高烈度區(qū)帶厚板轉(zhuǎn)換層建筑的隔震性能分析

王林建 阿拉塔 李丹 管慶松 唐均

(1.云南省地震工程研究院 云南昆明 650000； 2.深圳防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究院 廣東深圳 518003；3.云南震安減震科技股份有限公司 云南昆明 650000)

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)形式在向著體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展[1]。轉(zhuǎn)換層在結(jié)構(gòu)上的概念，主要是指在建筑結(jié)構(gòu)中，能夠合理地解決平面的連續(xù)性和豎向結(jié)構(gòu)的突變性的結(jié)構(gòu)單元。厚板轉(zhuǎn)換層適用于上、下層結(jié)構(gòu)柱或軸線錯(cuò)開(kāi)較多、難以用梁直接承托時(shí)，通過(guò)加大樓板的厚度變成厚板，剛度較大，能夠承受上部樓層荷載，并傳至下部樓層。由于該轉(zhuǎn)換層下層柱網(wǎng)可靈活布置墻柱等構(gòu)件，不需要與上部結(jié)構(gòu)對(duì)齊[2]。

基礎(chǔ)隔震技術(shù)是近幾十年來(lái)抗震防災(zāi)工程領(lǐng)域最重大的創(chuàng)新技術(shù)，現(xiàn)階段具有顯著的優(yōu)越性，能使建筑受到的地震作用降低50%～80%，使結(jié)構(gòu)安全性成倍提高，并能保護(hù)內(nèi)部設(shè)備，使建筑地震后不喪失使用功能。同時(shí)設(shè)計(jì)得當(dāng)，在地震高烈度區(qū)采用隔震技術(shù)，基本不增加造價(jià)。特別適用于醫(yī)院、學(xué)校、機(jī)場(chǎng)、通信、電力等重要工程建筑物和人員密集場(chǎng)所?；A(chǔ)隔震技術(shù)能顯著降低結(jié)構(gòu)的自振頻率，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期，減少上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)[3]。

文獻(xiàn)[4]分析認(rèn)為，近年來(lái)隨機(jī)性超烈度地震頻發(fā)，隔震結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)能通過(guò)預(yù)留足夠的安全儲(chǔ)備來(lái)抵御可能發(fā)生的超烈度地震，建議驗(yàn)算超烈度地震作用下的抗震性能。文獻(xiàn)[5]對(duì)隔震建筑下部結(jié)構(gòu)為懸臂柱時(shí)的P-Δ效應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：當(dāng)下部結(jié)構(gòu)采用獨(dú)立懸臂柱時(shí)，計(jì)算過(guò)程應(yīng)考慮P-Δ效應(yīng)的影響。文獻(xiàn)[6]對(duì)隔震結(jié)構(gòu)震損倒塌進(jìn)行分析，在偶遇大震下，隔震結(jié)構(gòu)有可能因支座水平位移超過(guò)限值，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。

本文對(duì)一棟高烈度區(qū)厚板轉(zhuǎn)換層建筑的結(jié)構(gòu)隔震性能進(jìn)行時(shí)程分析，具體分析該結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和抗震性能。隔震設(shè)計(jì)與分析采用國(guó)際通用的大型結(jié)構(gòu)有限元分析軟件ETABS進(jìn)行三維建模和動(dòng)力時(shí)程分析，研究該結(jié)構(gòu)方案選擇、抗震性能目標(biāo)要求、結(jié)構(gòu)抵抗罕遇地震的能力、隔震層剛心與上部結(jié)構(gòu)質(zhì)心的偏心率等方面對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果供類(lèi)似工程參考。

1 工程概況

背景工程位于云南省昆明市，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地。正負(fù)零地面以上結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)形式，建筑功能主要為多層住宅，屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)(丙類(lèi))建筑。其上部結(jié)構(gòu)在地下室頂板覆土高度范圍內(nèi)有一個(gè)3m層高的夾層(兼作為隔震檢修層)，地上8層，總面積約6000m2(不含地下室)，結(jié)構(gòu)高度為27m，建筑長(zhǎng)寬比2.0，高寬比1.2。由于建筑功能需要，地上、地下結(jié)構(gòu)體系分別為剪力墻結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)，地下室-1～-3層需要滿(mǎn)足停車(chē)位的要求，因此地上、地下軸網(wǎng)差異較大。建筑地上二層平面圖和主要剖面圖如圖1所示。整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型如圖2所示，建模中地上8層，加上頂上兩層塔樓共10層。

2 結(jié)構(gòu)方案選擇及性能目標(biāo)

2.1 結(jié)構(gòu)方案選擇

由于建筑地下車(chē)位配比的需要，建筑地上、地下結(jié)構(gòu)體系分別為剪力墻結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)，且上下部軸網(wǎng)水平錯(cuò)位和存在扭轉(zhuǎn)夾角，無(wú)法滿(mǎn)足停車(chē)位要求，故采用了厚板轉(zhuǎn)換。為了緩和厚板帶來(lái)的豎向傳力和抗震的不規(guī)則性，并滿(mǎn)足規(guī)范要求和高烈度區(qū)抗震性能要求，采用建筑隔震技術(shù)非常合適?；?，該建筑隔震設(shè)計(jì)，采用隔震橡膠支座，上部結(jié)構(gòu)自振周期延長(zhǎng)，阻尼增大，輸入到上部結(jié)構(gòu)的地震能量減少，可以減少構(gòu)件斷面尺寸，降低含鋼量，達(dá)到建筑平面布置靈活，建筑功能使用方便，經(jīng)濟(jì)合理的目的，且使結(jié)構(gòu)的抗震性能得到顯著提高。

按照建筑功能布置，上部結(jié)構(gòu)與地下室頂板覆土高度范圍內(nèi)有一個(gè)3m層高的夾層，隔震設(shè)計(jì)時(shí)，利用此夾層作為隔震層。同時(shí)加強(qiáng)厚板的詳細(xì)分析與研究，進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)抗震審查。

2.2 抗震性能目標(biāo)要求

該項(xiàng)目采用建筑隔震設(shè)計(jì)的抗震性能目標(biāo)，總體為：當(dāng)遭遇多遇地震影響時(shí)，將基本不受損壞和影響使用功能；當(dāng)遭遇到設(shè)防地震影響時(shí)，不需修理仍可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受罕遇地震影響時(shí)，將不發(fā)生危及生命安全和喪失使用價(jià)值的破壞。

2.2.1上部結(jié)構(gòu)

當(dāng)遭遇到本地區(qū)多遇地震影響、設(shè)防地震影響和罕遇地震影響時(shí)，比同類(lèi)型一般結(jié)構(gòu)至少有高一度設(shè)防烈度的抗震安全儲(chǔ)備；隔震層以上結(jié)構(gòu)隔震后按降低一度進(jìn)行設(shè)計(jì)，水平抗震措施按7度，與抵抗豎向地震作用有關(guān)的抗震措施(軸壓比)按8度。

2.2.2隔震層及下部結(jié)構(gòu)

(1)橡膠隔震支座在本地區(qū)罕遇地震作用時(shí)，不損壞；橡膠隔震支座以下的地下室結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用時(shí)，仍處于彈性階段；橡膠隔震支座支墩、地下室直接支承構(gòu)件的抗剪承載力在罕遇地震作用時(shí)，仍處于彈性階段。

(2)首層剪力墻滿(mǎn)足隔震后中震不屈服；適當(dāng)調(diào)整轉(zhuǎn)換厚板范圍，避免厚板周邊的凹凸局部應(yīng)力集中，厚板配筋以有限元應(yīng)力分析為主，復(fù)核抗沖切和面內(nèi)抗剪承載力，應(yīng)力較大部位可局部附加配筋或設(shè)置暗梁。

2.3 分析方法

采用隔震結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算模型以時(shí)程分析為主，振型分解反應(yīng)譜法設(shè)計(jì)上部結(jié)構(gòu)。基于ETABS軟件具有方便靈活的建模功能和強(qiáng)大的線性和非線性動(dòng)力分析功能，連接單元能夠準(zhǔn)確模擬橡膠隔震支座，該設(shè)計(jì)使用大型有限元軟件ETABS建立隔震與非隔震結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行計(jì)算與分析。剪力墻剖分單元為1m，普通樓板剖分單元為1m，F(xiàn)800C40剖分單元為0.5m。

3 時(shí)程選擇

隔震設(shè)計(jì)采用ETABS NonlinearC軟件進(jìn)行計(jì)算；隔震設(shè)計(jì)采用時(shí)程分析法，地震波加速度時(shí)程按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[7](簡(jiǎn)稱(chēng)《抗震規(guī)范》)的規(guī)定選取，隔震支座類(lèi)型和直徑依據(jù)抗震規(guī)范和隔震規(guī)程[8]確定，隔震支座參數(shù)經(jīng)過(guò)第三方檢測(cè)的檢測(cè)數(shù)據(jù)確定，詳見(jiàn)下文。

該工程選取適合該工程場(chǎng)地的2條人工波和5條天然波，計(jì)算結(jié)果取7條時(shí)程的平均值計(jì)算非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下的地震效應(yīng)及動(dòng)力特性。時(shí)程曲線如圖3所示，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 時(shí)程平均反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線對(duì)比

由表1可知，所選時(shí)程滿(mǎn)足要求，同時(shí)由于采用了隔震技術(shù)，延長(zhǎng)了主體結(jié)構(gòu)周期，減少了結(jié)構(gòu)的地震作用，結(jié)構(gòu)的第一周期延長(zhǎng)了4.49倍，大于3倍，達(dá)到了隔震目的。

4 結(jié)構(gòu)隔震性能分析

4.1 橡膠隔震支座布置

該工程共使用了28個(gè)隔震支座，其中LRB800(鉛芯支座)8個(gè)，LNR800(無(wú)鉛芯支座)3個(gè)，LRB900(鉛芯支座)13個(gè)，LNR900(無(wú)鉛芯支座)4個(gè)。隔震支座力學(xué)性能參數(shù)如表2所示，隔震支座布置如圖4所示。該工程隔震構(gòu)造參照國(guó)家和地方規(guī)程及文獻(xiàn)[9]進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖4 隔震支座編號(hào)及布置圖

表2 隔震支座力學(xué)性能參數(shù)表

4.2 隔震結(jié)構(gòu)偏心率

隔震結(jié)構(gòu)偏心率是隔震層設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要指標(biāo)，日本和臺(tái)灣規(guī)范明確規(guī)定隔震系統(tǒng)的偏心率不宜大于3%[10]。該工程在進(jìn)行隔震層設(shè)計(jì)時(shí)，也對(duì)隔震系統(tǒng)的偏心率進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果為：X方向2.80%，Y方向1.97%，兩個(gè)方向均小于3%，表明上部質(zhì)量中心和隔震層剛度中心偏心率不大。

4.3 結(jié)構(gòu)水平向減震系數(shù)

由于該工程上部結(jié)構(gòu)布置存在夾角，不同方向上輸入的水平地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的受力情況有影響，因此從0度、49度、58度不同的輸入方向進(jìn)行時(shí)程分析[7]，取計(jì)算結(jié)果中最大值作為計(jì)算結(jié)果。在輸入7條時(shí)程地震波時(shí)，隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)的X方向和Y方向各層層間剪力比值的最大值如表3所示。

表3 層間剪力比值

同理計(jì)算出隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)各層傾覆力矩最大比值為0.188。根據(jù)規(guī)范[1]規(guī)定，該結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)取層間剪力比值和層間傾覆力矩比值的較大者即0.265(發(fā)生在底層)，故，水平向減震系數(shù)為0.265，滿(mǎn)足上部結(jié)構(gòu)降一度設(shè)計(jì)的要求，表明了該工程上部結(jié)構(gòu)按照7度(0.10g)設(shè)計(jì)是可行的，并保留有一定的安全度。

4.4 罕遇地震下層間位移

罕遇地震下，隔震結(jié)構(gòu)的隔震支座最大位移為324mm，小于0.55D=440mm(D為最小隔震支座直徑800mm)及3Tr≥444mm(Tr為最小隔震支座的橡膠層總厚度)中的較小值，滿(mǎn)足抗震規(guī)范要求[7]。

4.5 罕遇地震下層間位移角

罕遇地震下，隔震結(jié)構(gòu)的層間位移角如表4所示。

由表4 可知，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/1009(發(fā)生在第五層的X向)，明顯小于規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移角限值1/50，具有良好的抗震性能。

表4 罕遇地震作用下層間位移角

4.6 隔震橡膠支座拉壓應(yīng)力

根據(jù)《抗震規(guī)范》，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。經(jīng)計(jì)算，在罕遇地震作用下，該工程的隔震支座都沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力，因此罕遇地震下該隔震支座拉應(yīng)力滿(mǎn)足抗震規(guī)范要求；隔震支座滿(mǎn)足同一隔震層內(nèi)各個(gè)橡膠隔震支座的豎向平均應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)丙類(lèi)建筑的限值15MPa，在大變形的情況下支座的豎向壓應(yīng)力不大于30MPa的規(guī)定。經(jīng)計(jì)算，在罕遇地震下該隔震支座壓應(yīng)力滿(mǎn)足抗震規(guī)范要求。

5 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

根據(jù)《抗震規(guī)范》規(guī)定，隔震層的支墩、支柱及相連構(gòu)件，應(yīng)滿(mǎn)足罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和力矩的承載力要求；隔震層以下的地下室，應(yīng)滿(mǎn)足嵌固剛度比和隔震后設(shè)防地震的抗震承載力要求，并滿(mǎn)足罕遇地震下的抗剪承載力要求。應(yīng)驗(yàn)算罕遇地震下隔震層的位移，并將驗(yàn)算得到軸力、剪力用于支墩設(shè)計(jì)。隔震建筑地基基礎(chǔ)的抗震驗(yàn)算和地基處理仍應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度進(jìn)行。該工程均按以上規(guī)定開(kāi)展具體的設(shè)計(jì)。計(jì)算和分析結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)完全滿(mǎn)足《抗震規(guī)范》規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)論

本文對(duì)一棟高烈度區(qū)實(shí)際厚板轉(zhuǎn)換層建筑的結(jié)構(gòu)隔震性能進(jìn)行時(shí)程分析，結(jié)論如下：

(1)隔震技術(shù)適合應(yīng)用于平面不規(guī)則而立面又有較大變化的建筑。

(2)采用隔震技術(shù)后，結(jié)構(gòu)自振周期明顯延長(zhǎng)，大大減少了上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，層間剪力、傾覆力矩都得到很大程度的衰減，達(dá)到了預(yù)期的效果。

(3)采用轉(zhuǎn)換層厚板隔震+上部剪力墻結(jié)構(gòu)體系，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)整體性，減少了水平地震作用，提高了抗震性能，工程結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、高效。