兰州某中学教学楼隔震加固设计(建筑)

                       魏新强，  安贵仓，  唐晓琳

                     （甘肃土木工程科学研究院，兰州730020）

[摘要]  兰州某中学教学楼为四层砖混结构，建于1985年，经鉴定需要对其进行抗震加固。常规加固方法对学校的正常教学影响较大，为尽量减少施工过程中对教学楼的影响，降低综合造价，采用隔震加固方法。依据现行设计规范对其进行隔震加固设计，分析结果表明，该教学楼采用基础隔震进行抗震加固后，可通过降低隔震层上部结构的设防烈度来降低其抗震构造要求，从而满足抗震鉴定标准，达到抗震加固的目的；采用基础隔震加固方法对原教

学楼使用功能、内部装修、管线等影响较小，可减少内部装修和管线恢复的费用，施工周期较短，学校可以利用假期完成教学楼的加固施工。

[关键词]  砖混结构；抗震加固；隔震技术

中图分类号：TU352. 12  文章编号：1002-848X(2016)11-0054-06

0  前言

    随着隔震技术的推广和发展以及隔震支座生产技术的发展，隔震技术已被广泛应用于新的建筑设计当中，设计依据是《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)（简称抗规）和《叠层橡胶支座隔震技术规程》( CECS 126: 2001)（简称隔震技术规程）。但对于既有建筑物的隔震加固设计，目前尚没有现行的规范和标准引用，一般的做法是先按照《建筑抗震鉴定标准》( GB 50023-2009)（简称鉴定标准）进行抗震鉴定，然后参照抗规和隔震技术规程进行加固设计。其设计思路是：在充分利用既有建筑物结构抗震能力的基础上，在需加固结构的基础部位设置隔震装置，以隔离和吸收地震能量向结构上部传递，减小上部结构的地震反应，提高结构的抗震性能。另外，基础隔震加固时，一般仅在建筑物的基础部分施工，从而保证施工过程中上部建筑的正常使用。隔震技术具有以下优越性：1）提高结构的抗震能力；2）不影响上部建筑结构的正常使用；3）不仅保护建筑结构，而且保护建筑物内的设备仪器；4）加固时间短，范围小。可见隔震技术是一种经济适用的抗震加固技术，适用于高烈度区的中小学校舍、医院等建筑。本文以兰州某中学教学楼基础隔震加固为背景，说明采用隔震技术设计方法来提高建筑物抗震能力，以促进和推广建筑隔震技术在既有建筑加固改造中的应用。

1  工程概况

    兰州某中学教学楼建于1985年，地上四层，建筑高度为15.  15m，其中一 ~三层层高均为3.60m，四层为3. 90m，室内外高差为0.45m，建筑总面积为3 831m²。该教学楼为砖混结构，纵横墙承重。基础为条形基础，地基允许承载力为22 t/m²，基础墙体采用100#机制红砖、100#水泥砂浆砌筑；地上承重墙采用100#机制红砖、75#混合砂浆砌筑；走廊楼板

为钢筋混凝土现浇板，其余为预制空心楼板。圈梁、构造柱及现浇楼板的混凝土设计标号均为200#。教学楼平面布置图见图1。

    建筑场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为8度(0. 20g)，设计地震分组为第三组，基本风压为0.3 kN/m²，地面粗糙度为B类。由于该教学楼抗震设防分类标准为丙类，低于现行标准。因此，依据《建筑工程抗震设防分类标准》( GB 50223-2008)要求该教学楼抗震设防类别应不低于重点设防类，即为乙类建筑工程，按照鉴定标准B类建筑的各项要求对其进行抗震鉴定。抗震鉴定结果表明：在基本设防烈度8度下，该教学楼的抗震承载力验算基本满足规范要求（考虑后续使用年限40年，地震放大系数为0. 88的影响）；但按基本设防烈度（乙类）对教学楼进行抗震措施鉴定有多项不满足鉴定标准的要求，结果见表1。

    从表1可以看出，由于教学楼抗震设防标准提高，原结构存在的主要问题是：教学楼的层数、建筑高度、抗震横墙间距超过鉴定标准的要求，个别构造不满足鉴定要求。针对结构存在的超标问题，需要考虑采用提高结构综合抗震能力或改变结构体系的加固方法。对于砌体结构，常规加固方法是在大教室内增加横墙以减小横墙间距或采用钢筋混凝土夹板墙加固，但这种加固方法实施起来会影响教室的正常使用，破坏教室内部装修及管线，会影响学校的正常教学工作和教学楼的后期使用，且加固施工工期较长，若学校条件有限，还需要考虑转移安置学生去其他地方借读，直接与间接投入会很大，校方不愿接受。如果采用隔震技术对

教学楼进行加固，可大大降低隔震层以上结构的地震作用，依据抗规可以按降低一度抗震设防对教学楼进行抗震鉴定，且可避免上部结构加固给正常教学带来的不利影响。

2  隔震层设计

2.1规范基本要求

    根据抗规规定，该教学楼高宽比为1.5；建筑场地类别为Ⅱ类；采用PKPM软件计算，结构总重力为56 226kN，风荷载标准值产生的总水平力为：x向110. 4kN，Y向355. 7kN。风荷载标准值产生的总水平力小于结构总重力的10%，该教学楼结构满足采用隔震设计的基本要求。

2.2隔震加固目标

    结合教学楼的实际情况和结构特点，确定其在设防烈度8度下的隔震加固目标是：1）使隔震层以上的结构地震作用降低一度，保证上部结构在设防烈度下的安全；2）使上部结构仍按抗震设防烈度8度进行抗震措施鉴定，达到上部结构不加固或少加固的目的；3）对于隔震层以下的结构，按抗规的有关要求进行加固。

2.3隔震支座与布置

    本工程隔震层设置在室内地面以下，采用框式托换技术，将隔震层以上上部结构托换在结构梁上，结合托换梁，在地面处增设180mm厚的现浇钢筋混凝土楼板，形成刚性底板。隔震支座则布置在托换梁下的隔震支墩之间，其规格、数量和分布根据竖向承载力、侧向刚度和阻尼的要求通过计算确定，满足抗规和隔震技术规程的相关要求。本工程选用LRB350铅芯橡胶支座和LNB350，LNB400, LNB500橡胶支座，具体参数见表2。将铅芯橡胶支座布置在建筑物周边，使隔震层的刚度中心与上部结构的质量中心尽量重合，以减小扭转效应。隔震支座平面布置见图2。

2.4隔震层分析

    本工程隔震层的水平恢复力特性由铅芯和非铅芯橡胶支座组成，将铅芯橡胶支座的水平刚度简化为双线性，可以得到隔震层的水平恢复力特性，见图3。

    本工程在设计隔震层时，考虑了隔震层竖向承载能力和适宜的水平刚度，经分析，隔震支座在重力荷载下的竖向压应，力均小于12MPa；隔震层X向和Y向偏心率（表3）均小于3%；隔震层支座X向和Y向的屈服力均大于风荷载设计值（表4），说明隔震层支座的布置满足抗规和隔震技术规程要求。

3  隔震结构分析

3.1地震波选取

    根据抗规要求，本工程选择符合Ⅱ类场地的两条天然波（H19，H1066波）和一条按抗规反应谱合成的人工波（REN波），见图4。按8度抗震设防对地震波加速度峰值进行调整：多遇地震作用时70cm/s²，设防地震作用时200cm/s²，罕遇地震作用时400 cm／s²。将所选取的地震波加速度反应谱与规范反应谱相比较，见图5。由图5可知，所选地震波满足多组时程波曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符的规范要求。在对结构进行设防烈度地震和罕遇地震作用下的分析时，地震波的幅值分别调整到设防烈度地震和罕遇地震水平，并取三条波作用下各自最大值的包络值作为时程分析的代表值。根据分析结果，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力均超过振型

分解反应谱法计算结果的65%，三条时程曲线计算所得的结构底部剪力平均值均大于振型分解反应谱法计算结果的80%，满足抗规要求。

3.2计算模型

    采用ETABS软件首先在原结构中增加隔震层顶部梁板，建立非隔震结构的有限元分析模型，然后在非隔震结构模型的基础上增加隔震层，布置叠层橡胶支座后形成隔震结构模型（图6）。上部砖墙采用壳单元，楼板采用膜单元，隔震垫采用非线性隔震单元。

3.3设防地震分析

3.3.1结构动力特性分析

    对非隔震结构和隔震结构进行非线性时程分析，72个振型保证了振型质量参与系数大于90%。非隔震结构与隔震结构的前3阶振型周期计算结果见表5。从表5可以看出，该教学楼隔震后，自振周期增大比较明显，周期放大5倍多。对照规范反应谱可以看出，隔震后上部结构的自振周期远离了场地的特征周期，满足抗规砌体结构采用隔震体系的基本周期小于2s和5倍特征周期(5×0.45s)的较大值2. 25s的要求。

3.3.2水平减震系数和地震影响系数最大值

    根据抗规对于多层隔震结构的规定，水平减震系数采用设防地震作用下隔震结构和非隔震结构层间剪力比值的最大值。分析时，地震设防烈度为8度，地震波加速度峰值为200cm/s²，取三条地震波计算结果的最大值，计算结果见表6。

    从表6可看到，隔震加固后的水平减震系数最大值为0. 35，大于抗规的限值要求0.30，上部结构可不进行竖向地震作用计算。以此确定的上部结构水平地震影响系数最大值，为0.07(=0. 35×0.16/0.8)，其中为水平向减震系数，为非隔震的水平地震影响系数最大值，妒为调整系数）。

3.4罕遇地震分析

    根据抗规的要求，按8度罕遇地震作用对该结构隔震支座最大位移、支座最小面压进行验算。

3.4.1支座最大位移

    按抗规要求，隔震支座最大位移采用剪切变形250%时的等效刚度和等效阻尼比进行计算，分析结果为：X向176. 3mm，Y向188.4mm，均小于抗规中要求的橡胶支座有效直径350mm的0.55倍或支座内部橡胶总厚度100mm的3倍的较小值。

3.4.2隔震支座最小面压

    本结构隔震支座在极限状态下的竖向面压由以下三部分组成；永久荷载与活荷载组成的长期面压、罕遇地震作用下水平分量产生的倾覆力矩引起的支座拉应力以及罕遇地震竖向分量产生的拉压应力。计算结果表明，在罕遇地震作用下支座不产生拉应力，最小面压为0. 52MPa，满足抗规要求。

4  隔震层以上结构抗震鉴定

    参照抗规相关规定，隔震上部结构的抗震鉴定应以确定的水平向减震系数进行。本工程水平向减震系数为0. 35，满足抗规关于设防烈度降低一度时所对应的层间剪力比最大值为0. 40的限值要求。即采用隔震技术加固后，原结构可以降低一度，按7度抗震设防进行地震作用计算，按8度设防进行抗震措施鉴定。鉴定结果表明：隔震后上部结构的总水平地震作用小于上部结构的抗震承载力，仅相当于原结构8度设防地震作用时的一半，说明原结构既有抗震承载力富余，安全又有保证；验算结果大于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用，各楼层的地震剪力满足抗规的最小地震剪力系数的规定，说明教学楼采用隔震技术加固措施适当；隔震后上部结构的抗震措施鉴定满足鉴定标准的各项要求，基本不考虑对上部结构进行加固处理，仅对预制楼板与墙体的连接做了如图7所示的处理。

    综上所述，教学楼采用隔震技术加固后，虽然没有直接提高教学楼上部结构的抗震承载能力，但可以有效地减小教学楼上部结构的地震作用，实际上极大地提高了教学楼结构的安全性和综合抗震能力，充分利用了原结构既有的抗震能力和抗震措施，避免了常规加固对教学楼使用的影响，实现了结构隔震加固的目标。

5  隔震层顶部梁板转换结构设计

    依据抗规的要求，为保证隔震层顶部梁板转换结构的刚度和承载力，协调整体结构受力，采用现浇钢筋混凝土梁板转换结构。由墙体两侧的托梁和横向抬梁构成的双夹梁式托换和建筑物整体移位托梁相同。横向抬梁的作用有两个：一是连接墙两侧的托梁；另一个是通过砖墙的“内拱效应”承担大部分竖向荷载，然后传给墙两侧托梁，再由托梁传给梁下支墩，形成隔震支座处的集中荷载。抬梁的内力按抬梁间距所承担的竖向荷载进行计算，抬梁参照

《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）进行设计。双夹梁式托换结构的内力参照《砌体结构设计规范》( GB 50003-2011)中关于墙梁的计算要求进行计算，构造满足抗规关于底部框架砖房的钢筋混凝土托墙梁的要求。隔震层顶部双夹梁截面尺寸选用300mm×600mm，楼板厚为180mm，混凝土强度等级选用C30，楼板双层双向通长配筋，满足抗规关于地下室顶板作为上部嵌固部位时最小配筋率为0. 25%的要求。

6  隔震层以下结构和地基基础设计

6.1隔震层支墩设计

    隔震层支墩的主要作用是传递上部结构荷载，连接隔震支座。依据抗规规定，与隔震层连接的下部构件（下支墩）的地震作用和抗震验算，应采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩进行承载力验算。如图8所示，隔震支座传给下支墩的竖向力包括重力荷载代表值产生的轴力P₁和地

6.2地基基础设计

    地基基础承担隔震层下支墩传下来的所有荷载，原楼基础为砖条形基础，不能直接承载。因此，须对原楼基础进行加固改造，如图9所示。依据抗规加固改造后的基础，应满足隔震后8度地震设防的抗震承载力要求，并按8度罕遇地震作用进行地、基础抗震承载力验算。

6.3隔震沟设计

    采用隔震技术设计时，上部结构（橡胶隔震支座以上部分）应与周围固定物脱开，使上部结构在地震作用下自由地发生平动。根据抗规的要求，上部结构与周边固定物竖向隔离空隙为20mm，水平隔离空隙为1.2倍罕遇地震作用时隔震支座最大的水平位移210mm(1.2×192.5)。隔震沟设计简图如图10所示。

7  隔震加固施工方案

    基础隔震技术应用在砖混结构加固工程中，关键是墙体托换技术的实施，隔震支座的布置形式和建筑物的移位相似，但隔震支座的安装更接近新建的基础工程，施工难度相比移位

工程也容易一些。根据工程特点，为使隔震加固安全有效地实施，确定的施工工序为：水准

测量-室内外土方开挖

8  隔震加固方案经济性分析

    隔震加固方案经济性对比见表7，从表7可看出，由于基础隔震加固方案仅在建筑物地面以下部分进行施工，对隔震层上部结构影响较小（仅涉及首层），既有建筑的装饰工程，给排水、消防工程，强、弱电工程等得到保护，与传统的钢筋混凝土板墙加固方案比较，土建改造工程相差不大，而综合成本明显低于传统抗震加固方案。从短期和直接的经济投入角度分析，采用隔震加固方案，不仅使得结构抗震能力大大提高，而且使得工程造价大幅降低。从长远看，即使隔震加固的建筑遭遇较大地震，其功能及室内设备、物品损坏轻微，将大大降低地震的直接和间接损失，其经济与社会效益是传统抗震加固建筑无法比拟的。

9  结论

    (1)通过分析可以看出，采用隔震技术大大降低了砖混结构在地震作用下的楼层剪力，使得原结构的抗震设防烈度降低一度。对于抗震设防区，特别是高烈度区经抗震鉴定后超标（主要指在结构高度、层数和抗震墙间距等方面）的房屋，通过降低上部结构的地震设防烈度来降低其抗震鉴定标准，从而使其满足抗震鉴定的要求。

    (2)采用隔震技术对教学楼进行抗震加固，施工工作仅在基础部分开展，施工周期短，加固施工工作可利用学校假期完成，基本上不影响学校的正常教学工作。

    (3)采用隔震技术的加固方法对原建筑使用功能、建筑外观、内部装修及管线等影响较小，大大减少了内部装修和恢复的费用。从长远考虑隔震加固建筑的经济社会效益明显，故可作为高烈度区砖混结构的学校、医院、历史建筑以及古建筑抗震加固的优选方案。