高烈度區(qū)高層RC剪力墻結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)與分析

齊杰 孫建琴 趙金年 郭天偉 李讓

（1.蘭州交通大學(xué) 730070；2.蘭州城市建設(shè)設(shè)計(jì)院 730050；3.甘肅正元建筑設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 武威733000）

引言

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抗震思想是通過增大構(gòu)件截面、提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力和變形能力等主要措施來改善結(jié)構(gòu)本身的抗震性能。這種設(shè)計(jì)思想立足于“抗”［1］。這種以生命安全為單一設(shè)防基本目標(biāo)和基于承載能力和變形能力的傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)和建造的建筑已不能滿足人類社會的要求［2］。為彌補(bǔ)和改善傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)不足之處，隔震結(jié)構(gòu)正逐漸增多。隔震技術(shù)起源于新西蘭，大規(guī)模應(yīng)用于日本。我國在2008年汶川地震以后開始大力推廣隔震技術(shù)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類需求的提高，隔震技術(shù)的應(yīng)用已不局限在多層建筑，逐漸開始在高層建筑中得到應(yīng)用［3］。高層隔震結(jié)構(gòu)相比于多層隔震結(jié)構(gòu)具有特殊性，存在一些疑難點(diǎn)［4］。我國隔震技術(shù)己廣泛應(yīng)用于多層框架結(jié)構(gòu)中，而對于高層剪力墻、框剪、框筒結(jié)構(gòu)體系采用隔震技術(shù)研究還存在不足，應(yīng)用較少，很多方面有待深入研究。本文對九度區(qū)高層剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)分析，討論高層隔震結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1 工程概況

本工程采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系，丙類建筑，抗震設(shè)防烈度為9度，設(shè)計(jì)地震加速度0.4g，地震分組第三組，特征周期0.45s。上部主體16層，地下1層，地下室層高為4.0m，首層3.6m，2～15 層2.9m，頂層4.2m。建筑總長25.8m，總寬14.8m，建筑物主體高度44.5m，高寬比為3。剪力墻厚度為200mm～300mm，上部結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級為C30～C40。縱向受力鋼筋選用HRB300和HRB400。隔震層頂梁尺寸為500mm×1000mm、600mm×1200mm，隔震層樓板厚度為160mm，混凝土強(qiáng)度等級為C40。結(jié)構(gòu)首層平面布置見圖1。

圖1 首層結(jié)構(gòu)平面布置Fig.1 First floor layout

2 結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 有限元模型建立

本工程采用YJK軟件建立非隔震結(jié)構(gòu)有限元模型，并將YJK模型導(dǎo)入到SAP2000和ETABS中。采用三種軟件建立隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)有限元模型，對上部結(jié)構(gòu)預(yù)減一度進(jìn)行基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)。SAP2000和ETABS模型中梁、柱采用Frame單元模擬；樓板采用Slab單元模擬；剪力墻采用Wall單元模擬。非隔震結(jié)構(gòu)三維模型見圖2。

圖2 非隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of non-isolated structure

2.2 有限元模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

將導(dǎo)入到SAP2000和ETABS軟件的非隔震結(jié)構(gòu)模型與YJK軟件的非隔震結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算對比，以驗(yàn)證所建模型的正確性。對比內(nèi)容：總質(zhì)量、周期和層間剪力，對比結(jié)果見表1～表3。

表1 非隔震結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比（單位：t）Tab.1 Quality comparison of non-isolated structures （unit：t）

表2 非隔震結(jié)構(gòu)周期對比（單位：s）Tab.2 Periodic comparison of non-isolated structure（unit：s）

根據(jù)表1～表3對比結(jié)果，三種軟件所建計(jì)算模型的質(zhì)量、自振周期、層間剪力差異較小。因此SAP2000和ETABS模型作為本工程隔震分析的有限元模型是準(zhǔn)確的，可以真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的基本特性。

3 地震記錄選取及驗(yàn)證

3.1 地震記錄選取

根據(jù)《抗規(guī)》［5］第5.1.2 條，選取5 條實(shí)際強(qiáng)震記錄和2條人工模擬波形。地震記錄時程曲線如圖3所示，地震記錄持續(xù)時間見表4。

表3 非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力對比（單位：kN）Tab.3 Interlayer shear comparison of non-isolated structures （unit：kN）

表4 地震記錄反應(yīng)譜持續(xù)時間（單位：s）Tab.4 Earthquake record duration schedule（unit：s）

圖3 7條地震記錄時程曲線Fig.3 Time history curve of seven seismic record

《抗規(guī)》［5］第5.1.2 條條文說明要求：輸入地震加速度時程曲線的有效持續(xù)時間，一般從首次達(dá)到該時程曲線最大峰值的10%那一刻算起，到最后一次達(dá)到最大峰值的10%為止；無論是實(shí)際的強(qiáng)震記錄還是人工模擬波形，有效持續(xù)時間一般為結(jié)構(gòu)基本周期的5～10倍。

由表4可知，有效持續(xù)時間為結(jié)構(gòu)基本周期的5 倍以上，滿足《抗規(guī)》［5］第5.1.2 條要求。

3.2 地震記錄驗(yàn)證

選擇的地震記錄應(yīng)該同時適合非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)，地震記錄的反應(yīng)譜曲線在隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)基本周期點(diǎn)與規(guī)范反應(yīng)譜曲線點(diǎn)要接近，地震記錄計(jì)算的結(jié)構(gòu)基底剪力應(yīng)滿足規(guī)范要求。

1.基底剪力

基底剪力對比結(jié)果見表5。由表5可知，每條地震記錄計(jì)算得基底剪力大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，7條地震記錄計(jì)算得基底剪力平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，滿足《抗規(guī)》［5］第5.1.2 條要求。三種軟件計(jì)算結(jié)果基本一致。

2.主要周期點(diǎn)

《抗規(guī)》［5］第5.1.2 條條文說明要求：地震記錄時程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。7條地震記錄反應(yīng)譜和規(guī)范反應(yīng)譜曲線如圖4所示。

表5 非隔震結(jié)構(gòu)基底剪力（單位：kN）Tab.5 The base shear of non-seismic structure（unit：kN）

圖4 7條地震記錄反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線Fig.4 Seven seismic record response spectrum and canonical response spectrum curve

由圖4可知，地震記錄平均反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜接近，結(jié)構(gòu)主要周期點(diǎn)上相差小于20%。

4 隔震支座選型與布置

在地下室底板下部設(shè)置一層隔震層，即隔震層頂板為地下室底板，隔震層層高2m。通過轉(zhuǎn)換層（隔震層）托起地下室剪力墻，隔震支座布置在轉(zhuǎn)換層框架柱底（一柱一支座），隔震支座中心與上部結(jié)構(gòu)墻中心對齊。本工程共使用59個隔震支座（36個天然橡膠支座GZP和23個鉛芯橡膠支座GZY），鉛芯橡膠支座布置在結(jié)構(gòu)平面四周，天然橡膠支座布置在內(nèi)部。SAP2000和ETABS軟件中隔震支座采用Rubber Isolator＋Gap單元模擬，疊層橡膠支座和鉛芯橡膠支座分別采用線性隔震單元、非線性隔震單元模擬，支座平面布置見圖5，兩種支座本構(gòu)關(guān)系見圖6，支座力學(xué)性能及數(shù)量見表6。

圖5 隔震支座平面布置圖Fig.5 Plane layout of isolation bearing

圖6 隔震支座本構(gòu)關(guān)系Fig.6 Isolation bearing constitutive relation

表6 支座力學(xué)性能參數(shù)Tab.6 Bearing mechanical properties parameters

5 隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

運(yùn)用三種軟件采用FNA法對隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用下的動力分析，并進(jìn)行比較。

5.1 隔震結(jié)構(gòu)自振特性

不同軟件隔震結(jié)構(gòu)周期對比見表7。由表7可知，布置隔震支座后，結(jié)構(gòu)周期延長了2.2倍以上，隔震前后周期計(jì)算結(jié)果差值均小于5%。隔震結(jié)構(gòu)兩個方向自振周期相差0.18%，未超過30%，滿足《疊規(guī)》［6］第4.1.3 條要求。隔震前結(jié)構(gòu)第一振型為Y向晃動，第二振型為X向晃動，第三振型為扭轉(zhuǎn)；隔震后第一振型為Y向平動，第二振型以X向平動為主，第三振型為扭轉(zhuǎn)。

5.2 水平向減震系數(shù)

根據(jù)《抗規(guī)》［5］第12.2.5 條，對于高層建筑水平向減震系數(shù)為設(shè)防烈度時按彈性計(jì)算得非隔震和隔震結(jié)構(gòu)各層層間剪力比和傾覆力矩比兩者的最大值。隔震前后結(jié)構(gòu)層間剪力和傾覆力矩見圖7、圖8，三種軟件計(jì)算結(jié)果基本一致，只列出ETABS結(jié)果。

表7 隔震結(jié)構(gòu)周期對比（單位：s）Tab.7 Periodic comparison of isolated structures（unit：s）

由表8可知，水平減震系數(shù)最大為0.3740（0.27＜0.3740 ＜0.40）。由于隔震層濾波作用，隔震后X向和Y向?qū)娱g剪力分別減小65%和62%。根據(jù)《抗規(guī)》［5］第12.2.5 條，水平地震影響系數(shù)αmax1＝βαmax／ψ＝0.32 × 0.3740／0.8＝0.1496。綜合考慮，隔震以后水平地震影響系數(shù)最大值取0.16。隔震后上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)可降一度（即八度），滿足預(yù)定隔震目標(biāo)，可進(jìn)行下一步罕遇地震隔震層驗(yàn)算。

5.3 隔震層驗(yàn)算

對隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用（PGA＝400gal）時程分析，驗(yàn)算隔震層抗風(fēng)、隔震支座面壓和位移是否滿足規(guī)范要求。

圖7 隔震前后層間剪力比較Fig.7 Comparison of interlaminar shear forces before and after isolation

圖8 隔震前后樓層傾覆力矩比較Fig.8 Comparison of floor overturning moments before and after isolation

表8 隔震前后水平向減震系數(shù)Tab.8 The horizontal damping coefficient before and after isolation

1.隔震層抗風(fēng)驗(yàn)算

根據(jù)《抗規(guī)》［5］第12.1.3 條，風(fēng)荷載下隔震層水平剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)小于隔震層總屈服力，同時風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值小于結(jié)構(gòu)總重力的10%。風(fēng)荷載驗(yàn)算見表9。

表9 隔震層風(fēng)荷載驗(yàn)算（單位：kN）Tab.9 Checking of wind load on isolation layer（unit：kN）

由表9可知，隔震層抗風(fēng)滿足要求。

2.隔震支座位移

支座位移計(jì)算采用荷載組合為S＝1.0SD＋0.5SL＋ 1.0SEhk。支座水平位移根據(jù)《抗規(guī)》［5］第12.2.6條驗(yàn)算，支座位移分布見圖9。

圖9 支座水平位移分布Fig.9 Horizontal displacement distribution of isolated bearing

由圖9可知，7條地震記錄支座位移平均值最大為137.50mm，均小于規(guī)范的支座位移允許限值，滿足規(guī)范要求。

3.隔震支座壓應(yīng)力

平均壓應(yīng)力采用荷載組合S＝1.0SD＋0.5SL，最大壓應(yīng)力采用荷載組S＝1.0SD＋0.5SL＋1.0SEhk＋ 0.5SEvk＝1.0SD＋ 0.5SL＋ 1.0SEhk＋0.5 ×0.2（SD＋0.5SL）。支座平均壓應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分布情況分別見圖10和圖11。三種軟件計(jì)算結(jié)果基本一致，結(jié)果取7條地震記錄平均值。

圖10 支座平均壓應(yīng)力分布Fig.10 Average compressive stress distribution of isolated bearing

圖11 支座最大壓應(yīng)力分布Fig.11 Maximum compressive stress distribution of isolated bearing

由圖10和圖11可知：支座平均壓應(yīng)力最大為6.09MPa，最大壓應(yīng)力為11.19MPa。所有支座平均壓應(yīng)力均小于15MPa，最大壓應(yīng)力不超過30MPa，滿足《抗規(guī)》［5］第12.2.3 條要求。

4.隔震支座拉應(yīng)力

支座拉應(yīng)力計(jì)算選用荷載組合S＝1.0SD＋0.5SL＋ 1.0SEhk－ 0.5SEvk＝1.0SD＋ 0.5SL＋1.0SEhk－0.5 ×0.2（SD＋0.5SL）。支座拉應(yīng)力分布見圖12?！犊挂?guī)》［5］第12.2.4 條規(guī)定：隔震支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時作用下，其拉應(yīng)力不應(yīng)大于1.0MPa。

由圖12可知，極小面壓為1.82MPa，支座均處于受壓狀態(tài)，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足《抗規(guī)》［5］要求。

圖12 支座最大拉應(yīng)力分布Fig.12 Maximum tensile stress distribution of isolated bearing

5.4 上部結(jié)構(gòu)變形

結(jié)構(gòu)彈性和彈塑性層間位移角根據(jù)《抗規(guī)》［5］第5.5 條和《疊規(guī)》［6］第4.4.3 條的規(guī)定執(zhí)行，即多遇地震彈性層間位移角限值為1／1000，罕遇地震彈塑性層間位移角限值為1／120。多遇和罕遇地震作用7條地震記錄作用下隔震結(jié)構(gòu)層間位移角曲線見圖13。

圖13 隔震結(jié)構(gòu)層間位移角Fig.13 Story drifts of isolated structure

由圖13可知：多遇和罕遇地震作用下層間位移角平均值最大分別為1／2516和8／5753，層間位移角滿足規(guī)范要求，變形主要集中在隔震層。多遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)X和Y向?qū)娱g位移相比非隔震結(jié)構(gòu)層間位移分別減少了41.86%和33.88%，罕遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)X和Y向?qū)娱g位移相比非隔震結(jié)構(gòu)層間位移分別減少了70.34%和66.48%。

6 結(jié)論

1.采用基礎(chǔ)隔震后，結(jié)構(gòu)周期延長了2.2倍多，前兩階振型呈平動型。水平向減震系數(shù)0.3740，上部結(jié)構(gòu)可按八度設(shè)計(jì)。隔震層所受風(fēng)荷載最大為2318.70kN，支座最大壓應(yīng)力為11.19MPa，支座未出現(xiàn)拉應(yīng)力，支座位移最大為137.50mm，多遇和罕遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)的層間位移角最大分別為1／2516和8／5753，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2.隔震后結(jié)構(gòu)所受地震作用大為減小，設(shè)防地震作用下層間剪力至少減少62%；隔震后結(jié)構(gòu)水平位移主要集中在隔震層，多遇和罕遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)層間位移相比非隔震結(jié)構(gòu)層間位移分別減少了33.88%和66.48%。

3.高烈度區(qū)高層RC剪力墻隔震結(jié)構(gòu)隔震效果良好，結(jié)構(gòu)抗震性能能夠得到明顯提高。