摘 要： 隔震技术是一项非常有效的结构抗震技术, 但是因为增设隔震支座导致的额外造价, 导致了其应用的局限性, 这其中并没有考虑到增设隔震支座导致的结构尺寸减少、钢筋用量减少产生的经济效益。本文通过两个对比模型分别计算了使用传统抗震手段和基础隔震手段的结构性能与材料用量, 从而分析基础隔震对建筑初始造价的影响。
关键词： 基础隔震; 盈建科; 有限元计算方法; 造价;
Abstract： Seismic isolation technology is a very effective structural seismic technology, but the additional cost caused by the addition of isolation bearings has led to the limitations of its application, which does not take into account the reduction in structural size caused by the addition of isolation bearings and the economic benefits from reduced use of steel bars. In this paper, the structural performance and material usage of traditional seismic means and base isolation means are calculated by two comparison models, and the influence of foundation isolation on the initial cost of the building is analyzed.
Keyword： base isolation; Yingjianke; finite element calculation method; cost;
1、 工程概况
星辰园48班中学是位于昆明市官渡区新亚洲体育城片区的新建项目。项目总占地面积4894.5m2，建筑面积20378.9m2。地上建筑六层，地下设有隔震层，总共7层。建筑长向120.25m，短向54.1m，层高3.9m，结构总高度19.5m。
本建筑采用钢筋混凝土框架结构，建筑场地类别为Ⅲ类，抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度0.20g，设计地震分组第三组，抗震设防分类为重点设防类（乙类），结构抗震等级二级。由于建筑平面形状不规则，通过设置抗震缝将建筑划分为6个单体。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[4]，采用隔震技术设计后，上部结构水平地震影响系数最大值按0.08进行设计。竖向地震作用标准值按隔震层以上结构总重力荷载代表值的30%采用。
考虑到结构单体的重复性，本次对比只选择星辰园48班中学的一个结构单体进行计算和对比。此单体长向41.1m，短向10.1m。
2、 隔震层选择与布置
使用隔震技术的模型采用的是基础隔震技术，隔震支座设置在基础顶部、上部结构的底部。根据框架柱的竖向承载力和抗震承载力和变形的要求，本工程中的隔震支座采用铅芯橡胶支座与天然橡胶支座，本工程共采用5类183个隔震支座，支座参数如表1所示。隔震支座上支墩混凝土强度等级C40，隔震沟底垫层混凝土强度等级C15。
3 、结构分析
为了探讨基础隔震混凝土结构在水平地震作用下的隔震效果，以星辰园48班中学的A-2区单体为例进行分析，采用软件YJK进行数值模拟分析，分别建立基础隔震结构和传统抗震结构的数值模型。模型中假定上部结构弹性变形，计算中只考虑隔震支座的弹塑性，没有考虑土与基础之间的相互作用，梁柱的材料性能完全相同，网格采用统一尺寸，结构的荷载工况相同。
表1 橡胶隔震支座性能参数
注：R表示铅芯橡胶支座，N表示天然橡胶支座.
3.1、 传统抗震设计
按照现行相关规范，采用传统抗震设计方法对星辰园48班中学的一个单体进行设计。为结构构件的布置只考虑满足各项结果计算的各项设计指标，不考虑结构构件增大后对建筑功能的影响。典型构件的截面尺寸、位置、抗震等级以及混凝土标号见表2所示。地震作用下的楼层最大位移见表3。从表3中可以看出，最大位移角出现在三层和四层中间，其值约为1/573，出现在X方向地震作用下。
表2 结构梁、柱设置情况
3.2、 基础隔震设计
根据隔震设计的基本要求可知，隔震层支墩、支柱及相连构件，应采用隔震结构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；隔震层以下结构按罕遇地震进行抗剪承载力验算。隔震层以下地面以上的结构在罕遇地震下的层间位移角限制应满足规范要求。
按照现行相关规范，采用基础隔震方法对星辰园48班中学的一个单体进行设计。典型构件的截面尺寸、位置、抗震等级以及混凝土标号见表4所示。地震作用下的楼层最大位移见表5。从表5中可以看出，最大位移角出现在三层，其值约为1/1386，出现在Y方向地震作用下。对比表3和表5可以看出，采用基础隔震的结构最大位移出现位置下移，位移量减小，隔震设计更符合地震区结构的设计。
表3 地震作用下的楼层最大位移表
表4 结构梁、柱设置情况
表5 地震作用下的楼层最大位移表
4、 初始造价分析
4.1、 构件尺寸对比
与采取基础隔震设计相比，采用传统抗震设计时，为保证结构的位移在规范的允许值范围内，框架柱柱的尺寸需要设置的很大，特别是外框架和角柱。另外，为了保证框架的整体性，避免发生扭转和层间位移比偏大，框架梁也需要增大。
图2 两种设计模型使用材料对比图
图1 两种结构模型对比图
图1为两种设计方式的结构模型对比图，从图中可以看出，传统抗震设计模型的竖向构件在明显大于设置了基础隔震的构件尺寸，可以看出设置基础隔震可以有效减小竖向构架的尺寸，节约建筑空间，降低建筑成本等优点。
4.2 材料用量对比
本文3.1和3.2的设计结果得出了全楼（除基础外）的钢筋、混凝土用量，其分别考虑采用传统抗震设计方案和基础隔震方法。图2给出了考虑了不同抗震方法的两种模型的钢筋和混凝土用量对比图。其中，由于板的配筋与隔震层的位置关系不大，因此未考虑在内。
从图2中可以看出，采用基础隔震设计时，对结构所需的钢筋用量有着极大的减少，其中，梁的钢筋用量约为传统抗震设计时的约50%，柱的钢筋用量相比传统抗震设计时的用量减少了约60%；而因为所需结构尺寸的减小，全楼结构的混凝土用量也减少了约25%。
5、 结论
本文使用实际案例，通过两个采用不同抗震方法的结构设计，分别考虑了传统抗震设计和基础抗震设计带来的初始造价的差异，得出了基础隔震设计对初始造价的减少幅度，为今后的抗震设计提供参考。对比结果表明，采用基础隔震设计对全楼的钢筋使用量能减少至少50%的用量，混凝土用量也可减少约25%，这极大的减小了结构的造价，提升了整个建筑的经济性。同时，采用基础隔震设计能减小结构尺寸，为建筑使用提供更大的空间。建筑材料用量的减小也能削弱建筑建设中对环境的影响。
参考文献
[1] 周颖, 陈鹏, 刘璐, 等.9度区某高层酒店隔震设计及经济性分析[J].建筑结构, 2016 (22) :59-63.
[2]周云, 吴从晓, 张崇凌, 等.芦山县人民医院门诊综合楼隔震结构分析与设计[J].建筑结构, 2013 (24) :23-27.
[3]周颖, 陈鹏, 刘璐, 等.9度区某高层酒店隔震设计及经济性分析[J].建筑结构, 2016 (22) :59-63.
[4]中华人民共和国原城乡建筑环境保护部.建筑抗震设计规范[M].2001.
[5]龚永达, 丁丹柯, 黄双双, 谷伟.村镇建筑基础滑移隔震技术研究与应用现状分 (c) 全楼混凝土用量 (t) 对比图析[J].价值工程, 2019, 38 (06) :90-92.
