高層框剪建筑層間隔震技術(shù)研究

■ 中鐵十八局集團第五工程有限公司 張晨光

1.引言

建筑隔震技術(shù)是減輕地震災(zāi)害的重要手段之一。長期以來，由于高層建筑支座容易出現(xiàn)拉應(yīng)力等原因，導致技術(shù)難以在高層建筑中更深入地推廣應(yīng)用。目前，大部分國家對隔震技術(shù)的運用主要集中在建筑物的基礎(chǔ)部分，在建筑物的基礎(chǔ)和其上結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震層，并且通過隔震層來消耗地震能量，減小地震對結(jié)構(gòu)的破壞，提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性[1]-[2]。由于缺少相應(yīng)的技術(shù)支持，隔震技術(shù)沒有能夠在很多不便在基礎(chǔ)設(shè)置隔震層的復雜的或者不規(guī)則的建筑中推廣應(yīng)用。

2.工程抗震技術(shù)

2.1 工程概況

圖1 工程三維軸測圖

某高層結(jié)構(gòu)為22層辦公樓，高度為69.2m，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.2g，場地類別為II類型。底部為兩層框架大底盤，層高分別為10.5m和5.0m；底盤上托框架剪力墻核心筒結(jié)構(gòu)，層高均為2.9m，風荷載標準值為0.5kN/m2，地面粗糙類別為A類。因受使用功能限制，剪力墻部分不能落地，工程三維軸測圖如圖1所示。為了解決大底盤與上部結(jié)構(gòu)剛度突變帶來的地震力放大問題，減少地震反應(yīng)需要采取隔震措施。

2.2 抗震技術(shù)選擇

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計中能量通過大地直接傳遞給建筑物的基礎(chǔ)部分，再傳遞給建筑物。為應(yīng)對地震，往往采取加大建筑物的強度、剛度等措施，通過“硬抗”實現(xiàn)抗震目的，而隔震技術(shù)從根本上改變了這種思想。建筑隔震是通過各種措施減弱地震對建筑物的影響，建筑基礎(chǔ)隔震一般會把隔震層設(shè)在基礎(chǔ)的頂面，這就把一棟建筑物從上到下分為三個部分：上部結(jié)構(gòu)、隔震層、基礎(chǔ)。對于豎向不規(guī)則的結(jié)構(gòu)、地理位置特殊的建筑、已有建筑的加固改造等幾種常見的建筑結(jié)構(gòu)，采用基礎(chǔ)隔震是行不通的，如果將隔震層上移，移動到建筑結(jié)構(gòu)的中間層，對隔震技術(shù)的發(fā)展、推廣是十分有利的[3]。

2.3 層間隔震體系

層間隔震技術(shù)的隔震層位于結(jié)構(gòu)中間層，是將隔震層設(shè)于建筑上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間的一種隔震形式；是在基礎(chǔ)隔震的理論上，在大量的工程實踐中逐漸發(fā)展起來的一種新型隔震結(jié)構(gòu)技術(shù)。層間隔震技術(shù)解決了結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則等情況下基礎(chǔ)隔震建筑不便于應(yīng)用的限制，突破了隔震層只能設(shè)置在結(jié)構(gòu)底層的限制，可以根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)自身的功能、要求和特點靈活布置，推動了隔震技術(shù)的發(fā)展，使隔震技術(shù)多了一個新的發(fā)展方向[4]。

圖2 隔震層的不同布置位置

層間隔震技術(shù)可以根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)自身的特點，把隔震層設(shè)置在以下部位：結(jié)構(gòu)豎向剛度突變部位（圖2A）；結(jié)構(gòu)形式突變部位（圖2B）；結(jié)構(gòu)一層頂部（圖2C）；結(jié)構(gòu)中間層（圖2D）；結(jié)構(gòu)頂層（圖2E）等。

3.隔震層布置分析

3.1 隔震層的建立

工程采用有限元軟件YJK研究，單獨建立一個隔震層，這樣既可以使隔震層的高度模擬更加接近實際情況，又能在模型調(diào)試階段，方便調(diào)換隔震層的位置，而不用改變隔震支座的參數(shù)，可以根據(jù)需要和實際工程情況，靈活布置隔震支座。工程隔震層布置如圖3所示。

圖3 全樓模型下的隔震層

3.2 隔震層不同位置隔震效果分析

對于該工程，可以考慮在三個位置布置隔震層：底框部分（筏板頂部，一層頂部）；底框頂部（二層頂部，三層頂部）；中間層（八層頂部，13層頂部，18層頂部）七個位置。在其他參數(shù)都不變的情況下，僅僅改變隔震層的位置。這里僅用影響隔震效果好壞最主要的兩個指標周期和層間剪力來評價隔震層的抗震效果。對于周期，每次計算取前10階周期；對于樓層剪力，每次分別計算出各樓層的剪力。

（1）不布置隔震層時的隔震效果

先不考慮隔震，通過計算周期、剪力等，再和隔震措施后的結(jié)果進行對比，以此來評價隔震效果。通過計算所得的周期和樓層間的剪力見表1和圖4。

表1 不隔震時周期

圖4 不采取隔震措施時的樓層剪力曲線圖

通過表1和圖4可知，不采取隔震措施時建筑物的第一階和第二階周期分別為1.25s和 0.93s。樓層剪力頂層分別為84kN和87kN，底層剪力接近20000kN。圖4中，樓層剪力從上到下逐層增大，由于底部層為大底盤結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度增大，而剪力分配主要是依據(jù)剛度大小，剛度大，分配的剪力也較大，因而底部大底盤分到的剪力較多，故剪力在此處突變。

（2）隔震層布置在大底盤隔震效果

將隔震層布置在筏板的頂部和一層頂部，研究隔震效果；把隔震層算作一個自然層，布置了隔震層后，樓層變?yōu)?3層，周期和樓層間的剪力見表2和圖5。

表2 隔震層位于大底盤的周期

由表2可知，采取大底盤隔震時和不采取隔震措施相比，周期均有所延長，但是延長的不多，說明隔震層起到了一定的隔震作用，隔震層位于一層頂部要比位于筏板頂部的隔震效果好。

圖5 隔震層布置在大底盤時的樓層剪力曲線圖

由圖5可知，采取大底盤隔震時和不采取隔震措施相比，樓層剪力一般會有所降低，但是降低幅度不會太大。這說明隔震層起到了一定的隔震作用，隔震層位于一層頂部要比位于筏板頂部的隔震效果好，所得規(guī)律基本與周期規(guī)律相一致。

（3）隔震層位于大底盤頂部以上樓層時的隔震效果

現(xiàn)將隔震層往上布置，將其布置在大底盤以上樓層中。選擇和大底盤比較接近的第二層和第三層，便于和隔震層布置在大底盤位置和更高樓層位置的隔震效果作比較。再將隔震層往上布置，將其布置在第三層、八層頂部、13層頂部和18層頂部，可以得到如下結(jié)果（表3）。

表3 隔震層位于大底盤頂部以上時的周期

從表3可知，隔震層位于大底盤以上樓層時周期均要比不隔震時以及隔震層布置在大底盤時有所延長，從周期來說取得了較好的隔震效果。但是隔震層位于三層至第18層頂部時大部分周期逐漸減小，說明樓層越高隔震效果逐次下降。

從圖6可知，隔震層以上各樓層剪力要比不隔震時和隔震層布置在大底盤時有所降低，隔震層位于二層、三層剪力大小基本相同。隔震層位于八層至第18層頂部時，各樓層剪力增加從樓層剪力來說，隔震效果不如布置在二層頂部時、三層頂部時的隔震效果好。綜上所述，隔震層布置在大底盤和一棟或者多棟塔樓之間時隔震效果最好。對該工程來說，將隔震層布置在二層頂部時隔震效果最好。

圖6 隔震層大底盤以上樓層X方向剪力曲線圖

4.結(jié)論

本文以某高層建筑抗震工程為背景，引入層間隔震技術(shù)，研究了隔震層布置在不同位置的隔震效果，重點解決了隔震層布置位置的選取問題。通過研究和分析，得到如下結(jié)論：

（1）對于大底盤結(jié)構(gòu)，隔震層布置在大底盤層上面一層（即上部結(jié)構(gòu)和大底盤層之間）時隔震效果最好。隔震層從此位置越往上布置，隔震效果逐漸降低。隔震層布置在大底盤層時有一定的隔震效果，但是效果不太理想。

（2）隔震后建筑物的周期會有所延長，隔震層布置在大底盤層上面一層（即上部結(jié)構(gòu)和大底盤層之間）時，周期延長得最多；隔震層從此位置越往上布置，周期延長得越少。

（3）隔震后建筑物的樓層剪力一般會有所降低，隔震層布置在大底盤層上面一層（即上部結(jié)構(gòu)和大底盤層之間）時樓層剪力降低得最多；隔震層從此位置越往上布置，剪力降低得越少。