隔震支座在高層建筑抗震中的應(yīng)用研究

白應(yīng)華， 盧世杰， 孫振笏

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

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隔震支座在高層建筑抗震中的應(yīng)用研究

白應(yīng)華， 盧世杰， 孫振笏

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

研究了高層建筑在多遇地震作用下設(shè)置隔震支座后的抗震性能。以北方某餐飲大樓為工程案例，采用SAP2000軟件建立有限元模型，通過快速非線性分析方法以及動力彈塑性分析，對普通結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的層間位移響應(yīng)、層間剪力以及傾覆彎矩進行了對比研究。結(jié)果表明通過設(shè)置隔震支座，該高層建筑的層間位移角都有明顯的減小趨勢，層間剪力和傾覆彎矩僅為非隔震結(jié)構(gòu)的30%左右，隔震支座顯著降低了結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的反應(yīng)。

隔震支座； 高層建筑； 多遇地震； 動力彈塑性分析

地震造成的死亡人數(shù)占各類自然災(zāi)害造成的死亡人數(shù)總數(shù)的一半以上。因此地震災(zāi)害可以稱得上是自然界中的“災(zāi)害之首”[1]。隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)飛速發(fā)展，高層建筑的發(fā)展日益完善，高層建筑面臨的抗震問題也越來越突出。本文對高層建筑結(jié)構(gòu)的隔震技術(shù)方面進行了研究，通過合理選擇并布置隔震支座，使結(jié)構(gòu)的抗震效果明顯提高，也為類似工程提供可參考性建議。

1　工程概況

某餐飲大樓位于北方一線城市，設(shè)計使用年限為50年，安全等級為二級，地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，建筑抗震設(shè)防類別為丙類。該項目由一個塔樓和一個裙樓組成，塔樓共22層，其中地下室2層，共高84.7 m。裙樓地上部分5層，局部6層，分別高23.75 m和33.3 m。本工程基礎(chǔ)形式為樁基承臺式，設(shè)計等級為乙級, 采用后壓漿鉆孔灌注樁。

整體結(jié)構(gòu)占地面積大，而且裙樓面積遠超過塔樓面積，所以基礎(chǔ)不均勻沉降和結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的差異均較大。

本文主要考慮對主體塔樓的隔震分析，整體結(jié)構(gòu)分析模型見圖1。

(a)普通結(jié)構(gòu)模型　　　　(b)隔震結(jié)構(gòu)模型圖 1　整體結(jié)構(gòu)分析模型

2　有限元計算模型

2.1單元選取

該工程采用現(xiàn)澆砼結(jié)構(gòu)，采用縮減自由度的剛性樓板模擬樓面板，采用梁單元模擬梁和柱，采用殼單元模擬剪力墻。梁柱長度方向尺寸遠大于其截面尺寸，因此選擇梁單元。考慮到規(guī)范中樓板剛度對于中梁剛度放大影響，通過屬性修正實現(xiàn)中梁放大。剪力墻結(jié)構(gòu)高度和寬度方向尺寸遠大于厚度方向，采用殼單元?？紤]剪力墻結(jié)構(gòu)中鋼筋層對承載力的提高，采用分層殼單元。對于混凝土材料，選擇Mander模型考慮箍筋的影響，模擬約束混凝土。同時SAP2000中還提供了豐富的彈塑性分析單元，如非線性連接單元(NLink)用來模擬結(jié)構(gòu)中的阻尼器和隔震支座等(如Plastic-wen等單元)。

本工程屬于高層復(fù)雜結(jié)構(gòu)，抗震規(guī)范[2]規(guī)定對于該類特殊結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析需要考慮連接非線性并進行動力時程分析[3]。本文利用SAP2000中提供的雙軸非線性隔震單元模型進行分析。

2.2材料參數(shù)

SAP2000中根據(jù)各國規(guī)范提供了相應(yīng)的材料用于分析及設(shè)計，因此在SAP2000中根據(jù)本模型的材料依次進行材料參數(shù)的設(shè)置。

2.3隔震支座參數(shù)及布置

本工程考慮到底部地下室底板剛度足夠大，地下室變形足夠小，同時存在周圍覆土的支撐，(不隔震的后果)因此在地下室頂板進行隔震支座設(shè)置[4]，支座位置設(shè)置在柱底和墻底，具體尺寸根據(jù)在重力荷載作用下各柱底和墻底反力及支座面壓力確定。選用隔震支座參數(shù)見表1，整體結(jié)構(gòu)隔震支座布置見圖2。

表1　隔震支座型號及主要參數(shù)

圖 2　隔震支座布置圖

2.4地震波選取

在已有的地震記錄中，需要進行地震記錄調(diào)幅來滿足幅值要求，本文根據(jù)抗震設(shè)計規(guī)范要求，確定地震記錄的峰值，見表2。

表2　時程分析時所用地震加速度時程的最大值　cm·s-2

根據(jù)上述規(guī)定選擇三條地震波：EL-Centro波、Kobe波和人工波。EL-Centro波是1940年美國加利福尼亞地區(qū)6.7級地震記錄，加速度峰值NS方向為341cm/s2；Kobe波是1995年日本Kobe地震記錄。同時根據(jù)場地烈度要求將所需時程峰值調(diào)整至8度罕遇地震峰值400 cm/s2，將一組模型時程峰值調(diào)整到多遇地震峰值70 cm/s2作為彈性時程分析對比，地震記錄反應(yīng)譜跟規(guī)范反應(yīng)譜統(tǒng)計意義上相符，選用符合規(guī)范要求。波形頻譜和規(guī)范譜對比見圖3。

(a)EL-Centro波

(b)Kobe波

(c)人工波

(d)規(guī)范反應(yīng)譜對比圖 3　三條地震波

3　多遇地震下隔震結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析

3.1多遇地震作用下結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

由于軟件中單位換算和時程記錄單位存在不一致現(xiàn)象，因此考慮實際選取的地震記錄的絕對峰值，在軟件中單位設(shè)置為N，cm，取目標(biāo)峰值與絕對峰值的比例系數(shù)輸入實際地震時程分析工況中。多遇地震層間位移角見表3所示，各地震波下結(jié)構(gòu)層間位移角見圖4。

由表3可知，多遇地震層間位移角中可以直觀看出普通結(jié)構(gòu)的2-3層層間位移角最大為1/7407<1/6000，根據(jù)抗震設(shè)計規(guī)范對嵌固端的要求可得，該工程隔震支座設(shè)置在地下室頂板處，剛度能夠保證隔震支座的嵌固要求。

表3　多遇地震層間位移角

(a)不同地震記錄下反應(yīng)譜

(b) 規(guī)范譜與平均譜圖 4　普通結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)層間位移角對比

由圖4a可知，加入隔震支座之后，層間位移角都有明顯的減小趨勢，可知隔震支座的設(shè)置不但降低了上部結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，同時能夠降低地下室結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，對下部結(jié)構(gòu)以及周圍土體具有較好的安全性。

由圖4b可知，通過三條地震波的平均時程響應(yīng)與結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜響應(yīng)進行對比發(fā)現(xiàn)，盡管單條地震記錄的響應(yīng)與反應(yīng)譜響應(yīng)差值較大，但是地震記錄平均響應(yīng)與反應(yīng)譜響應(yīng)接近，因此為準(zhǔn)確反映不同地震記錄下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，采用3條地震記錄的平均值，這與IDA分析方法[5](即增量動力分析)的思路具有一致性。

3.2多遇地震作用下結(jié)構(gòu)層間剪力分析

對于建筑結(jié)構(gòu)，反應(yīng)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)和影響結(jié)構(gòu)的安全性主要反映在結(jié)構(gòu)的內(nèi)力上，即柱墻彎矩、剪力和軸力。同樣為反映隔震效果，抗震規(guī)范對隔震建筑的地震作用計算提出水平向減震系數(shù)的概念。水平向減震系數(shù)β對多層建筑為按彈性計算所得的隔震與非隔震各層層間剪力的最大比值；對于高層建筑則取層間剪力以及各層傾覆力矩比值的最大值，軸力主要涉及到隔震支座的安全性和整體結(jié)構(gòu)的抗傾覆性。

SAP2000中通過截面切割的方法進行輸出樓層剪力，選中需要輸出層剪力的抗側(cè)力構(gòu)件和下節(jié)點指定到組，然后通過組定義截面切割。截面切割原理是通過對在切割平面上所有構(gòu)件的數(shù)值積分點進行積分，得到結(jié)構(gòu)的剪力和彎矩，最后求得水平向減震系數(shù)β。規(guī)范譜和平均譜在多遇地震下樓層剪力見圖5，水平向減震系數(shù)β見圖6。

由圖5,三條地震波的統(tǒng)計圖可以直觀看出，通過在隔震層合理設(shè)置隔震支座，隔震結(jié)構(gòu)的層間剪力明顯減小，并且隔震支座附近的樓層減震效果最明顯，隔震結(jié)構(gòu)層剪力為4000 kN，普通結(jié)構(gòu)則為15 000 kN，層剪力峰值降低80%左右。同時隔震結(jié)構(gòu)層剪力變化明顯放緩，不存在局部樓層剪力的嚴(yán)重突變即有效避免結(jié)構(gòu)薄弱層的出現(xiàn)。由圖6中可以明顯看出，通過設(shè)置隔震層，隔震結(jié)構(gòu)的減震系數(shù)最大為0.41，說明隔震結(jié)構(gòu)的層間剪力與普通結(jié)構(gòu)的相比降低60%，顯示出隔震結(jié)構(gòu)良好的隔震效果。

圖5　普通結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)層間剪力

圖 6　水平向減震系數(shù)β

4　結(jié)論

本文對一實際復(fù)雜超高層長周期建筑進行設(shè)計，合理布置隔震支座并進行隔震分析研究,得到如下結(jié)論：

1)本高層結(jié)構(gòu)通過合理設(shè)置柔性隔震層，有效降低結(jié)構(gòu)的水平剛度，使得變形主要集中在隔震層部位。同時層間位移角都有明顯減小的趨勢，對下部結(jié)構(gòu)以及周圍土體具有較好的安全性。

2)從規(guī)范規(guī)定的減震系數(shù)角度分析，可以得出隔震結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下層間剪力和傾覆彎矩僅為非隔震結(jié)構(gòu)的30%左右。有效降低整個結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)，因此隔震層上部結(jié)構(gòu)非關(guān)鍵構(gòu)件抗震措施及設(shè)計計算配筋可以按照降低設(shè)防烈度1度考慮。

[1]陳運泰. 地震預(yù)測——進展、困難與前景[J]. 地震地磁觀測與研究,2007,28(2):1-24.

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[責(zé)任編校： 張巖芳]

Study on Application of Isolation Bearings into Anti-seismic Performance of High-rise Buildings

BAI Yinghua，LU Shijie，SUN Zhenhu

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068,China)

This paper aims to study the anti-seismic performance of high-rise buildings after setting the seismic isolation bearings against the background of the frequent earthquakes. The finite element model of a dining building in northern China is established by SAP 2000, and seismic isolation bearings are arranged in a reasonable way in isolated structure. Under frequent earthquakes, the story drift, inter-laminar shear and overturning moment of isolated structure and non-isolated structure is carried out by using fast nonlinear analysis method and dynamic elasto-plastic analysis method. The result shows that, by setting the seismic isolation bearings, story drift of the high-rise building has significantly decreased, with inter-laminar shear and overturning moment only about 30% of non-isolated structure, reducing the entire structure under frequent earthquake response, reaching a good isolation effect.

seismic isolation bearings；high-rise building；frequent earthquake；dynamic elasto-plastic analysis

2015-07-10

白應(yīng)華(1975-)， 男， 湖北應(yīng)城人，湖北工業(yè)大學(xué)副教授，研究方向為橋梁與結(jié)構(gòu)工程

1003-4684(2016)04-0117-04

375.4

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