蘭州某中學教學樓隔震加固設計(建筑)

                       魏新強，  安貴倉，  唐曉琳

                     （甘肅土木工程科學研究院，蘭州730020）

[摘要]  蘭州某中學教學樓為四層磚混結構，建于1985年，經鑒定需要對其進行抗震加固。常規加固方法對學校的正常教學影響較大，為盡量減少施工過程中對教學樓的影響，降低綜合造價，采用隔震加固方法。依據現行設計規范對其進行隔震加固設計，分析結果表明，該教學樓采用基礎隔震進行抗震加固后，可通過降低隔震層上部結構的設防烈度來降低其抗震構造要求，從而滿足抗震鑒定標準，達到抗震加固的目的；采用基礎隔震加固方法對原教

學樓使用功能、內部裝修、管線等影響較小，可減少內部裝修和管線恢復的費用，施工周期較短，學?？梢岳�用假期完成教學樓的加固施工。

[關鍵詞]  磚混結構；抗震加固；隔震技術

中圖分類號：TU352. 12  文章編號：1002-848X(2016)11-0054-06

0  前言

    隨著隔震技術的推廣和發展以及隔震支座生產技術的發展，隔震技術已被廣泛應用于新的建筑設計當中，設計依據是《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)（簡稱抗規）和《疊層橡膠支座隔震技術規程》( CECS 126: 2001)（簡稱隔震技術規程）。但對于既有建筑物的隔震加固設計，目前尚沒有現行的規范和標準引用，一般的做法是先按照《建筑抗震鑒定標準》( GB 50023-2009)（簡稱鑒定標準）進行抗震鑒定，然后參照抗規和隔震技術規程進行加固設計。其設計思路是：在充分利用既有建筑物結構抗震能力的基礎上，在需加固結構的基礎部位設置隔震裝置，以隔離和吸收地震能量向結構上部傳遞，減小上部結構的地震反應，提高結構的抗震性能。另外，基礎隔震加固時，一般僅在建筑物的基礎部分施工，從而保證施工過程中上部建筑的正常使用。隔震技術具有以下優越性：1）提高結構的抗震能力；2）不影響上部建筑結構的正常使用；3）不僅保護建筑結構，而且保護建筑物內的設備儀器；4）加固時間短，范圍小?？梢姼粽鸺夹g是一種經濟適用的抗震加固技術，適用于高烈度區的中小學校舍、醫院等建筑。本文以蘭州某中學教學樓基礎隔震加固為背景，說明采用隔震技術設計方法來提高建筑物抗震能力，以促進和推廣建筑隔震技術在既有建筑加固改造中的應用。

1  工程概況

    蘭州某中學教學樓建于1985年，地上四層，建筑高度為15.  15m，其中一 ~三層層高均為3.60m，四層為3. 90m，室內外高差為0.45m，建筑總面積為3 831m²。該教學樓為磚混結構，縱橫墻承重?；�礎為條形基礎，地基允許承載力為22 t/m²，基礎墻體采用100#機制紅磚、100#水泥砂漿砌筑；地上承重墻采用100#機制紅磚、75#混合砂漿砌筑；走廊樓板

為鋼筋混凝土現澆板，其余為預制空心樓板。圈梁、構造柱及現澆樓板的混凝土設計標號均為200#。教學樓平面布置圖見圖1。

    建筑場地類別為Ⅱ類，抗震設防烈度為8度(0. 20g)，設計地震分組為第三組，基本風壓為0.3 kN/m²，地面粗糙度為B類。由于該教學樓抗震設防分類標準為丙類，低于現行標準。因此，依據《建筑工程抗震設防分類標準》( GB 50223-2008)要求該教學樓抗震設防類別應不低于重點設防類，即為乙類建筑工程，按照鑒定標準B類建筑的各項要求對其進行抗震鑒定?？拐痂b定結果表明：在基本設防烈度8度下，該教學樓的抗震承載力驗算基本滿足規范要求（考慮后續使用年限40年，地震放大系數為0. 88的影響）；但按基本設防烈度（乙類）對教學樓進行抗震措施鑒定有多項不滿足鑒定標準的要求，結果見表1。

    從表1可以看出，由于教學樓抗震設防標準提高，原結構存在的主要問題是：教學樓的層數、建筑高度、抗震橫墻間距超過鑒定標準的要求，個別構造不滿足鑒定要求。針對結構存在的超標問題，需要考慮采用提高結構綜合抗震能力或改變結構體系的加固方法。對于砌體結構，常規加固方法是在大教室內增加橫墻以減小橫墻間距或采用鋼筋混凝土夾板墻加固，但這種加固方法實施起來會影響教室的正常使用，破壞教室內部裝修及管線，會影響學校的正常教學工作和教學樓的后期使用，且加固施工工期較長，若學校條件有限，還需要考慮轉移安置學生去其他地方借讀，直接與間接投入會很大，校方不愿接受。如果采用隔震技術對

教學樓進行加固，可大大降低隔震層以上結構的地震作用，依據抗規可以按降低一度抗震設防對教學樓進行抗震鑒定，且可避免上部結構加固給正常教學帶來的不利影響。

2  隔震層設計

2.1規范基本要求

    根據抗規規定，該教學樓高寬比為1.5；建筑場地類別為Ⅱ類；采用PKPM軟件計算，結構總重力為56 226kN，風荷載標準值產生的總水平力為：x向110. 4kN，Y向355. 7kN。風荷載標準值產生的總水平力小于結構總重力的10%，該教學樓結構滿足采用隔震設計的基本要求。

2.2隔震加固目標

    結合教學樓的實際情況和結構特點，確定其在設防烈度8度下的隔震加固目標是：1）使隔震層以上的結構地震作用降低一度，保證上部結構在設防烈度下的安全；2）使上部結構仍按抗震設防烈度8度進行抗震措施鑒定，達到上部結構不加固或少加固的目的；3）對于隔震層以下的結構，按抗規的有關要求進行加固。

2.3隔震支座與布置

    本工程隔震層設置在室內地面以下，采用框式托換技術，將隔震層以上上部結構托換在結構梁上，結合托換梁，在地面處增設180mm厚的現澆鋼筋混凝土樓板，形成剛性底板。隔震支座則布置在托換梁下的隔震支墩之間，其規格、數量和分布根據豎向承載力、側向剛度和阻尼的要求通過計算確定，滿足抗規和隔震技術規程的相關要求。本工程選用LRB350鉛芯橡膠支座和LNB350，LNB400, LNB500橡膠支座，具體參數見表2。將鉛芯橡膠支座布置在建筑物周邊，使隔震層的剛度中心與上部結構的質量中心盡量重合，以減小扭轉效應。隔震支座平面布置見圖2。

2.4隔震層分析

    本工程隔震層的水平恢復力特性由鉛芯和非鉛芯橡膠支座組成，將鉛芯橡膠支座的水平剛度簡化為雙線性，可以得到隔震層的水平恢復力特性，見圖3。

    本工程在設計隔震層時，考慮了隔震層豎向承載能力和適宜的水平剛度，經分析，隔震支座在重力荷載下的豎向壓應，力均小于12MPa；隔震層X向和Y向偏心率（表3）均小于3%；隔震層支座X向和Y向的屈服力均大于風荷載設計值（表4），說明隔震層支座的布置滿足抗規和隔震技術規程要求。

3  隔震結構分析

3.1地震波選取

    根據抗規要求，本工程選擇符合Ⅱ類場地的兩條天然波（H19，H1066波）和一條按抗規反應譜合成的人工波（REN波），見圖4。按8度抗震設防對地震波加速度峰值進行調整：多遇地震作用時70cm/s²，設防地震作用時200cm/s²，罕遇地震作用時400 cm／s²。將所選取的地震波加速度反應譜與規范反應譜相比較，見圖5。由圖5可知，所選地震波滿足多組時程波曲線的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符的規范要求。在對結構進行設防烈度地震和罕遇地震作用下的分析時，地震波的幅值分別調整到設防烈度地震和罕遇地震水平，并取三條波作用下各自最大值的包絡值作為時程分析的代表值。根據分析結果，每條時程曲線計算所得的結構底部剪力均超過振型

分解反應譜法計算結果的65%，三條時程曲線計算所得的結構底部剪力平均值均大于振型分解反應譜法計算結果的80%，滿足抗規要求。

3.2計算模型

    采用ETABS軟件首先在原結構中增加隔震層頂部梁板，建立非隔震結構的有限元分析模型，然后在非隔震結構模型的基礎上增加隔震層，布置疊層橡膠支座后形成隔震結構模型（圖6）。上部磚墻采用殼單元，樓板采用膜單元，隔震墊采用非線性隔震單元。

3.3設防地震分析

3.3.1結構動力特性分析

    對非隔震結構和隔震結構進行非線性時程分析，72個振型保證了振型質量參與系數大于90%。非隔震結構與隔震結構的前3階振型周期計算結果見表5。從表5可以看出，該教學樓隔震后，自振周期增大比較明顯，周期放大5倍多。對照規范反應譜可以看出，隔震后上部結構的自振周期遠離了場地的特征周期，滿足抗規砌體結構采用隔震體系的基本周期小于2s和5倍特征周期(5×0.45s)的較大值2. 25s的要求。

3.3.2水平減震系數和地震影響系數最大值

    根據抗規對于多層隔震結構的規定，水平減震系數采用設防地震作用下隔震結構和非隔震結構層間剪力比值的最大值。分析時，地震設防烈度為8度，地震波加速度峰值為200cm/s²，取三條地震波計算結果的最大值，計算結果見表6。

    從表6可看到，隔震加固后的水平減震系數最大值為0. 35，大于抗規的限值要求0.30，上部結構可不進行豎向地震作用計算。以此確定的上部結構水平地震影響系數最大值，為0.07(=0. 35×0.16/0.8)，其中為水平向減震系數，為非隔震的水平地震影響系數最大值，妒為調整系數）。

3.4罕遇地震分析

    根據抗規的要求，按8度罕遇地震作用對該結構隔震支座最大位移、支座最小面壓進行驗算。

3.4.1支座最大位移

    按抗規要求，隔震支座最大位移采用剪切變形250%時的等效剛度和等效阻尼比進行計算，分析結果為：X向176. 3mm，Y向188.4mm，均小于抗規中要求的橡膠支座有效直徑350mm的0.55倍或支座內部橡膠總厚度100mm的3倍的較小值。

3.4.2隔震支座最小面壓

    本結構隔震支座在極限狀態下的豎向面壓由以下三部分組成；永久荷載與活荷載組成的長期面壓、罕遇地震作用下水平分量產生的傾覆力矩引起的支座拉應力以及罕遇地震豎向分量產生的拉壓應力。計算結果表明，在罕遇地震作用下支座不產生拉應力，最小面壓為0. 52MPa，滿足抗規要求。

4  隔震層以上結構抗震鑒定

    參照抗規相關規定，隔震上部結構的抗震鑒定應以確定的水平向減震系數進行。本工程水平向減震系數為0. 35，滿足抗規關于設防烈度降低一度時所對應的層間剪力比最大值為0. 40的限值要求。即采用隔震技術加固后，原結構可以降低一度，按7度抗震設防進行地震作用計算，按8度設防進行抗震措施鑒定。鑒定結果表明：隔震后上部結構的總水平地震作用小于上部結構的抗震承載力，僅相當于原結構8度設防地震作用時的一半，說明原結構既有抗震承載力富余，安全又有保證；驗算結果大于非隔震結構在6度設防時的總水平地震作用，各樓層的地震剪力滿足抗規的最小地震剪力系數的規定，說明教學樓采用隔震技術加固措施適當；隔震后上部結構的抗震措施鑒定滿足鑒定標準的各項要求，基本不考慮對上部結構進行加固處理，僅對預制樓板與墻體的連接做了如圖7所示的處理。

    綜上所述，教學樓采用隔震技術加固后，雖然沒有直接提高教學樓上部結構的抗震承載能力，但可以有效地減小教學樓上部結構的地震作用，實際上極大地提高了教學樓結構的安全性和綜合抗震能力，充分利用了原結構既有的抗震能力和抗震措施，避免了常規加固對教學樓使用的影響，實現了結構隔震加固的目標。

5  隔震層頂部梁板轉換結構設計

    依據抗規的要求，為保證隔震層頂部梁板轉換結構的剛度和承載力，協調整體結構受力，采用現澆鋼筋混凝土梁板轉換結構。由墻體兩側的托梁和橫向抬梁構成的雙夾梁式托換和建筑物整體移位托梁相同。橫向抬梁的作用有兩個：一是連接墻兩側的托梁；另一個是通過磚墻的“內拱效應”承擔大部分豎向荷載，然后傳給墻兩側托梁，再由托梁傳給梁下支墩，形成隔震支座處的集中荷載。抬梁的內力按抬梁間距所承擔的豎向荷載進行計算，抬梁參照

《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）進行設計。雙夾梁式托換結構的內力參照《砌體結構設計規范》( GB 50003-2011)中關于墻梁的計算要求進行計算，構造滿足抗規關于底部框架磚房的鋼筋混凝土托墻梁的要求。隔震層頂部雙夾梁截面尺寸選用300mm×600mm，樓板厚為180mm，混凝土強度等級選用C30，樓板雙層雙向通長配筋，滿足抗規關于地下室頂板作為上部嵌固部位時最小配筋率為0. 25%的要求。

6  隔震層以下結構和地基基礎設計

6.1隔震層支墩設計

    隔震層支墩的主要作用是傳遞上部結構荷載，連接隔震支座。依據抗規規定，與隔震層連接的下部構件（下支墩）的地震作用和抗震驗算，應采用罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和力矩進行承載力驗算。如圖8所示，隔震支座傳給下支墩的豎向力包括重力荷載代表值產生的軸力P₁和地

6.2地基基礎設計

    地基基礎承擔隔震層下支墩傳下來的所有荷載，原樓基礎為磚條形基礎，不能直接承載。因此，須對原樓基礎進行加固改造，如圖9所示。依據抗規加固改造后的基礎，應滿足隔震后8度地震設防的抗震承載力要求，并按8度罕遇地震作用進行地、基礎抗震承載力驗算。

6.3隔震溝設計

    采用隔震技術設計時，上部結構（橡膠隔震支座以上部分）應與周圍固定物脫開，使上部結構在地震作用下自由地發生平動。根據抗規的要求，上部結構與周邊固定物豎向隔離空隙為20mm，水平隔離空隙為1.2倍罕遇地震作用時隔震支座最大的水平位移210mm(1.2×192.5)。隔震溝設計簡圖如圖10所示。

7  隔震加固施工方案

    基礎隔震技術應用在磚混結構加固工程中，關鍵是墻體托換技術的實施，隔震支座的布置形式和建筑物的移位相似，但隔震支座的安裝更接近新建的基礎工程，施工難度相比移位

工程也容易一些。根據工程特點，為使隔震加固安全有效地實施，確定的施工工序為：水準

測量-室內外土方開挖

8  隔震加固方案經濟性分析

    隔震加固方案經濟性對比見表7，從表7可看出，由于基礎隔震加固方案僅在建筑物地面以下部分進行施工，對隔震層上部結構影響較?。▋H涉及首層），既有建筑的裝飾工程，給排水、消防工程，強、弱電工程等得到保護，與傳統的鋼筋混凝土板墻加固方案比較，土建改造工程相差不大，而綜合成本明顯低于傳統抗震加固方案。從短期和直接的經濟投入角度分析，采用隔震加固方案，不僅使得結構抗震能力大大提高，而且使得工程造價大幅降低。從長遠看，即使隔震加固的建筑遭遇較大地震，其功能及室內設備、物品損壞輕微，將大大降低地震的直接和間接損失，其經濟與社會效益是傳統抗震加固建筑無法比擬的。

9  結論

    (1)通過分析可以看出，采用隔震技術大大降低了磚混結構在地震作用下的樓層剪力，使得原結構的抗震設防烈度降低一度。對于抗震設防區，特別是高烈度區經抗震鑒定后超標（主要指在結構高度、層數和抗震墻間距等方面）的房屋，通過降低上部結構的地震設防烈度來降低其抗震鑒定標準，從而使其滿足抗震鑒定的要求。

    (2)采用隔震技術對教學樓進行抗震加固，施工工作僅在基礎部分開展，施工周期短，加固施工工作可利用學校假期完成，基本上不影響學校的正常教學工作。

    (3)采用隔震技術的加固方法對原建筑使用功能、建筑外觀、內部裝修及管線等影響較小，大大減少了內部裝修和恢復的費用。從長遠考慮隔震加固建筑的經濟社會效益明顯，故可作為高烈度區磚混結構的學校、醫院、歷史建筑以及古建筑抗震加固的優選方案。