隔震技術在高層建筑中的應用初探

雷 曉 林

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

隔震技術在高層建筑中的應用初探

雷 曉 林

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

高層建筑固有的自振周期較長，從反應譜曲線觀察，采用隔震技術繼續(xù)延長周期似乎減震作用不明顯。針對這個問題，以某高層結構隔震設計為例，通過合理調(diào)控隔震層的剛度等方法，達到了滿意的隔震效果，印證了隔震技術在高層建筑中應用的可行性。

隔震技術，隔震層，隔震支座

0 引言

高層建筑固有的自振周期較長，從反應譜曲線觀察，采用隔震技術繼續(xù)延長周期似乎減震作用不明顯。針對這個問題，下面以某高層框剪結構隔震設計為例，通過合理調(diào)控隔震層的剛度等方法，探索隔震技術在高層建筑中應用的可行性。

1 工程概況

本工程位于山西太原，地上12層，地下1層，該建筑總高度48.75 m?？拐鹪O防區(qū)域?qū)儆?度設防區(qū)，設計基本地震加速度峰值按0.20g考慮，設計地震分組被劃分為第一組，該建筑場地被劃分為Ⅲ類場地，工程所在場地特征周期為0.45 s。該地區(qū)基本風壓達0.4 kN/m2，地面粗糙度為B類。采用框剪結構，擬采用隔震設計，隔震層設置在地下1層。

2 隔震層設計

本工程隔震層設計的目標是：發(fā)揮隔震器的支承建筑物的重量和調(diào)頻濾波作用，并利用隔震器中所含的阻尼材料裝置去通過屈服變形吸收和消耗地震能量、并控制隔震層的水平位移。

2.1 隔震支座選型

設置在地下1層的隔震層由鉛芯疊層橡膠隔震支座組成。在這里，之所以選用含有鉛芯的橡膠隔震支座，主要考慮兩方面因素。一方面，在正常使用階段，利用鉛芯的初始剛度來抵水平抗風荷載，免設抗風裝置和阻尼裝置。另一方面，利用鉛芯在較高的水平地震作用下發(fā)揮鉛芯穩(wěn)定的耗能減震作用，并在罕遇地震作用下可有效控制隔震層的水平位移，同時利用豎向剛度足夠大的橡膠隔震支座支承上部豎向荷載。

2.2 支座平面布置

在平面開始初步布置時，確保隔震支座在重力荷載代表值的豎向壓應力不超過15 MPa(丙類建筑)。同時在確定鉛芯疊層橡膠隔震支座的數(shù)量時，既要滿足鉛芯疊層橡膠隔震支座的屈服力之和大于隔震結構所承受水平風荷載的隔震層處水平剪力設計值，又要在后續(xù)計算分析中復核在罕遇地震作用下是否滿足有效控制隔震層的水平位移的限位要求。并適當拉大含有鉛芯的橡膠隔震支座間距，相應增大隔震支座直徑。

本工程在確定含有鉛芯的橡膠隔震支座的數(shù)量時受罕遇地震作用下隔震層水平位移的控制，共選用59個鉛芯疊層橡膠隔震支座，其中，GZY1000B支座12個，GZY800A支座24個，GZY700支座23個。本工程所選用的鉛芯疊層橡膠隔震支座的規(guī)格、力學性能參數(shù)如表1所示。

表1 鉛芯疊層橡膠隔震支座力學性能參數(shù)

3 隔震結構動力分析

3.1 結構計算方法確定

為了能將橡膠隔震支座準確模擬為隔震結構中上下部結構之間的連接單元，本工程選用軟件ETABS進行線性和非線性動力計算分析。在用ETABS軟件建模時，橡膠隔震支座的豎向拉壓剛度比值按1/10考慮[2]。

3.2 地震動輸入

按《抗規(guī)》5.1.2條規(guī)定[1]的原則，結合本工程場地條件和結構自振特性，本工程選取了實際2條歷史記錄的強震天然波和1條按設計反應譜模擬的人工波。計算分析結果表明，三條時程反應譜曲線和規(guī)范反應譜曲線擬合程度好，頻譜特性相差不大。三條所選地震波和規(guī)范反應譜在對應于結構主要振型的周期點上，計算得出的結構基底剪力值見表2。

表2 中震彈性分析計算的非隔震結構基底剪力值(加速度峰值200 cm/s2)

由表2可知，本工程所選三條地震波滿足《抗規(guī)》要求。用這三條地震波進行時程分析所得基底剪力最大值略大于振型分解反應譜法的計算結果，故可取動力時程分析計算結果的包絡值進行后續(xù)的隔震結構設計。

3.3 隔震結構動力特性分析

對非隔震結構和隔震結構進行動力特性分析，分析結果如表3所示。隔震結構比非隔震結構在前三階周期大幅度延長，避開了建筑場地的卓越周期，達到了預期的設計目的。

3.4 隔震效果分析

如前所述，本工程是由動力時程分析結果控制隔震結構設計的。根據(jù)《抗規(guī)》第12.2.5條規(guī)定，應將隔震后與隔震前的結構分別按抗震設防烈度進行彈性階段時程分析，分別求得隔震后與隔震前結構的各樓層層間剪力之比最大值和各樓層的傾覆力矩之比最大值，將二者比值相比較，將較大值確定為水平向減震系數(shù)。本工程經(jīng)按上述原則計算得知，隔震后與隔震前結構的各樓層層間剪力之比最大值為0.38，隔震后與隔震前結構的各樓層傾覆力矩的最大比值為0.32，選取二者中的最大值0.38為本工程的隔震結構的水平向減震系數(shù)，即β=0.38。根據(jù)《抗規(guī)》第12.2.5條條文說明規(guī)定，本工程符合0.27<β<0.47的條件，隔震后結構的水平地震作用和抗震措施可按本地區(qū)設防烈度8度(0.20g)降低至7度(0.10g)，隔震效果顯著，達到了預期的減震目標。

表3 結構振型及周期

4 罕遇地震作用下的隔震結構驗算

將所選地震波加速度峰值按《抗規(guī)》規(guī)定調(diào)幅，取400cm/s2進行罕遇地震作用下時稱分析。這里的豎向地震力取0.2倍的重力荷載代表值。

4.1 水平大震下的隔震層側移控制

本工程在大震作用下已考慮了偶然偏心等扭矩影響的最小直徑隔震支座處的最大水平位移為Umax=368.204mm。根據(jù)《抗規(guī)》第12.2.6條規(guī)定，對應于水平大震下的隔震層中各橡膠隔震支座的最大水平側移應既小于相應支座有效直徑的0.55倍又小于相應隔震支座內(nèi)部橡膠總厚度的3倍，本工程的橡膠隔震支座最大水平位移處對應的支座最小直徑為700mm，支座橡膠總厚度130mm，由此求得：

[U]={0.55×700=385，3×130=390}mm=385mm，則Umax=368.204mm<[U]，由此可見，在罕遇地震作用下的隔震層的水平位移滿足《抗規(guī)》要求。

4.2 罕遇地震作用下的隔震支座壓應力驗算

按照《抗規(guī)》第12.2.3條條文說明的具體規(guī)定，為了避免隔震支座在罕遇地震作用下發(fā)生水平剪切大變形時失去豎向承載力，隔震支座的豎向壓應力不應大于30MPa。本工程在罕遇大震作用組合下的隔震支座最大壓應力為19.3MPa，小于《抗規(guī)》規(guī)定的30MPa限值要求。

4.3 隔震支座拉應力控制

一般橡膠隔震支座的抗壓剛度遠大于其抗拉剛度，為了使隔震支座應力分析結果真實準確，本工程建模時，取疊層橡膠隔震支座的豎向拉壓剛度比為1/10[2]。

大震作用下各鉛芯橡膠隔震支座承受的最大拉應力值見表4。

表4 罕遇地震作用下隔震支座拉應力 MPa

由表4可見，在大震作用下，隔震支座最大拉應力為0.13MPa，遠小于1.00MPa，滿足《抗規(guī)》第12.2.4條的規(guī)定，且受拉隔震支座占總隔震支座數(shù)量的12%，說明在罕遇地震作用下仍能保持整體結構的穩(wěn)定性。

5 隔震層以下結構設計方法

隔震層以下結構設計在滿足《抗規(guī)》第12.2.9條規(guī)定的基礎上，支墩設計時考慮了罕遇水平地震作用下隔震支座發(fā)生的位移導致重力荷載作用下的P-Δ效應，并將同時得到的軸力、剪力值共同用于支墩設計。

6 結語

1)本工程設計在充分利用隔震支座中阻尼所發(fā)揮的耗能減震作用的基礎上，經(jīng)合理調(diào)控隔震層的側移剛度組成的隔震層，明顯延長了隔震結構的基本周期，實現(xiàn)了隔震層以上結構水平地震作用按本地區(qū)抗震設防烈度降低1度的設計目標，隔震效果顯著。在罕遇地震作用下，隔震層的最大水平位移滿足《抗規(guī)》的限值要求，同時，隔震支座最大拉、壓應力值均滿足《抗規(guī)》相關要求。從而提高了建筑的抗震性能和結構的安全度，保證了高層隔震結構在罕遇地震作用下的強度和穩(wěn)定性。

2)以上成功的隔震設計實例表明，在解決了以上設計實例中與隔震效果和結構安全相關的技術問題后，隔震技術在高層建筑中可以得到推廣應用。

[1]GB50011—2010,建筑抗震設計規(guī)范[S].

[2]CECS126：2001,疊層橡膠支座隔震技術規(guī)程[S].

[3]JGJ3—2010,高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].

Apreliminaryexplorationintotheapplicationofseismicisolationtechniqueinhigh-risebuildings

LeiXiaolin

(TheInstituteofShanxiArchitecturalDesignandResearch，Taiyuan030013，China)

As high-rise buildings have a relatively longer fundamental period of vibration, using seismic isolation technique to further extend that period seems to result in less significant effect in reducing seismic vibrations, as indicated by response spectrum curves. To address this problem, a case of seismic isolation design for a high-rise structure is presented in this paper, in which approaches like reasonably adjusting the stiffness of isolation layer are employed. The effect of seismic isolation is found to be satisfactory, confirming the feasibility of applying seismic isolation technique in high-rise buildings.

seismic isolation technology, isolation layer, seismic isolator

TU972.4

：A

1009-6825(2017)24-0043-02

2017-06-14

雷曉林(1958- )，男，工程師