某高烈度区机场航管楼隔震结构设计.pdf

现代物业Modern Property Management 85 1 前言民航机场航管楼是集通信、导航、气象、航行情报等业务于一体的综合性大楼，是空管部门实施对空中交通管制的基地，是民航各种飞行情报、信息传递的集散地，是民航机场中对保障飞行安全至关重要的建筑物。建筑工程抗震设防分类标准（GB 50023）规定机场航管楼的抗震设防类别应高于重点设防类。我国是一个地震频发的国家，近几十年来，工程结构减震体系在全世界及我国迅速发展，其中结构隔震技术的减震效果最明显、发展最成熟。结构隔震技术是指在建筑物基础与上部结构或下部结构与上部结构之间，设置具有较小水平刚度和较大水平变形能力的隔震装置，延长整体结构的自振周期、增大阻尼。在地震发生时，一方面可减小输入的地震作用；另一方面，隔震装置可耗散大部分地震能量，减少地震能量向上传递，从而大幅降低地震对上部结构的影响，提高建筑物的整体抗震性能，达到预期的设防要求。本文对位于高烈度区的某机场航管楼采用基础隔震技术，按建筑抗震设计规范（以下简称“抗规”）1的方法，进行隔震分析与结构设计，为类似工程提供有益参考。2 工程概况云南省某机场航管楼建筑长度81.2m，宽度31.2m，建筑面积为3669.6平方米，地上3层，无地下室，室内外高差为0.45m，建筑高度为17.8m。主体结构采用钢筋混凝土框架结构。建筑效果图见图1。设计基准期为50年，建筑抗震设防类别高于重点设防类，结构安全等级为一级。地面粗糙度类别为B类，基本风压值为0.35kN/m2。抗震设防烈度为8度（0.30g），设计地震分组为第三组，场地类别为类，场地特征周期为0.65s。近场地震影响系数为1.5。本工程采用基底隔震技术，在首层与基础之间设置隔震层，布置铅芯橡胶隔震支座与天然橡胶隔震支座。图1 建筑效果图3 计算分析与设计3.1 隔震分析方法本工程参考抗规采用分部设计法进行隔震分析，即引入水平减震系数，将整个结构分为上部结构、隔震层、下部结构分别进行设计。上部结构按柱底铰接模型，采用振型分解反应谱（CQC）法设计。该方法流程明确，概念清晰，经工程实践检验，可实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标23。3.2 计算模型采用CSI公司编制的ETABS软件建立结构计算模型，梁柱采用Frame单元模型，楼板采用Membrance单元模拟，隔震支座采用非线性连接单元Rubber Isolator和Gap模拟4。其中隔震结构的隔震支座单元按实输入水平刚度；非隔震结构的隔震支座水平刚度放大104倍考虑。隔震结构采用时程分析法计算，非隔震结构采用时程分析法和振型分解反应谱法计算，考虑边界非线性。3.3 地震动输入根据规范2关于“统计意义上相符”和基底剪力相近的要某高烈度区机场航管楼隔震结构设计黄锦炫（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 广东 广州 5 1 0 0 0 0）摘 要：根据抗震设计规范本文采用分部设计法对位于高烈度区的某机场航管楼进行隔震设计，对结构进行中震、大震分析，上部结构按降低一度采取抗震措施，各类指标、参数均满足规范要求；根据计算结果设计隔震沟、建筑出入口、电梯井等细部构造，保证建筑物的抗震性能，为类似工程提供有益参考。关键词：隔震设计；分部设计法；细部构造 作者简介 黄锦炫（1992-），男，广东广州人，硕士，一级注册结构工程师，从事机场建筑结构设计与研究。建筑设计 Architectural Design 86 求，结合非隔震结构、隔震结构的前三周期与场地特征，选取5条天然地震波（trc62、Holly_h、CHICHIHWA034-N、ELCENTRO、KOBEKJM-UP）与2条人工波（Ci1、zhu4）进行计算。3.4 隔震支座布置本工程设置60个隔震支座，其中LRB800支座8个，LRB700支座34个，LNR700支座18个，支座布置见图2所示。支座力学性能参数见表1。图2 隔震支座布置图表1 橡胶支座力学性能参数一览表类 别符号单位LRB700 LRB800 LNR700剪切模量GMPa0.3920.3920.392有效直径Dmm700800700竖向压力/kN461660294616中孔直径/mm11512535第一形状系数S1/151515第二形状系数S2/555竖向刚度KvkN/mm3200 3950 2500 等效水平刚度(100%)KeqkN/mm1.842.021.16等效阻尼比(100%)%22.8%21.4%屈服前刚度KukN/mm14.95 17.03 屈服后刚度KdkN/mm1.15 1.31 屈服力QdkN90106橡胶层总厚度Trmm130149130法兰板厚度/mm313631支座总高度Hmm266.5302266.5（1）支座长期面压验算隔震支座长期面压验算属于正常使用极限状态设计，用来保证各支座在长期面压下的蠕动变形和性能稳定。本工程各支座在结构重力荷载代表值（1.0恒载+0.5活载）作用下的最大竖向压应力v为7.88MPa，小于规范限值12MPa，承载力有较大富余。（2）偏心率验算隔震结构偏心率是隔震层设计中的一个关键控制点，也是控制结构扭转效应的一个重要指标。规范5要求隔震层刚度中心与质量中心宜重合，设防烈度地震作用下的偏心率不大于3%。根据各支座的等效水平刚度Keq、长期面压v，可计算得出隔震层的重心、刚心、扭转半径以及相应的偏心率。本工程隔震层X向的偏心率为0.78%，Y向为2.33%，均小于规范限值3%。3.5 中震分析对隔震与非隔震结构分别输入上述7条地震波，地震波峰值加速度取1.5300cm/s2，并进行弹性时程分析，得到隔震与非隔震结构的基底剪力之比，X向为0.24，Y向为0.26，综合取水平减震系数=0.26。根据抗规12.2.5条，确定上部结构设置隔震支座后的水平地震影响系数最大值max11.5max/=1.50.2250.24/0.85=0.095，其中1.5为近场地震放大系数。为方便，上部结构的地震作用计算、抗震措施按降低一度（即7度0.15g）考虑。3.6 大震分析（1）支座短期面压验算为防止隔震支座在发生水平剪切变形后失去承载力，规范2要求支座的竖向压应力不大于30MPa。本工程在1.0恒荷载+0.5活荷载+1.0水平地震+0.5竖向地震组合下，隔震支座最大压应力为9.71MPa，满足规范要求。（2）支座最大水平位移验算为防止隔震支座在发生水平剪切变形后失去承载力，支座的最大水平位移应小于0.55D及3Tr的较小值。本工程在1.0恒荷载0.5活荷载1.0水平地震组合下隔震支座的最大水平位移为342mm，min(0.55700,3130)=385mm，满足要求。同时，为保证隔震上部结构与下部结构在地震作用下可自由水平变形，隔震层应通长设置水平隔离缝，缝宽不小于1.2倍隔震支座在大震下的最大水平位移且不宜小于200mm。本工程隔震缝缝宽不小于max(1.2342,200)=410.4mm。（3）支座最大拉应力验算为避免支座受过大拉力导致内部损伤，影响其性能，且控制上部结构倾覆的可能性，要求支座在大震作用下的拉应力不大于1MPa。本工程在1.0恒荷载1.0水平地震0.5竖向地震组合下隔震支座的最大拉应力为0.06MPa，满足要求。3.7 抗风验算为避免橡胶隔震支座在非震工况水平力作用下受拉或屈服，需控制非震工况水平力大小。规范2要求，风荷载和其它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。本工程风荷载标准值下产生的总水平力为683kN，小于结构总重力10263910=10263.9kN，说明本工程隔震层具有足够的水平刚度和强度，可保证建筑在风荷载作用下的舒适性和安全性。3.8 楼板应力分析本工程长度为81.2m，属于超长结构。在隔震层以上采用伸缩缝分成三个结构单体，地震作用下隔震层顶板起协调上部三个结构单体变形差的重要作用，且隔震层顶板Y方向存在凹凸不规则，需分析其受力状况。图3以X向正应力x为例给出中震作用下隔震层顶板应力。X向正应力最大值x,max=0.74MPa，Y向正应力最大值为y,max=0.52MPa，主拉应现代物业Modern Property Management 87 力max=0.99MPa。上述楼板应力均不大于混凝土抗压强度标准值ftk=2.2MPa，满足云南省建筑工程抗震设防专项审查技术要点（试行）的有关要求，楼板角部、洞口周边等局部应力集中区域采用加强配筋处理。图3 X向中震作用下隔震层顶板应力x3.9 隔震构造设计（1）隔震沟与建筑出入口构造为保证隔震上部结构与下部结构在地震作用下可自由水平变形，本工程在隔震层设置通长水平隔离缝，缝宽450mm；同时设置竖向隔离缝，缝宽20mm，并采用柔性材料封堵。本工程出入口有三种形式，分别是无高差、有高差坡道、无高差台阶，构造设计见图4。排水沟盖板、坡道顶板远端设置30圆角，释放水平约束，以便地震来临时上部结构可自由变形。室内外无高差隔震沟做法室外坡道做法构造室外踏步做法图4 建筑出入口构造（2）电梯构造由于本工程电梯底坑深1800mm，穿越隔震层，故采用悬挂式电梯井，并保证电梯底坑周边450mm无障碍物。（3）检修孔构造为方便隔震支座的维护，一般在隔震层顶板设置检修孔，可设置在楼梯间底下。检修口尺寸一般不小于隔震支座直径+200mm。5 结语本文采用分部设计法对某机场航管楼进行隔震设计，并提供相关细部构造大样，得出以下结论，为类似工程的设计提供有益参考。（1）本工程采用基础隔震技术，设置铅芯橡胶隔震支座与天然橡胶隔震支座。水平减震系数0.4，上部结构按降低一度采取抗震措施。经计算，各主要设计指标与参数均满足规范要求。（2）隔震建筑要注意隔震沟、建筑出入口、楼/电梯井、检修孔、穿越隔震层的管线等细部构造设计，保证地震来临时上部结构可自由移动，且不破坏管线，满足中震下建筑物可正常使用的要求。（3）隔震支座及其相邻构件属于关键构件，产品检测、施工安装等均应严格遵守有关规范要求，且应制订隔震层的检查与维护计划，及早发现存在的问题并采取必要的应对措施。参考文献：1中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范（GB 50011-2010（2016年版）S.北京:中国建筑工业出版社,2016.2丁洁民,吴宏磊.减隔震建筑结构设计指南与工程应用M.北京:中国建筑工业出版社,2020.3薛彦涛,常兆中,高杰.隔震建筑设计指南M.北京:中国建筑工业出版社,2016.4北京金土木软件技术有限公司.ETABS中文版使用指南M.北京:中国建筑工业出版社,2004.5中华人民共和国国家标准.GB/T51408-2021建筑隔震设计标准S.北京:中国建筑工业出版社,2021.