我国地处欧亚板块,地震频繁,高烈度区分布广泛,尤其在中西部地区较为集中。随着西部大开发和“一带一路”倡议的深入,西部地区和中部地区的城市化发展步伐加快,包括体育场馆、机场航站楼、火车站、会展建筑等在内的公共类建筑建设需求加大。

　　 体育馆建筑一般高度较低,结构刚度较大,受到的地震作用大,同时具有人流密集、重要性高、体型较为复杂的特点,且一般作为震后救灾场所,抗震性能要求高^[1],需采取有效措施保证其在中震、大震后的正常使用功能。隔震技术近年来发展迅速,在高度较低、刚度较大的多高层建筑中应用时隔震效果显著^[2],对体育馆建筑有较强的适用性。

　　 本文以唐山新体育中心体育馆项目为例,介绍了体育馆建筑基础减隔震分析的全过程,包括隔震结构体系选型、隔震层的布置、隔震分析主要计算结果等,并基于体育馆建筑的建筑布置特点,着重讨论了隔震层开洞影响、黏滞阻尼器布置及位置等问题,为体育馆建筑的隔震设计提供参考。

　　 唐山新体育中心位于唐山市路南区南湖生态城内,总建筑面积215 124m²,建筑内容包括35 000座乙级体育场、6 000座乙级中型体育馆、2 000座乙级游泳馆、全民健身中心,游泳馆与全民健身中心合建,能够承办各种规格的单项体育赛事。其中,体育馆和游泳馆造型采用极具现代感的铝板流线型设计,建筑线条起伏流畅;夜间内部光线从铝板缝隙中透出,彰显优雅的气质。体育馆和游泳馆均采用屋面和立面一体化设计,屋面均有局部掀起一角的弧线造型的采光天窗,在两个场馆交接的屋面处布置有条形采光带,两个场馆的立面采用铝板幕墙,局部采用玻璃幕墙。结构设计时,通过在屋面设置分隔缝将体育馆和游泳馆划分为两个独立的单体,如图1所示。

　　 体育馆地上3层,底层层高6m,2层、3层层高5.1m,屋顶建筑最高点31.0m,无地下室。屋顶局部有凸起的采光天窗,天窗高出下层屋盖0～5m。屋盖结构横向最大宽度为105m,纵向最大长度为129m;室内的比赛馆大空间结构最大横向宽度为80m,纵向最大长度为85m。体育馆建筑平面与剖面图分别如图2、图3所示。

　　 根据建筑屋面形态和跨度需求,结合下部结构可以提供的支承条件,本项目屋面采用钢结构体系,结构中部大空间屋面采用张弦梁结构,典型剖面见图4。并在柱网较为密集的尾部屋面布置正交实腹梁网格结构,结构四周立面沿轴线布置落地的幕墙折柱,屋盖整体结构见图5。体育馆看台部分(图6)采用混凝土框架结构。

　　 体育馆座位数量超过4 500座,根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223—2008)^[3],此体育馆属于乙类重点设防类建筑。项目所在地区结构抗震设防烈度为8度(0.3g),建筑场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第二组,场地特征周期为0.40s。为提高建筑抗震性能,结构上采用基础隔震技术,隔震目标为保证上部结构在地震后仍然保持正常使用功能。

　　 本项目主体结构为平面呈椭圆形的空间结构,刚度和质量在平面和竖向分布都不均匀,隔震分析时采用空间整体模型进行计算,以较准确地反映结构特性。分析采用SAP2000软件进行,其中,橡胶支座采用Rubber Isolator + Gap单元模拟,弹性滑板支座采用Friction Isolator单元模拟,黏滞阻尼器采用Damper单元模拟。

　　 分析时选取7条地震时程波(5条天然波和2条人工波)。经验算,所选地震时程波满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)^[4](简称抗规)“多组时程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”的要求,同时满足抗规“弹性时程分析时,每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%,多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%”的要求。后文的时程分析结果均取7条地震时程波的平均值进行计算。

　　 本项目隔震目标为隔震层上部结构的水平地震作用及有关的抗震措施降低1度,即水平地震的抗震措施按7度(0.15g)设计,但与抵抗竖向地震作用有关的抗震措施仍按8度(0.3g)设计^[4]。

　　 项目初步方案阶段对本结构提出以下两种方案进行比选:1)刚性结构方案,通过增大构件截面尺寸增加结构刚度与承载力,抵抗地震作用;2)隔震结构方案,通过在上部结构基础顶设置隔震层,使上部结构与基础处于隔离状态,从而有效隔绝地震能量向上传递,大幅减小上部结构所受的地震作用。

　　 框架柱结构平面布置及截面编号见图7,两种方案的框架柱截面尺寸和造价对比见表1与表2。

　　 从表1和表2可以看到,隔震结构方案造价相对于刚性结构方案增加约48万,但由于地震作用大幅降低,构件截面尺寸大大减小,上部结构获得了更大的建筑空间。因此,本结构采用隔震结构方案进行设计。

　　 本项目采用基础隔震,隔震层的布置主要考虑了以下几个因素:1)刚度较大的铅芯橡胶支座沿建筑周边布置,刚度较小的天然橡胶支座沿建筑内部布置,这样有利于增大扭转刚度^[5];2)铅芯橡胶支座与天然橡胶支座(后文统称橡胶隔震支座)在重力荷载代表值作用下竖向平均应力不应超过乙类建筑的限值12MPa^[4];3)隔震层质心与刚心的偏心率小于3%^[6];4)在罕遇地震作用下,橡胶隔震支座不宜出现拉应力,当少数橡胶隔震支座出现拉应力时,其拉应力不应大于1MPa^[6];5)在罕遇地震作用下,橡胶隔震支座的极限水平变位应小于其有效直径的0.55倍和各橡胶层总厚度3.0倍二者的较小值^[4];6)为减小罕遇地震作用下隔震层变形,在隔震层设置黏滞阻尼器;7)为减小隔震层水平刚度,在竖向承担荷载较小的区域布置弹性滑板支座,主要为训练场和大平台区域。

　　 根据以上布置原则,共布置支座152个(132个橡胶隔震支座和20个弹性滑板支座),黏滞阻尼器10套。经验算,隔震层X向偏心率0.66%,Y向偏心率1.07%,满足规范限值3%的要求。隔震层的平面布置见图8,隔震层的典型剖面如图9所示。

　　 对于体育场馆类建筑,一般在建筑中部会有一个较大的比赛场地,比赛场地上方无任何竖向支承构件,并无抗震需求。因此,本项目考虑将隔震层比赛场地区挖孔开洞,并与不开洞方案进行对比。由于不开洞方案在比赛场地区增设隔震层楼面和弹性滑板支座,因此总重量较开洞方案增加11%,隔震层开挖量增加28%,弹性滑板支座增设32个。两种方案的隔震层平面布置如图10所示。

　　 对开洞方案和不开洞方案分别进行动力时程分析,得到两个方案在设防地震下的减震系数,见表3,罕遇地震下的隔震层变形对比见图11。

　　 由表3和图11可以看出:1)两个方案的减震系数均满足设防烈度降低1度要求(根据抗规要求,减震系数小于38%时,上部结构可按降1度设计);2)不开洞方案结构重量较大,导致支座变形较大,超过规范限值要求;3)不开洞方案增加成本约333万,主要包括土方开挖约50万,隔震层楼面约251万,隔震支座约32万。

　　 综上,开洞方案在满足减震效果的同时,较不开洞方案的抗震性能更优,经济性更佳。

　　 为验算开洞方案隔震层的整体刚度,采用弹性膜模拟隔震层楼板进行分析。取洞口四边共4个点(监测点1～4,见图12),分别计算监测点1和监测点2在X向主震、监测点3和监测点4在Y向主震下的变形,结果如图13所示。由图13可以看到,监测点1和监测点2的变形差、监测点3和监测点4的变形差在罕遇地震作用下均在3mm以内,隔震层整体变形基本一致,整体刚度较优。

　　 为进一步保证隔震层的刚度,本项目隔震层楼板厚度取250mm。

　　 为研究黏滞阻尼器的布置对隔震层的影响,采用无阻尼器方案和有阻尼器方案进行对比,如图14所示。对两个方案分别进行动力时程分析,得到设防地震下的减震系数如表4所示,罕遇地震下的隔震层变形对比见图15。

　　 从表4和图15可以看出,黏滞阻尼器的布置有利于增加结构减震效果,同时支座变形由462mm减少至377mm,降幅达到18%。

　　 由于动力荷载作用下,黏滞阻尼器具有一定的动刚度,因此,为增大隔震层的抗扭刚度,黏滞阻尼器一般沿建筑物四周对称布置。本项目中,由于隔震层在建筑物中部比赛场地区开洞,中部的刚度相对较弱,黏滞阻尼器布置于洞口周边有利于协调隔震层刚度的均匀分配。为此,对比了黏滞阻尼器沿建筑外周边布置和沿建筑内部洞口周边布置两种布置方式,如图16所示。对两个方案分别进行动力时程分析,得到设防地震下的减震系数见表5,罕遇地震下的隔震层变形对比见图17。

　　 从表5,6和图17可以看出,黏滞阻尼器的布置位置对减震效果影响不大,但沿建筑内部洞口周边布置黏滞阻尼器方案可以使隔震层支座变形更加均匀。

　　 隔震结构与非隔震结构的周期对比见表7,隔震后结构周期延长3倍以上,有利于结构远离场地特征周期,减小地震作用。隔震后结构第1阶振型X向质量参与系数由26%提高到95%,第2阶振型Y向质量参与系数由24%提高到98%,结构振动由频域很广的复合振型改变为以低阶平动振型为主,有利于改善不规则结构的扭转效应。

　　 根据抗规要求,对于高层隔震建筑,应该分别计算设防地震下隔震与非隔震结构各层层间剪力与层倾覆力矩的最大比值,取二者的较大值作为上部结构的水平减震系数^[4]。对本项目隔震结构和非隔震结构分别进行7组中震时程下的动力时程分析,在设防烈度地震下,隔震结构X向层剪力最大减震系数平均值为34%;Y向层剪力最大减震系数平均值为37%;X向最大弯矩最大减震系数平均值为31%;Y向最大弯矩最大减震系数平均值为33%。采用隔震技术后,上部结构可按设防烈度降低1度进行设计(采用黏滞阻尼器时水平减震系数小于38%)。

　　 隔震支座应力验算包括长期面压、短期极大面压和短期极小面压,可采用下式计算:

　　 $\sigma {}_i={\rm N}{}_i/A{}_i\le [\sigma ](1)$

　　 式中:σ_i为第i个支座轴向应力;N_i为荷载验算组合下第i个支座所受轴力;A_i为理论计算的第i个支座截面有效面积;[σ]为隔震支座轴向应力限值。

　　 长期面压计算考虑恒载和活载的标准组合^[6],图18给出了隔震支座长期面压分布情况。可以看出,在重力荷载代表值作用下,橡胶隔震支座最大长期面压值为11.11MPa,弹性滑板支座最大长期面压值为7.79MPa,均满足隔震设计标准(征求意见稿)^[6]对支座长期面压的限值要求(橡胶隔震支座不大于12MPa,滑板支座不大于15MPa),保证了隔震支座在正常使用情况下的工作性能。

　　 短期极值面压计算考虑重力荷载代表值和罕遇地震动三向地震作用组合^[6],图19给出了隔震支座在罕遇地震作用下的短期极大面压分布。可以看出,罕遇地震作用下,橡胶隔震支座最大压应力为13.25MPa,弹性滑板支座最大压应力为8.02MPa,均满足隔震设计标准(征求意见稿)^[6]对支座短期极大面压的限值要求(橡胶隔震支座不大于25MPa,弹性滑板支座不大于30MPa)。

　　 图20给出了隔震支座在罕遇地震作用下的短期极小面压分布。可以看出,罕遇地震作用下,橡胶隔震支座最小压应力为0.02MPa,弹性滑板支座最小压应力为0.86MPa,均未出现拉应力,满足隔震设计标准(征求意见稿)^[6]对支座短期极小面压的限值要求(橡胶隔震支座不大于1MPa,弹性滑板支座不出现拉应力)。

　　 抗规规定,橡胶隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移不应大于0.55倍支座直径和3倍支座橡胶层厚度的较小值^[4]。本项目罕遇地震下支座水平向最大平均位移为377mm<385mm(直径700mm橡胶支座的最大允许变形为700×55%=385mm),满足规范限值要求。

　　 隔震结构在罕遇地震下的能量耗散分布见图21。可以看到,地震输入能量大部分由隔震支座和黏滞阻尼器耗散,耗能占比达到71%,大大减小了输入到上部结构的地震能量,罕遇地震下上部结构构件保持弹性,未出现塑性损伤。

　　 隔震层必须具备足够的屈服前刚度,以满足风荷载和微振动的要求。隔震层的水平恢复力特性由铅芯橡胶支座和天然橡胶支座共同组成,如图22所示。可以看到,本项目中,隔震层屈服力(6 128kN)大于100年风荷载标准值作用下隔震层层剪力的1.4倍(3 716×1.4=5 202kN),满足隔震层抗风承载力要求。

　　 本项目平面尺寸较长(129m),在上部结构不设置温度缝情况下,需考量温度效应对隔震支座的影响。

　　 本地区月平均气温最高为35℃,最低为-15℃,钢结构合拢温度定为10～15℃,最终考虑升温降温各30℃,对整体结构进行温度效应分析。计算结果表明,在上述工况下,隔震支座最大变形值为1.3mm,温度作用引起的支座变形量较小;最大支座剪力为20kN,隔震支座远未屈服。温度效应对隔震支座的影响可忽略不计。

　　 (1)体育馆建筑重要性高,且结构刚度较大、受到的地震作用较大,采用隔震技术具有较强的适用性和必要性。

　　 (2)唐山体育馆位于高烈度区,抗震性能要求高,且由于建筑造型需求导致上部结构布置不规则,给结构设计带来一定挑战。设计时通过采用基础隔震技术,上部结构达到设防烈度降低1度设计目标,降低了上部结构设计难度,大幅提高了结构抗震性能。

　　 (3)对比了刚性结构方案和隔震结构方案,隔震结构方案虽然造价稍有提高,但可减小构件截面尺寸、增大建筑使用空间,更具优越性。

　　 (4)根据体育场馆建筑功能布置的特点,将隔震层在比赛场地区域挖孔,节约造价的同时改善了地震作用下隔震层的变形。

　　 (5)在隔震层设置黏滞阻尼器有利于提高减震效果,减小隔震层变形;本项目中,黏滞阻尼器沿建筑内部洞口周边布置有利于协调隔震层的刚度分布,各个支座的变形更加均匀。

　　 (6)对本项目进行了详细的隔震分析,各项计算指标均能满足规范要求,证明了本项目隔震技术应用的安全性和有效性。罕遇地震下地震能量基本由隔震层耗散,上部结构保持弹性,未出现塑性损伤。

　　 (7)本项目隔震层的布置及设计在类似体育场馆类建筑中具有一定代表性,可为类似项目的设计提供参考。