高烈度地區(qū)高層框架結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)與分析

文/陳柏宇、楊群京 云南正元安泰建設(shè)工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司 云南昆明 650000

隔震技術(shù)是種有效的“隔離地震”的技術(shù)，通過在建筑的某一層設(shè)置隔震橡膠支座的隔震層，改變結(jié)構(gòu)體系振動特性，延長結(jié)構(gòu)自振周期，通過隔震層的大變形耗散了輸入結(jié)構(gòu)的大部分地震作用，有效地降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，減少上部層間剪力與層間相對變形。通常隔震結(jié)構(gòu)的樓層間位移角只有非隔震結(jié)構(gòu)的1/8～1/5[1]。近10年來，隔震技術(shù)在云南省高烈度區(qū)得到了較大規(guī)模的運(yùn)用。

1、工程概況

本文的工程案例位于云南省普洱市，為一商業(yè)綜合體的4#棟號，地上12層商住樓，二層全埋地下室組成，建筑結(jié)構(gòu)高度34.2m，寬15.7m，高寬比2.2。結(jié)構(gòu)平面尺寸為46.2x15.7m，采用了鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)。普洱市抗震設(shè)防烈度為8度，地震加速度0.2g，設(shè)計(jì)分組為第三組，場地類別Ⅱ類，場地特征周期Tg=0.45s。結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年，結(jié)構(gòu)使用年限50年，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。商業(yè)綜合體如圖1。

圖1 建筑效果圖

2、隔震設(shè)計(jì)方法

目前，我國隔震設(shè)計(jì)一般采用分部設(shè)計(jì)法，分為四部分：上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、隔震層設(shè)計(jì)、下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。簡要概括如下：

（1）上部結(jié)構(gòu)：水平地震作用采用隔震以后的地震作用標(biāo)準(zhǔn)，本工程的隔震后的減震系數(shù)β為0.38，隔震后αmax降低為0.072，即按7度（0.1g）設(shè)計(jì)；隔震支座不能隔離豎向地震作用，所以與豎向地震作用相關(guān)的要求不降低（如軸壓比等）。

（2）隔震層：首先，應(yīng)按豎向荷載作用下壓應(yīng)力要求及隔震目標(biāo)初步選擇隔震支座，并驗(yàn)算應(yīng)滿足罕遇地震下支座的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力、位移及抗風(fēng)承載力要求；其次，隔震層在地震作用下應(yīng)具有足夠的承載力能力，因此應(yīng)提高該層的剛度及承載力，且應(yīng)控制隔震層剛度中心與質(zhì)量中心的偏心率，其原因是隔震后上部結(jié)構(gòu)按彈性設(shè)計(jì)，上部構(gòu)件局部塑性化而帶來的扭轉(zhuǎn)振動擴(kuò)大的現(xiàn)象不會發(fā)生，即使上部有偏心的建筑物，扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的影響也很小，但隔震層剛度中心與質(zhì)量中心的偏心，會引起隔震結(jié)構(gòu)整體的扭轉(zhuǎn)振動，隔震端部的隔震裝置會產(chǎn)生很大的水平變形[2]，因此偏心率不大于3%即將列入隔震規(guī)范要求[3]；最后，隔震層還應(yīng)保證足夠的水平和豎向凈空空間，穿越隔震層的設(shè)備管道、樓電梯、坡道、室外出入口等均應(yīng)適應(yīng)地震作用下隔震層較大的水平變形要求。

（3）下部結(jié)構(gòu)：本工程的下部結(jié)構(gòu)即為直接支撐隔震支座的全埋地下室，按規(guī)范要求要進(jìn)行設(shè)防地震的抗震承載力驗(yàn)算，并按罕遇地震進(jìn)行抗剪承載力驗(yàn)算。

（4）基礎(chǔ)：地基基礎(chǔ)的抗震驗(yàn)算不考慮隔震產(chǎn)生的減震效應(yīng)，按本地區(qū)設(shè)防烈度進(jìn)行設(shè)計(jì)，本工程即按8度（0.2g）進(jìn)行基礎(chǔ)抗震驗(yàn)算。

3、隔震設(shè)計(jì)流程及目標(biāo)

以本工程為例，隔震設(shè)計(jì)的一般流程為：確定隔震層位置→初定隔震目標(biāo)→上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→ETABS模型驗(yàn)證（質(zhì)量、周期、剪力）→布置隔震支座選擇地震動→水平減震系數(shù)計(jì)算（中震）→隔震支座剪力、軸力、位移計(jì)算（大震）→下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

為不影響地下室的使用功能，本工程將隔震層設(shè)置于上部結(jié)構(gòu)以下，地下室以上，高度為1.70m，這樣的結(jié)構(gòu)形式概念清晰，上下均為完整的剛體中間為柔性的隔震夾層。隔震設(shè)計(jì)目標(biāo)可將隔震后的水平地震作用大致歸納為比非隔震時(shí)降低半度、一度和一度半三個(gè)檔次，可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐脑O(shè)防烈度、場地條件、上部結(jié)構(gòu)規(guī)則性以及質(zhì)量和剛度分布均勻性來初步確定上部結(jié)構(gòu)計(jì)算所采用的水平地震作用。本工程初定隔震目標(biāo)為降低一度。

4、隔震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 隔震分析手段

隔震設(shè)計(jì)分析一般為小、中、大震三階段的分析。以本工程為例，該三階段的分析均可用ETABS軟件實(shí)現(xiàn)。對于帶鉛芯橡膠支座（LRB）具有非線性特質(zhì)，常用的恢復(fù)力模型有雙線性模型和Wen-Bone滯回模型，ETABS中可用“Isolator1”及“Gap”單元分別模擬隔震支座的水平及豎向剛度。采用隔震后的上部結(jié)構(gòu)為處于彈性狀態(tài)，橡膠支座為非線性狀態(tài)，此時(shí)可采用FNA方法（Fast Nonlinear Analysis，快速非線性分析方法），此方法適用于含有有限數(shù)量的非線性單元但結(jié)構(gòu)主體保持彈性的時(shí)程分析，其計(jì)算速度快，計(jì)算結(jié)果精度可信。

4.2 隔震支座型號選擇

本工程結(jié)構(gòu)屬于丙類建筑，按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱《抗規(guī)》）第12.2.3條，橡膠隔震支座壓應(yīng)力限值15Mpa。先按單柱下的豎向軸力值可初步估算隔震支座的大小，然后再按《抗規(guī)》規(guī)范復(fù)核隔震支座在罕遇地震作用下，隔震支座不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)少數(shù)隔震支座出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，其拉應(yīng)力不應(yīng)大于1MPa及支座水平位移限值應(yīng)小于其有效直徑的0.55倍和各橡膠層總厚度3倍二者的較小值。本工程共使用了49個(gè)支座（10套LRB500、25套LRB600、14套LNR500），支座平面布置詳圖2。

圖2 隔震支座平面布置圖

4.3 地震波的選?。ㄐ≌穑?/h3>

地震波可按《抗規(guī)》5.1.2條在小震下進(jìn)行合理地選擇，并滿足一定的統(tǒng)計(jì)要求，本工程選取了2條人工波及5條自然波。圖3給出了7條時(shí)程曲線及平均擬合反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比的結(jié)果。

4.4 減震系數(shù)計(jì)算（中震）

水平向減震系數(shù)β反應(yīng)了隔震建筑上部結(jié)構(gòu)地震作用的降低程度，可按《抗規(guī)》第12.2.5條計(jì)算確定，另按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)用》P176頁關(guān)于減震系數(shù)計(jì)算的說明“計(jì)算隔震與非隔震兩種情況的層間剪力，宜采用基本設(shè)防水準(zhǔn)下地震作用進(jìn)行時(shí)程分析”。本工程采用FNA法，在中震下對隔震與非隔震結(jié)構(gòu)輸入地震波，進(jìn)行時(shí)程分析。由分析結(jié)果可知，首先，隔震后相比非隔震的自振周期明顯延長，比對詳表1，且X、Y向兩個(gè)方向基本周期差值較小，滿足《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定；其次，隔震后的上部結(jié)構(gòu)的最大樓層剪力只有非隔震結(jié)構(gòu)的30%左右。上部結(jié)構(gòu)層間剪力比最大值為0.380，層傾覆力矩比最大值為0.321，由此取水平向減震系數(shù)β為0.380，計(jì)算得隔震后水平地震影響系數(shù)最大值αmax1為0.072，即上部結(jié)構(gòu)可按7度（0.1g）進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 時(shí)程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線對比

表1 隔震前后周期對比

4.5 隔震支座設(shè)計(jì)（大震）

如前4.2節(jié)所述，首先應(yīng)復(fù)核在大震下隔震支座的拉應(yīng)力及水平位移值，并滿足《抗規(guī)》相關(guān)規(guī)定要求。本工程大震下支座的最大拉應(yīng)力0.16Mpa，均小于1Mpa。大震下支座最大水平位移X，Y向分別為235，231mm，均小于0.55D=275mm（D為最小隔震支座直徑，本工程采用隔震支座最小直徑為500mm）及3Tr=276mm（Tr為最小隔震支座的橡膠層總厚度）中的較小值，滿足《抗規(guī)》要求。

其次根據(jù)《抗規(guī)》12.1.3條，采用隔震的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的產(chǎn)生的總水平力不宜超過結(jié)構(gòu)總重力的10%，本結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的產(chǎn)生的總水平力為4109KN，總重力為110527kN，滿足要求。

最后本工程經(jīng)計(jì)算的隔震層偏心率X向?yàn)?.01%，Y向?yàn)?.86%，均小于3%，隔震層不會有過大的扭轉(zhuǎn)。

5、隔震構(gòu)造要求

隔震層還應(yīng)保證足夠的水平和豎向凈空空間，應(yīng)能保證適應(yīng)大震作用下隔震層較大的水平變形要求，設(shè)計(jì)采取了如下措施：

1）上部結(jié)構(gòu)及電梯井等位置周邊設(shè)置了豎向隔離縫，縫寬為400mm，隔離縫的蓋板采用可滑移做法。2）上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間，應(yīng)設(shè)置完全貫通的水平隔離縫，縫高取20mm，并用柔性材料填充。3）隔震層設(shè)備管線采用柔性連接，保證有一定的變形能力。

結(jié)語：

本文通過一高烈度區(qū)隔震工程實(shí)例，簡要介紹了隔震設(shè)計(jì)的方法、流程及設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)。案例工程采取隔震技術(shù)后，實(shí)現(xiàn)了延長了整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的自振周期，減少了層間剪力與層間相對變形的目標(biāo)，達(dá)到預(yù)期防震要求，隔震技術(shù)在高烈度地區(qū)具有良好的運(yùn)用前景。本文介紹的隔震設(shè)計(jì)方法可供類似設(shè)計(jì)參考。