近場(chǎng)高烈度區(qū)高層框筒結(jié)構(gòu)組合隔震設(shè)計(jì)與分析

周 露，寧響亮，庾光忠

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

近場(chǎng)高烈度區(qū)高層框筒結(jié)構(gòu)組合隔震設(shè)計(jì)與分析

周 露，寧響亮，庾光忠

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

針對(duì)高烈度近場(chǎng)地震區(qū)的高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)，提出了橡膠隔震支座和彈性滑板支座的組合隔震設(shè)計(jì)思路。采用時(shí)程分析方法對(duì)比計(jì)算了結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)抗震與隔震技術(shù)在地震作用下的層剪力、層間位移角、樓層加速度、支座應(yīng)力和地震能量耗散情況。研究結(jié)果表明：多遇地震下，組合隔震結(jié)構(gòu)樓層位移與加速度的衰減幅值達(dá)54%和60%；罕遇地震下支座的拉應(yīng)力和位移都控制在規(guī)范限值內(nèi)，橡膠隔震支座和彈性滑板支座的滯回曲線均飽滿，從滯回曲線可得知兩種支座同時(shí)進(jìn)入屈服，表明在該組合隔震設(shè)計(jì)中，兩種支座具有良好的協(xié)同工作性，驗(yàn)證了該組合隔震設(shè)計(jì)的合理性。

近場(chǎng)區(qū)；高層框筒結(jié)構(gòu)；組合隔震；協(xié)同工作性；能量耗散

0 引言

9度地震區(qū)的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中會(huì)出現(xiàn)居多難題。若高烈度區(qū)采用隔震或者混合隔震技術(shù)不僅能夠起到較好的隔震和消能效果，而且可以降低構(gòu)件截面尺寸和配筋量，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。近些年，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)采用組合隔震體系的抗震性能進(jìn)行了大量的研究工作[4-7]。在核心筒部位由于剪力墻的集中布置，使得柱軸力達(dá)到數(shù)萬(wàn)噸，如果繼續(xù)采用橡膠隔震支座，那么該部位的支座直徑將會(huì)達(dá)到1500 mm以上，使得核心筒內(nèi)電梯井無(wú)法下落到基礎(chǔ)，影響建筑使用功能?；诖?，探討如何解決高烈度高層建筑隔震設(shè)計(jì)方案。

筆者對(duì)9度區(qū)近場(chǎng)地段的高層框筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行橡膠隔震支座和彈性滑板支座的組合隔震設(shè)計(jì)，通過(guò)三維有限元軟件進(jìn)行地震反應(yīng)仿真分析，得到了組合隔震結(jié)構(gòu)在多遇和罕遇地震下最大層剪力、層間位移角、樓層加速度、支座應(yīng)力和地震能量耗散等，探討了組合隔震設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力的影響。

1 工程概況

該工程位于西昌市主城區(qū)航天大道二段，總建筑面積25308 m2；地上18層，房屋結(jié)構(gòu)高度為66.25 m，建筑效果及立面標(biāo)高示意見(jiàn)圖1。采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面和主體結(jié)構(gòu)模型如圖2和圖3所示。

該工程結(jié)構(gòu)的建筑抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為9度（0.4 g），場(chǎng)地類別為Ⅲ類二組，特征周期為0.55 s。且核桃村地震斷裂帶從本工程北東側(cè)通過(guò)，與該工程相距約4.0 km，依據(jù) 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]規(guī)定：當(dāng)處于發(fā)震斷層10 km以內(nèi)時(shí)，輸入地震波應(yīng)考慮近場(chǎng)影響系數(shù)，5 km以內(nèi)宜取1.5倍的地震力放大系數(shù)。據(jù)此將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的水平地震和豎向地震作用過(guò)大，如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的截面尺寸將超大，如剪力墻的厚度可達(dá)到600 mm，柱截面的最大尺寸為：2100 mm×2100 mm，梁的尺寸為：600 mm×1200 mm，且局部采用了鋼骨混凝土柱和型鋼混凝土梁，墻和梁柱的截面配筋率都很大。通過(guò)加大構(gòu)件截面尺寸以提高結(jié)構(gòu)的承載力和剛度來(lái)抵抗地震的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅不能保證結(jié)構(gòu)安全，還會(huì)增加工程造價(jià)，同時(shí)會(huì)使得建筑的使用功能受到諸多限制。據(jù)此擬用隔震技術(shù)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

圖1 建筑效果及立面標(biāo)高示意圖Fig.1 Architectural rendering and elevation drawing

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖Fig.2 The plan of standard floor

2 混合隔震方案設(shè)計(jì)

2.1 組合隔震方案的確定

提取按照降低一度設(shè)計(jì)的上部結(jié)構(gòu)底層柱底反力，根據(jù) 《抗規(guī)》[8]、《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》[9]和《建筑隔震彈性滑板支座》[10]的規(guī)定，綜合考慮隔震層的扭轉(zhuǎn)偏心和剛度要求，在外圍布置鉛芯橡膠隔震支座；中間核心筒部位考慮到柱軸力較大和電梯井需下落到基礎(chǔ)，布置彈性滑板隔震支座。故而形成了隔震橡膠支座和彈性滑板支座的組合隔震設(shè)計(jì)方案。本案例采用的彈性滑板支座結(jié)構(gòu)如下圖4所示。

圖3 主體結(jié)構(gòu)模型圖Fig.3 Model of main structure

2.2 橡膠隔震支座和彈性滑板支座選擇

經(jīng)過(guò)多次調(diào)整試算后，為了增大隔震層的抗扭轉(zhuǎn)性能，結(jié)合控制面壓要求，最終選用了11個(gè)LRB1100和22個(gè)LRB1200的隔震支座；中間核心筒部位布置了16個(gè)ESB500和11個(gè)ESB800的彈性滑板支座。隔震支座的布置情況如下圖5。支座的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 彈性滑板支座結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The diagram of ESB structure

表1 支座的性能參數(shù)表Table 1 The design parameter of bearings

3 結(jié)構(gòu)分析模型的建立

3.1 計(jì)算模型的建立

采用ETABS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)隔震分析，梁、柱采用桿單元，混凝土樓板采用膜單元，剪力墻采用殼單元，隔震支座采用Isolator非線性連接單元，滑板支座采用Friction單元模擬[11]。

滑板支座的屬性定義為Friction，設(shè)置為在豎向只受壓的單元，如下圖6，結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元模擬設(shè)定指定單元后，結(jié)構(gòu)采用非線性求解；必須設(shè)定單元的拉力失效模式，受拉時(shí)Friction將退出工作[12]。橡膠隔震支座在ETABS程序中模擬時(shí)，滯回模型采用Bouc-Wen模型，如下圖7所示，則需要定義彈性剛度、屈服后剛度比和屈服荷載，其值可參考表1查得。

圖5 隔震層支座布置圖Fig.5 The arrangement plan of isolators

圖6 Friction豎向定義Fig.6 The vertical definition

圖7 Bouc-Wen模型Fig.7 The model of Bouc-Wen

3.2 地震波的刷選

根據(jù)《抗規(guī)》[8]第5.1.2條規(guī)定，以及地勘報(bào)告所列的場(chǎng)地類別。按照 “地震加速度反應(yīng)譜特征周期Tg和結(jié)構(gòu)基本自振周期T1雙指標(biāo)選波”原則進(jìn)行選波[13]，選取了2條強(qiáng)震記錄的天然波（CPC16和IVM波）和1條人工模擬加速度時(shí)程的人工波，3條時(shí)程曲線如圖8所示，3條時(shí)程反應(yīng)譜曲線和規(guī)范反應(yīng)譜曲線如圖9所示?？紤]場(chǎng)地的1.5倍地震力放大系數(shù)，多遇地震下調(diào)整各條波PGA=210 cm/s2，罕遇地震為PGA=930cm/s2，采用三向地震波同時(shí)輸入且三向地震峰值加速度比為：1:0.85:0.65。

圖8 3條時(shí)程曲線Fig.8 The 3 time history cure

圖9 3條時(shí)程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線Fig.9 The 3 time history and standard response spectrum

4 分析結(jié)果與比較

4.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果

對(duì)非隔震和隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析結(jié)果如下表2所示。從表中可以看出，隔震后前三階振型的質(zhì)量參與系數(shù)明顯增大，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)以第一振型為主，基本為平動(dòng)。同時(shí)隔震體系的基本周期由原來(lái)的1.241 s增大到3.003 s，放大了2.42倍，遠(yuǎn)離了建筑場(chǎng)地的卓越周期。

4.2 多遇地震時(shí)程分析

在多遇地震（PGA=210 cm/s2）作用下，隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下最大層間位移角對(duì)比如圖10所示。隔震與非隔震上部結(jié)構(gòu)的層間位移角峰值分別為：1/909和1/492，減小幅值達(dá)到了54%。隔震結(jié)構(gòu)變形主要集中在隔震層，上部結(jié)構(gòu)近似于平動(dòng)，上部結(jié)構(gòu)的層間位移都遠(yuǎn)低于彈性層間位移角限值（1/800），故上部結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)。

多遇地震作用下隔震與非隔震結(jié)構(gòu)的樓層最大加速度曲線如圖11所示。隔震與非隔震上部結(jié)構(gòu)的最大樓層加速度分別為2.172 m/s2和6.012 m/s2。隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度比非隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度的減小幅度達(dá)60%以上，隔震結(jié)構(gòu)的樓層加速度峰值變化不大，隔震結(jié)構(gòu)第2到18層的加速度峰值變化幅值在30%左右，樓層的最大加速度均發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂部。

表2 隔震與非隔震結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果表Table 2 The result of modal analysis of isolation and non-isolation structure

圖10 多遇地震下隔震與非隔震結(jié)構(gòu)樓層位移角對(duì)比Fig.10 The comparison of displacement angle of isolation and non-isolation structure under the frequent earthquake

圖11 多遇地震下隔震與非隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度對(duì)比Fig.11 The comparison of acceleration of isolation and non-isolation structure under the frequent earthquake

4.3 罕遇地震時(shí)程分析

4.3.1 罕遇地震隔震層位移驗(yàn)算

圖14為隔震結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的層間位移角對(duì)比圖。在罕遇地震（PGA=930 cm/s2）作用下，隔震層最大水平位移為466 mm，小于0.55 D=0.55×1100=605 mm（D是疊層隔震支座的最小直徑）和彈性滑板支座500 mm行程。故支座變形量滿足規(guī)程要求。

在罕遇地震作用下，非隔震結(jié)構(gòu)由于頂部鞭梢效應(yīng)，最大層間位移角發(fā)生在頂層為1/58；采用混合隔震后，最大層間位移角控制在1/166以內(nèi)，減小了65%。由此可見(jiàn)，在罕遇地震下，考慮近場(chǎng)系數(shù)的影響，在強(qiáng)大的地震力作用下雖然隔震后的層間位移角偏大，結(jié)構(gòu)局部可能進(jìn)入彈塑性，但對(duì)比隔震前后的層間位移，仍可看出明顯的減震效果。

圖14 罕遇地震下隔震與非隔震結(jié)構(gòu)樓層位移角對(duì)比Fig.14 The comparison of floor displacement angle of isolated and non-isolated structure under rare earthquake

4.3.2 罕遇地震下抗拉驗(yàn)算

對(duì)隔震層中橡膠隔震支座進(jìn)行拉力校核，橡膠隔震支座編號(hào)為1～33，具體位置如圖5所示。表3中給出了各隔震支座在罕遇地震工況下由豎向拉力和重力荷載的壓力組合下支座的面壓值。從表3可見(jiàn)，隔震支座在地震作用下產(chǎn)生的最大軸向拉力應(yīng)力均為正值，表示處于受壓狀態(tài)。因此，隔震支座在罕遇地震下是不會(huì)出現(xiàn)受拉效應(yīng)，表明在罕遇地震作用下，隔震層的支座協(xié)調(diào)整體變形，所有支座均沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力。

4.4 能量分析

對(duì)結(jié)構(gòu)輸入CPC16波、IVM波和人工波地后，多遇地震和罕遇地震下結(jié)構(gòu)能量分析如圖15所示。多遇地震下隔震層吸收的能量占輸入總能量的38%，39%，42%；罕遇地震下隔震層吸收的能量占輸入總能量的68%，75%，70%。罕遇地震作用下隔震層的位移很大，地震能量主要集中耗散在隔震層，表明隔震層對(duì)阻隔地震能量向上傳遞起到了一定作用。

表3 隔震支座在9度罕遇地震下軸向內(nèi)力校核Table 3 The axial force of isolator bearings under rare earthquake with intensity 9

16為11號(hào)鉛芯隔震支座LRB1200和12號(hào)彈性滑板隔震支座ESB800在多遇和罕遇地震下的滯回曲線。鉛芯橡膠隔震支座和彈性滑板支座在罕遇地震下滯回曲線飽滿均，呈現(xiàn)出良好的非線性性能，在2條地震波作用下耗能系數(shù)分別為1.15和2.13，降低上部結(jié)構(gòu)吸收的地震能量。同時(shí)，從支座的滯回曲線可看出，在該組合隔震設(shè)計(jì)中，橡膠隔震支座和彈性滑板支座的屈服力基本相同，且水平向變形量一致，表明兩種支座同時(shí)進(jìn)入屈服。在該組合隔震設(shè)計(jì)中，兩種支座表現(xiàn)出了良好的協(xié)同工作性，驗(yàn)證了該組合隔震設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)論

本文對(duì)9度區(qū)近場(chǎng)地段的某框架-核心筒高層結(jié)構(gòu)采用了彈性滑板支座和橡膠隔震支座的組合隔震設(shè)計(jì)并對(duì)其進(jìn)行了隔震前后的層剪力、層間位移角、樓層加速度和能量耗散情況的分析。得出以下主要結(jié)論：

（1）采用組合隔震控制技術(shù)可以有效地減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

（2）多遇地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)相比較，各樓層位移衰減了54%，上部結(jié)構(gòu)層間位移角遠(yuǎn)小于彈性層間位移角限值 （1/800），上部結(jié)構(gòu)近似于平動(dòng)；樓層加速度的衰減達(dá)60%，從2到18層的加速度峰值變化幅度在30%以內(nèi)，樓層最大加速度發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂部。

（3）由彈性滑板支座和橡膠隔震支座組合形成的隔震層，在罕遇地震下，隔震支座協(xié)調(diào)整體變形，所有支座均沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力。

圖15 結(jié)構(gòu)能量吸收時(shí)程分析圖Fig.15 Time history analysis of the structure energy dissipation

（4）在3條地震波罕遇水準(zhǔn)作用下，隔震層吸收的能量占結(jié)構(gòu)輸入總能量的68%，75%，70%。結(jié)構(gòu)吸收的地震能量主要集中耗散在隔震層，表明隔震層對(duì)阻斷地震能量向上傳遞起到了一定作用，有效保護(hù)上部結(jié)構(gòu)。

（5）在地震作用下，鉛芯橡膠隔震支座和彈性滑板支座的滯回曲線飽滿，且從支座的滯回曲線可得知，橡膠隔震支座和彈性滑板支座的屈服力基本相同，且水平向變形量一致，表明兩種支座同時(shí)進(jìn)入屈服，表現(xiàn)出良好的協(xié)同工作性，驗(yàn)證了該組合隔震設(shè)計(jì)的合理性。

圖16 多遇和罕遇地震下11和12號(hào)隔震支座滯回曲線Fig.16 Hysteresis curve of 11 and 12 isolation bearings under the frequent and rare earthquake

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Analysis and Design of the Combined Isolation in High-rise Frame Core Tube Structure near Field Earthquake Zone of High Intensity

ZHOU Lu， NING Xiangliang， YU Guangzhong

（Zhuzhou Times New Material Technology Co.， LTD.， Zhuzhu 412007，China)

For high-rise frame core tube structure in the near high intensity earthquake zone， the design thinking of the combination with the elastic slide bearing （ESB） and rubber isolator bearing is put forward.The story shear， inter-story displacement angle， floor acceleration，bearing stress and seismic energy dissipation corresponding to the traditional seismic and seismic isolation technology calculated by time history analysis method are compared.Research results show that under frequently occurred earthquake action,the floor displacement and acceleration of the combined isolation structure are decreased by 54%and 60%；under rareearthquake， tensile stress and displacement of the bearing are controlled within the specification limits，the hysteresis curves of rubber isolator bearing and ESB are full， as can be seen from the hysteresis curves， the two kinds of bearings at the same time to enter the yield states，is shows that the two kinds of bearing have good collaborative workability in the design of the combined isolation system，and the rationality of the combined isolation design is verified.

Near field region； High-rise frame core tube structure； Combined isolation； Collaborative workability；Energy dissipation

TU375.4

A

1001-8662（2017）02-0071-08

10.13512/j.hndz.2017.02.012

周 露，寧響亮，庾光忠.近場(chǎng)高烈度區(qū)高層框筒結(jié)構(gòu)組合隔震設(shè)計(jì)與分析[J].華南地震，2017，37（2）：71-78.[ZHOU Lu，NING Xiangliang，YU Guangzhong.Analysis and Design of the Combined Isolation in High-rise Frame Core Tube Structure near Field Earthquake Zone of High Intensity[J].South china journal of seismology，2017，37（2）：71-78.]

2017-03-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51208015）

周 露（1987-），男，碩士，工程師，主要從事隔震、抗震研究。

E-mail：zhouluman2012@163.com.