-2 隔震层区域构件、性能目标指定
图3.2.3-3 PKPM接SSG接口位置
四
结构分析与计算
4.1
结构动力特性分析
表4.1 隔震前后结构的周期 | ||
振型 | 隔震前（s） | 隔震后（s） |
1 | 1.414 | 3.073 |
2 | 1.368 | 3.064 |
3 | 1.197 | 2.704 |
设防地震（中震）作用下，隔震结构与非隔震结构的周期对比见表4.1，《叠层橡胶支座隔震技术规程》规定：隔震房屋两个方向的基本周期相差不宜超过较小值的30%。由表4.1可知，采用隔震技术后，结构的周期明显延长，且满足相关规定要求。
4.2
底部剪力比
表4.2 非隔震与隔震结构层间剪力及层间剪力比 | ||||||
层号 | 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 | |
12 | 1554.42 | 363.57 | 0.23 | 1579.36 | 376.91 | 0.24 |
11 | 5466.6 | 1698.3 | 0.31 | 5500.51 | 1721.94 | 0.31 |
10 | 7991.16 | 2711.72 | 0.34 | 7963.37 | 2735.09 | 0.34 |
9 | 9821.66 | 3609.24 | 0.37 | 9659.68 | 3630.99 | 0.38 |
8 | 11260.23 | 4505.58 | 0.4 | 10960.63 | 4521.61 | 0.41 |
7 | 12613.68 | 5358 | 0.42 | 12204.52 | 5358.24 | 0.44 |
6 | 13844.45 | 6020.91 | 0.43 | 13394.26 | 6000.13 | 0.45 |
5 | 15102.68 | 6450.81 | 0.43 | 14672.14 | 6415.27 | 0.44 |
4 | 16252.79 | 6756.5 | 0.42 | 15841.54 | 6725.45 | 0.42 |
表4.2给出了设防地震下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0.42，地震作用沿90度时的底部剪力比为0.42，最终底部剪力比取0.42。
4.3
设防地震下弹性层间位移角
表4.3 结构层间位移角结果 | |||
层号 | X向位移角 | Y向位移角 | 限值 |
12 | 1/2977 | 1/1908 | 1/400 |
11 | 1/1860 | 1/1421 | 1/400 |
10 | 1/1203 | 1/1004 | 1/400 |
9 | 1/916 | 1/801 | 1/400 |
8 | 1/859 | 1/766 | 1/400 |
7 | 1/736 | 1/677 | 1/400 |
6 | 1/673 | 1/634 | 1/400 |
5 | 1/659 | 1/644 | 1/400 |
4 | 1/711 | 1/716 | 1/400 |
3 | 1/1470 | 1/1391 | 1/400 |
2 | 44564 | 1/3/22 | - |
1 | 1/9999 | 1/9999 | 1/500 |
从表4.3中可知本工程的层间位移角的最大值X 向为1/659,Y 向为1/634，二者均能满足《建筑隔震设计标准》的限值要求。
4.4
隔震层偏心率
表4.4 隔震层偏心率 | ||||
方向 | 层号 | 质心坐标（m） | 刚心坐标（m） | 偏心率（%） |
X | 2 | -47.4538 | -47.6617 | 0.9619 |
Y | 2 | -9.1893 | -9.3418 | 0.7052 |
由上表可知，设防地震下隔震层偏心率满足《建筑隔震设计标准》4.6.2-4 的要求。
4.5
抗风验算
隔震层必须具备足够的屈服前刚度和屈服承载力，以满足微振动和风荷载作用下的要求。《建筑隔震设计标准》第4.6.8条规定抗风承载力应符合下式规定：YwVwk≤VRw，即1.5Vwkx=928.4< 3406.6KN，1.5Vwky=3394.4<3406.6KN，满足要求；《抗规》规定：采用隔震的结构风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%。本结构总重力荷载代表值为137667.7KN，其10%大于风荷载产生的水平力618.9KN(X向)，2262.9KN(Y向)，满足规范要求，以上结果在隔震计算书中展示。
4.6
隔震支座验算
图4.6 隔震层支座长期面压、拉压应力、变形验算、屈重比验算结果
为了文字看的清晰，仅以几个隔震支座验算结果为例，详见图4.6所示。
4.7
罕遇地震隔震层抗倾覆验算
根据《建筑隔震设计标准》第 4.6.9-2 条规定，隔震结构应进行罕遇地震作用下的抗倾覆验算，由上部结构重力荷载代表值计算的抗倾覆力矩与罕遇地震下倾覆力矩之比不应小于 1.1。该隔震结构的抗倾覆分析由复振型分解反应谱（罕遇地震谱）法结合自动迭代隔震层等效刚度和阻尼比的方法确定，软件分析结果如下表4.7所示。由表4.7结果可知，结构罕遇地震下最不利抗倾覆与倾覆力矩比值为2.70，满足规范要求。此数据可从模型目录下ISOLATE_RQFL_VLDT.OUT文件中查看。
表4.7 罕遇地震隔震层抗倾覆验算结果 | ||||
方向 | 抗倾覆力臂（m） | 抗倾覆力矩/(kN*m) | 倾覆力矩/(kN*m) | 比值 |
X | 30.78 | 3773395.25 | 343626.75 | 10.98 |
Y | 7.58 | 929488.25 | 343877.38 | 2.7 |
4.8
隔震支座恢复力和屈服力验算
根据《建筑隔震设计标准》第 4.6.1-4 条规定，当隔震层采用隔震支座和阻尼器时， 应使隔震层在地震后基本恢复原位，隔震层在罕遇地震作用下的水平最大位移所对应的恢复力，不宜小于隔震层屈服力与摩阻力之和的 1.2倍，软件分析结果如表4.8所示，可满足规范要求。此数据可从模型目录下ISOLATE_QRQY_VLDT.OUT文件中查看。
表4.8 隔震支座恢复力和屈服力验算结果 | |||
支座平均屈服位移（m） | 隔震层屈服力(kN) | 恢复力(X方向, Y方向)(kN) | 比值 |
0.01447 | 3307.83 | (17298.75,17255.72) | ( 5.23,5.22) |
4.9
罕遇地震作用下SSG弹塑性时程分析结果
4.9.1 主要参数对比
表4.9.1-1 主要参数对比 | ||||
_ | 周期（秒） | 质量（t） | 附加 | |
X | Y | 阻尼比 | ||
PKPM | 3.55 | 3.56 | 14694 | 9.46% |
SSG | 3.39 | 3.41 | 14091 | 10.18% |
差异 | 4.70% | 5.30% | 4.30% | -7.10% |
图4.9.1-2 罕遇地震下结构层间位移角
由表4.9.1-1可知，PKPM与SSG罕遇地震下主要指标相差不大；由图4.9.1-2可知，罕遇地震作用下结构层间位移角满足规范1/100之一的要求；由图4.9.1-3可知，各项指标均显示蓝色，证明均满足规范要求，鉴于篇幅限值，不再赘述。
图4.9.1-3 SSG隔震规范审查
4.10
配筋结果及施工图
如图4.10.1示意，PKPM可以在一个主模型内实现中震隔震模型、大震隔震模型的配筋包络设计，此时需要从主模型下进入施工图绘制模块。另外，如图4.10.1示意，计算书可以选择显示各个子模型的包络设计信息，方便设计师查看及提交审图机构。
图4.10.1 配筋结果查看
五
结论
通过本文所述内容及分析结果证明，该工程采用隔震方案是有效可靠的；通过增加隔震层后，有效的降低了上部结构的地震响应，并且结构各项指标均满足相关规范、规程及标准的要求。
基于PKPM+SAUSG的一体化设计应用方案，既能满足《隔标》设防地震及正常使用相关技术要点，又能实现构件设计自动满足不同性能水准的目标要求，可以方便设计师高效完成配筋计算书出图及相关结构设计指标整理的工作。
说明：本实例主要介绍了隔震结构分析的相关参数设置与验算要点，关于隔震结构的施工与维护，隔震层的构造措施、隔震支座的检测应按相应规范规程标准的要求进行实施。
