高層剪力墻住宅的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與討論

陳濤+秦云

摘 要：某高層剪力墻住宅，擬采用地下室頂板上的基礎(chǔ)隔震技術(shù)。為掌握高層剪力墻住宅基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性，分別對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了分析和研究，對(duì)各自的周期、層間位移角、扭轉(zhuǎn)位移比、樓層剪力和層間傾覆力矩進(jìn)行了對(duì)比。分析結(jié)果表明，采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)后，上部結(jié)構(gòu)的層間剪力沿豎向的分布規(guī)律有所改變；對(duì)于8度（0.2g）設(shè)防地區(qū)的18層小高層住宅建筑，采用基礎(chǔ)隔震在技術(shù)上是可行和合理的。最后，本文結(jié)合分析過程及結(jié)果，對(duì)基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)中的軟件、特定參數(shù)的選擇等細(xì)節(jié)問題進(jìn)行了探討，可供工程研究和實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)隔震； 橡膠隔震支座； 結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號(hào)：TU318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

Discussion on design of high-rise shear wall housing base-isolated structures

Chen Tao1 ，Qin Yun2

（ 1. Yunnan university， Kunming； 2. Kunming Architectural Design And Research Institute Co ，Ltd， Kunming650011 ，China ）

Abstract： A high-rise shear wall residential building， it is proposed basement roof base isolation technology. In order to know the characteristic of seismic response for the High-rise shear wall housing base-isolated structures well， the structure model of the base isolated structure and the general structure are be analysed and studied ， then some comparison is be had with their period， story drift， torsional displacement ratio，story shear，Interlayer overturning moment . The analysis of the base isolation technique used in this project shows that： the distribution of the upper shear layer structure have changed； It is feasible and reasonable on technology for a18 floor of small high-rise residential buildings in a earthquake of 8degree（0.2g）； at last， this paper probes into some detail including applying specific parameter ， software in the designing process ，and the conclusion can be used for engineering research and practical reference.

Key words： base Isolation；Rubber isolating ；structural analysis；

1.工程概況：

云南梁河某工程，建筑平面如圖1所示?？拐鹪O(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值為0.2g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，三類場(chǎng)地，特征周期0.65s。采用剪力墻結(jié)構(gòu)形式，丙類建筑，樓層數(shù)19層，建筑結(jié)構(gòu)高度57.1m，寬23.7m，高寬比2.41。

近年來，云南省加大了對(duì)減隔震技術(shù)的推廣和應(yīng)用，受盈江地震的影響，并考慮建筑市場(chǎng)的需求，上述工程擬采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)。隔震裝置能夠在一定程度上大大減小結(jié)構(gòu)所受的水平地震作用，已被理論分析和國(guó)內(nèi)外強(qiáng)震記錄或震害情況所證實(shí)。本文以該剪力墻住宅為例，分別采用ETABS和SETWE基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和研究，對(duì)周期、層間位移角、扭轉(zhuǎn)位移比、樓層剪力和層間傾覆力矩等進(jìn)行了對(duì)比。

2.隔震結(jié)構(gòu)分析：

本項(xiàng)目的地下室層高為3.9m，在規(guī)劃用地范圍內(nèi)滿鋪設(shè)置，為保證項(xiàng)目的綠地率指標(biāo)，需將地下室頂板上無建筑的區(qū)域作為綠化用地，此時(shí)，規(guī)劃要求覆土厚度不得少于1.5m。根據(jù)上述要求，結(jié)合結(jié)構(gòu)需要，將隔震裝置置于地下室頂板標(biāo)高處，考慮轉(zhuǎn)換梁高度和檢修空間要求，隔震層層高按2.1m確定。隔震單元抗震縫寬度要滿足罕遇地震作用下的位移的1.2倍，本工程與其它非隔震建、構(gòu)筑物的間距按450mm設(shè)計(jì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工程經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)減震系數(shù)可使上部結(jié)構(gòu)所受水平地震設(shè)計(jì)作用標(biāo)準(zhǔn)降低一度，且減震系數(shù)不小于0.4，此時(shí)對(duì)于上部結(jié)構(gòu)可不考慮豎向作用的影響。利用SETWE（2010版）軟件，采用反應(yīng)譜分析方法進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)（層間位移、周期比等）完全符合現(xiàn)行規(guī)范對(duì)A級(jí)高度高層建筑結(jié)構(gòu)的要求，初步確定用于隔震裝置以上的結(jié)構(gòu)的布置方案。

在EATBS軟件中，建立與上述結(jié)構(gòu)完全一致的計(jì)算模型，采用時(shí)程分析方法進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)分析。根據(jù)擬建場(chǎng)地土的設(shè)計(jì)特征周期，選取7條時(shí)程曲線（2條人工波、5條天然波），波譜形狀、有效持續(xù)時(shí)間如圖3所示，其中NFN的有效持續(xù)時(shí)間最短，其值為19.719s；各地震波反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜值的對(duì)比如圖4所示。

在8度（0.20g）基本設(shè)防烈度的中震情況下，針對(duì)非隔震結(jié)構(gòu)，分別運(yùn)用反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法，計(jì)算結(jié)構(gòu)的底部剪力，結(jié)果如表1所示。

由表1可見：?jiǎn)螚l地震波時(shí)程分析與振型分解反應(yīng)譜法得到的結(jié)構(gòu)基底剪力之比在77%～111%之間，7條地震波時(shí)程分析基底剪力平均值與反應(yīng)譜法得到的結(jié)構(gòu)基底剪力之比在94%～97%之間。所選的地震波與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜具有統(tǒng)計(jì)符合性，具有顯著的代表性。

在罕遇地震情況下，考慮水平和豎向地震效應(yīng)影響，采用ETABS軟件進(jìn)行隔震層抗壓承載力、最大拉應(yīng)力和變形驗(yàn)算，合理化所使用的隔震支座布置和相關(guān)力學(xué)參數(shù)，必要時(shí)在滿足安全的前提下，根據(jù)隔震裝置的受力要求優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)布置，使結(jié)構(gòu)具有良好的抗扭剛度，保證隔震裝置具有足夠的抵抗除地震效應(yīng)以外的水平荷載的剛度和承載力。經(jīng)優(yōu)化，最終確定本工程共使用50個(gè)橡膠隔震支座，其布置和數(shù)量及力學(xué)參數(shù)分別詳圖5和表2所示。

結(jié)構(gòu)的隔震前后的周期如表3所示。

由此可見，所選7條地震波的最短有效時(shí)長(zhǎng)為19.17s，與隔震結(jié)構(gòu)的第一周期的比為6>5，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010）（以下簡(jiǎn)稱抗規(guī)）[1]的要求，所選地震波是可行且有效的。由表3可知，采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)后，結(jié)構(gòu)的周期大大延長(zhǎng)，遠(yuǎn)離了場(chǎng)地設(shè)計(jì)特征周期，進(jìn)而大幅度降低了結(jié)構(gòu)所受的水平地震作用。隔震裝置的設(shè)置，會(huì)影響結(jié)構(gòu)的平動(dòng)和抗扭剛度，可以推論，由于隔震支座對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度具有極大的影響，若隔震支座的選擇和布置不盡合理，即使上部結(jié)構(gòu)抗扭剛度較好，也可能導(dǎo)致隔震結(jié)構(gòu)的抗扭剛度的嚴(yán)重退化，對(duì)隔震裝置的受力和結(jié)構(gòu)的整體抗震能力產(chǎn)生不利的影響。

3.計(jì)算結(jié)果分析

由于結(jié)構(gòu)在地震作用下的效應(yīng)在x和y向有基本相同的規(guī)律，不失一般性，為簡(jiǎn)化計(jì)，以下討論均取x向的情況作分析。

3.1 樓層層間位移角：

在非隔震與隔震結(jié)構(gòu)在多遇地震和設(shè)防地震情況下，圖6和圖7中a）及b）表示上部結(jié)構(gòu)x向在7條地震波作用下的層間位移角，從圖中可見，非隔震結(jié)構(gòu)的最大層間位移角出現(xiàn)在第7～12層之間，具體位置可能因地震波而異，在部分地震波的作用下，層間變形曲線在局部有明顯的突變；隔震結(jié)構(gòu)的最大層間變形主要集中在隔震層，其值約為上部樓層最大值的250%，上部結(jié)構(gòu)的層間位移角較為均勻，最大層間位移角出現(xiàn)的位置較非隔震結(jié)構(gòu)的有所下移，在各地震波情況下均處在第8和第9層間，其值約為非隔震結(jié)構(gòu)的30%。對(duì)比兩圖，顯見在非隔震情況下效應(yīng)較大的地震波，對(duì)于非隔震結(jié)構(gòu)的效應(yīng)不一定更大；同時(shí)，隔震裝置的介入，可以弱化地震波不同對(duì)結(jié)構(gòu)層間效應(yīng)的差異，使結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)出更好的均勻性。

3.2 樓層剪力：

在非隔震與隔震結(jié)構(gòu)在多遇地震情況下，圖8中a）及b）表示上部結(jié)構(gòu)x向在7條地震波作用下的樓層剪力，從圖中可見，非隔震結(jié)構(gòu)的樓層剪力時(shí)程曲線，會(huì)有明顯的突變或反彎，而隔震結(jié)構(gòu)的樓層剪力近似為一條直線，反映出因有隔震裝置的介入，上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地震力沿高度呈矩形分布。隔震裝置的介入，明顯地改善了樓層剪力分布的均勻性。中震情況下有相同的規(guī)律。

3.3 樓層傾覆力矩：

圖9中，a）和b）表示設(shè)防地震情況下結(jié)構(gòu)樓層X向傾覆力矩沿高度方向的變化曲線，由圖可見，對(duì)于非隔震結(jié)構(gòu)相對(duì)于前述的層間位移和樓層剪力曲線而言，傾覆力矩沿高度的變化曲線較為均勻光滑，隔震結(jié)構(gòu)傾覆力矩自上而下的增長(zhǎng)速度較非隔震結(jié)構(gòu)的要大，表明傾覆力矩對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的影響較非隔震結(jié)構(gòu)的大。

3.4 水平向減震系數(shù)和抗震構(gòu)造措施的確定：

按照《抗規(guī)》12.2.5條，在設(shè)防地震作用下，按彈性計(jì)算隔震與非隔震各層的層間剪力的最大比值和各層傾覆力矩的最大比值，水平向減震系數(shù)β取兩者的較大值。本工程經(jīng)對(duì)比得最大水平向減震系數(shù)為0.397<0.40，隔震后，上部結(jié)構(gòu)的小震情況下的水平地震作用影響系數(shù)最大值為 =0.397×0.16/0.8=0.079，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)取為0.08，相當(dāng)于7度（0.10g），可見假設(shè)降低一度進(jìn)行設(shè)計(jì)是合理可行的。剪力墻抗震等級(jí)按7度（0.10g）確定為三級(jí)，因水平向減震系數(shù)小于0.40，按《抗規(guī)》12.2.7條規(guī)定，隔震后上部結(jié)構(gòu)的除與抵抗豎向地震力作用的相關(guān)構(gòu)造措施，主要為軸壓比仍然按8度（0.20g）的要求控制外，其它抗震構(gòu)造措施均按7度（0.10g）采取。

3.5 罕遇地震作用下隔震支座的承載力和變形限值驗(yàn)算：

規(guī)范要求，隔震橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時(shí)作用下，拉應(yīng)力不應(yīng)大于1.0Mpa。本工程的相關(guān)驗(yàn)算結(jié)果如表4所示，從表中可見，均滿足規(guī)范要求。

罕遇地震下，豎向地震作用取0.2倍的重力荷載代表值，隔震支座拉應(yīng)力滿足《抗規(guī)》要求。隔震層在滿足隔震支座壓應(yīng)力限值（≦15MPa）條件下，最大水平位移269mm，小于0.55D=330mm（D為最小隔震支座直徑，本工程采用隔震支座最小直徑為600mm），滿足《抗規(guī)》要求。

3.6 隔震裝置的抵抗其它水平力作用的驗(yàn)算：

根據(jù)《抗震》12.1.3條，采用隔震的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的產(chǎn)生的總水平力不宜超過結(jié)構(gòu)總重力的10%，本結(jié)構(gòu)總重力為142712kN，滿足要求。隔震層必須具備足夠的屈服前剛度和屈服承載力，以滿足風(fēng)荷載和微振動(dòng)的要求?！动B層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》（CECS126：2001）[2]4.3.4條規(guī)定，抗風(fēng)裝置應(yīng)按下式進(jìn)行驗(yàn)算：

，即 ≤3330.4KN（各鉛芯支座的屈服力之和），滿足要求。

式中： ——抗風(fēng)裝置的水平承載力設(shè)計(jì)值。當(dāng)不單獨(dú)設(shè)抗風(fēng)裝置時(shí)，取隔震支座的屈服荷載設(shè)計(jì)值； ——風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.4； ——風(fēng)荷載作用下隔震層的水平剪力標(biāo)準(zhǔn)值。

4. 結(jié)論：

1） 對(duì)與8度（0.20g）地區(qū)的18層高層剪力墻住宅結(jié)構(gòu)，采用基礎(chǔ)隔震在技術(shù)是可行的。

2） 隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定隔震裝置的布置方式及隔震支座的參數(shù)；隔震支座的應(yīng)具有合理的水平向抗側(cè)剛度、必要的豎向承載力，隔震支座的布置應(yīng)使其在罕遇地震作用下的拉應(yīng)力較低并控制在許可范圍內(nèi)。

3） 隔震裝置的介入，可以是結(jié)構(gòu)所受的地震效應(yīng)沿豎向更為均勻，由此可以期望，對(duì)隔震層以上結(jié)構(gòu)的規(guī)則性要求可以適當(dāng)降低。

4） 從力學(xué)原理出發(fā)，抗扭剛度對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)依然較為重要，故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，仍然需要在一定程度上保證結(jié)構(gòu)的周期比。

5.相關(guān)討論：

1）本工程設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)規(guī)定存在部分模糊地方；故在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意計(jì)算結(jié)果合理性的分析。

2）現(xiàn)行工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，利用ETABS等通用軟件進(jìn)行隔震分析，用SETWE軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)出圖的方式，存在一定的不協(xié)調(diào)性，例如：隔震結(jié)構(gòu)上支墩所受剪力，實(shí)際上取決于相應(yīng)隔震支座的抗側(cè)剛度，而采用SETWE進(jìn)行分析時(shí)，該支墩下部是按不動(dòng)鉸接處理的，此時(shí)，支墩所受剪力是由支墩本身的抗側(cè)剛度決定的，兩種方式計(jì)算所得的剪力理論上是不同的，甚至可能有很大差別。無疑，采用帶隔震裝置的整體結(jié)構(gòu)模型分析和設(shè)計(jì)才是合理的，在目前階段存在一定的難度、需采用SETWE接力進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)的情況下，應(yīng)根據(jù)對(duì)應(yīng)支座的抗側(cè)剛度合理確定上支墩的截面尺寸，而不能在SETWE軟件中直接使用上支墩的實(shí)際構(gòu)造尺寸進(jìn)行受力分析，特別是在采用一柱多墊子設(shè)計(jì)需要將支墩尺寸加大很多的情況下更是如此。

3）目前的隔震結(jié)構(gòu)分析，無論地震烈度處于哪一階段，均假設(shè)上部結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，這是不十分合理的，事實(shí)上，按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在中、大震情況下，上部結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生彈塑性變形，由此影響到結(jié)構(gòu)的整體性能。上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈塑性變形對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的影響，有待進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

4）在隔震層，對(duì)于剪力墻下轉(zhuǎn)換梁的分析，SETWE很多情況下不能給出正確的結(jié)果。此時(shí)，需采用其它軟件進(jìn)行補(bǔ)充分析和校核，考慮墻梁復(fù)合作用及梁下隔震支座實(shí)際布置情況對(duì)剪力墻局部受力狀態(tài)的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500-2010）[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010

[2]疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)，2001

[3]崔京浩、黨育、杜永峰等.基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工指南[M].北京：水利水電知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2007

[4]蘇經(jīng)宇、曾德民、田杰.隔震建筑概論[M].北京.冶金工業(yè)出版社，2012