RC框架-核心筒高層隔震結(jié)構(gòu)支座拉應(yīng)力控制方法研究*

尹傳印，解琳琳，李愛群,，曾德民，陳 曦，閤東東，楊參天

(1 北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心， 北京 100044； 2 北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044； 3 東南大學(xué)土木工程學(xué)院， 南京 210096；4 北京市建筑設(shè)計研究院有限公司， 北京 100045)

0 引言

近年來我國高層建筑迅猛發(fā)展[1]，因我國也是地震多發(fā)的國家，如何提高高層建筑的地震安全性成為了研究熱點。隔震技術(shù)被廣泛視為可顯著提高結(jié)構(gòu)、設(shè)備和裝修的地震安全性，因此得到了大力發(fā)展[2]。近年來，隨著隔震技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，隔震技術(shù)在高層建筑中的應(yīng)用也日趨廣泛。

不同于多層建筑，高層建筑較大的傾覆力矩可能會使隔震支座產(chǎn)生一定程度的拉應(yīng)力，過大的拉應(yīng)力會使支座存在破壞風(fēng)險，因此支座拉應(yīng)力的控制成為了高層隔震建筑設(shè)計的難點問題[3-4]。目前，對高層隔震結(jié)構(gòu)支座拉應(yīng)力控制的主要手段如下。

(1)優(yōu)化隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計

熊偉[5]探討了層高、柱距、剪力墻布置對剪力墻高層隔震結(jié)構(gòu)支座拉應(yīng)力的影響，并提出了以控制支座拉應(yīng)力為目標(biāo)的柱網(wǎng)布置和剪力墻布置優(yōu)化建議。周濤[6]同樣研究了剪力墻布置對剪力墻高層隔震結(jié)構(gòu)支座拉應(yīng)力的影響，并建議了支座布置方案的優(yōu)化方法。袁劍亮[7]建議采用剪力墻開洞、分散剪力墻布置和加大隔震支座間距的方法來減小拉應(yīng)力。王曙光等[3]、程華群等[4]研究了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中豎向抗側(cè)構(gòu)件和支座布置形式對拉應(yīng)力大小的影響規(guī)律。馮啟浩等[8]研究了支座拉壓剛度比對拉應(yīng)力的影響規(guī)律。馬凱等[9]研究了隔震支座布置方式對結(jié)構(gòu)減震性能的影響規(guī)律，建議可以增大支座配重來抵消拉應(yīng)力。

通過優(yōu)化隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計控制支座拉應(yīng)力，是目前應(yīng)用最為廣泛的手段，大量研究表明該方法可以較好地控制拉應(yīng)力。然而，現(xiàn)有研究并未對優(yōu)化隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾種方法的控制效果、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比，暫未形成相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計流程。

(2)采用新型隔震支座或引入抗拉裝置

鄧烜等[10]對某大底盤多塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔震設(shè)計時，采用豎向提離裝置對拉應(yīng)力進(jìn)行了釋放。周露等[11]對9度區(qū)某框架-核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔震設(shè)計時，采用了橡膠支座和彈性滑板支座混合隔震的方案，避免了拉應(yīng)力的出現(xiàn)。葛家琪等[12]把抗拉限位裝置應(yīng)用于成都博物館隔震設(shè)計中，結(jié)果表明抗拉限位裝置可有效減小支座拉應(yīng)力。吳從曉等[13]介紹了兩種工程中常用的抗拉裝置，并對某14層剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔震設(shè)計，分析結(jié)果表明，拉應(yīng)力全部由抗拉裝置承擔(dān)，有效避免了支座出現(xiàn)受拉情況。邢玨蕙[14]等對西昌市某高層剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔震設(shè)計，設(shè)計結(jié)果表明支座拉應(yīng)力較為接近規(guī)范限值，建議采用簡易的抗拔裝置。閤東東[15]等采用了可提離裝置來釋放橡膠隔震支座的拉應(yīng)力，分析結(jié)果表明采用該裝置可避免支座受拉。

采用新型隔震支座或引入抗拉裝置對高層隔震結(jié)構(gòu)支座拉應(yīng)力控制效果顯著，然而，廣泛適用于各類高層隔震結(jié)構(gòu)的新型支座或抗拉裝置的開發(fā)和研究工作尚不充分，成熟產(chǎn)品還相對較少。

綜上所述，通過優(yōu)化隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計控制支座拉應(yīng)力，這一技術(shù)手段目前應(yīng)用最為廣泛，且更容易在工程實踐中采用。因此，本文針對這一類技術(shù)手段，以一RC框架-核心筒高層隔震結(jié)構(gòu)為例，對比研究了4種拉應(yīng)力控制方法的控制效果。值得注意的是，采用不同的控制方法可能會對結(jié)構(gòu)的材料用量以及工程造價造成一定程度的影響，然而目前考慮不同拉應(yīng)力控制方法對結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)影響的研究還相對較少。因此，本文量化分析了不同控制方法對結(jié)構(gòu)材料用量的影響。在此基礎(chǔ)之上，面向支座最大拉應(yīng)力控制需求，建議了優(yōu)選拉應(yīng)力控制方法，初步提出了支座最大拉應(yīng)力優(yōu)化控制流程，并進(jìn)一步優(yōu)化了設(shè)計案例，驗證了該方法的合理性和經(jīng)濟(jì)性。

1 基本案例

1.1 上部結(jié)構(gòu)

為了研究適用于RC框架-核心筒高層隔震結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力控制方法，并對比不同拉應(yīng)力控制方法的經(jīng)濟(jì)性，本研究首先基于課題組29棟高層隔震建筑設(shè)計經(jīng)驗設(shè)計了一個基本案例。該案例為一27層、高度為98.1m的RC框架-核心筒高層隔震結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)平面尺寸為40.8m×40.8m，核心筒尺寸為18m×18m，結(jié)構(gòu)高寬比約為2.4。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為8度(0.30g)，場地類別為Ⅱ類場地，設(shè)計地震分組為第一組，場地特征周期為0.35s，地面粗糙度為C類。首層層高為5.1m，2～3層層高為4.5m，4～27層層高均為3.5m。上部結(jié)構(gòu)按隔震效果達(dá)到降一度目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計，隔震溝尺寸參照已有工程案例設(shè)置為350mm。結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級為C30～C50，剪力墻厚度為200～400mm，柱截面尺寸為800×800～1 200×1 200，樓板厚度均為120mm。采用PKPM軟件建立基本案例結(jié)構(gòu)的分析模型，結(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示。結(jié)構(gòu)模型主要構(gòu)件尺寸和材料強度等級如表1，2所示。結(jié)構(gòu)基本周期為2.242s(Y向平動)，7度(0.15g)小震反應(yīng)譜分析所得的上部結(jié)構(gòu)最大層間側(cè)移角為0.000 7。

圖1 基本案例模型和結(jié)構(gòu)平面圖

梁柱構(gòu)件尺寸和材料 表1

剪力墻和連梁尺寸以及材料 表2

1.2 隔震方案及關(guān)鍵指標(biāo)

本結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的±0隔震方案，即隔震層位于1層底部。隔震分析采用有限元軟件ETABS。整體結(jié)構(gòu)采用課題組前期所采用的建模方法建立[16-18]。在進(jìn)行隔震設(shè)計時，采用了16個黏滯阻尼器以控制大震作用下隔震層位移，阻尼指數(shù)和阻尼系數(shù)分別為100kN·s/mm和0.3。具體的隔震層方案和極值面壓分布如圖2所示，定義壓應(yīng)力為“+”、拉應(yīng)力為“-”，所采用的隔震支座性能參數(shù)如表3所示，該隔震方案下結(jié)構(gòu)的基本周期為4.711s。

隔震支座參數(shù) 表3

圖2 隔震層布置和極值面壓分布圖MPa

本研究選取了5條天然波(天然波1～5)和2條人工波(人工波1，2)，其中天然波從美國太平洋地震研究中心(PEER)數(shù)據(jù)庫[19]中選取，人工波采用軟件SIMQKE_GR生成[20]。本研究采用了《建筑隔震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見稿)[21](簡稱隔震標(biāo)準(zhǔn))中的反應(yīng)譜進(jìn)行地震波的選取。選取相應(yīng)地震波時控制反應(yīng)譜在2～2.4s以及4.7～4.8s間吻合良好，相應(yīng)地震波的加速度反應(yīng)譜與規(guī)范譜的對比如圖3所示。從圖中可以看出，在非隔震結(jié)構(gòu)周期(2.242s)和隔震結(jié)構(gòu)周期點(4.711s)上各地震波加速度反應(yīng)譜值與規(guī)范反應(yīng)譜吻合良好，平均誤差不超過20%，滿足規(guī)范要求，表明上述7條地震波可以用于隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖3 設(shè)計地震動反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比

將上述7條地震波輸入到結(jié)構(gòu)中計算相關(guān)隔震設(shè)計關(guān)鍵指標(biāo)，關(guān)鍵指標(biāo)如表4所示?；景咐臏p震系數(shù)為0.36，滿足對上部結(jié)構(gòu)降一度設(shè)計的要求。隔震層最大位移平均值為275mm，小于0.55倍支座有效直徑和3倍支座橡膠總厚度(528mm)較小值的要求，考慮1.2倍放大系數(shù)后為330mm，小于隔震溝寬度，整體滿足預(yù)期要求。支座的極值應(yīng)力采用隔震標(biāo)準(zhǔn)中給出的參照公式計算。案例的極大面壓和極小面壓如圖2所示，從圖中看出基本案例最大壓應(yīng)力為25.89MPa，小于規(guī)范限值30MPa；最大拉應(yīng)力為0.8MPa，雖然滿足規(guī)范要求，但與規(guī)范限值1MPa較為接近，有必要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計方案。整體來說，基本案例的減震系數(shù)、極大面壓和隔震層大震位移尚存在一定的富余，但拉應(yīng)力相對較大，有待進(jìn)一步控制。

基本案例隔震設(shè)計關(guān)鍵指標(biāo) 表4

2 采用不同支座拉應(yīng)力控制方法的對比分析

2.1 拉應(yīng)力控制方法及其關(guān)鍵指標(biāo)

為了對比分析安全、合理且經(jīng)濟(jì)的支座拉應(yīng)力控制方案，本研究采用了4種支座拉應(yīng)力控制方法對基本案例進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，形成了4個研究案例，采用基本案例中的7條地震波進(jìn)行分析，然后進(jìn)行關(guān)鍵指標(biāo)的對比。

(1)增大結(jié)構(gòu)整體剛度的方法(方案1)：通過加大上部結(jié)構(gòu)截面提高結(jié)構(gòu)整體剛度，縮短結(jié)構(gòu)基本周期控制拉應(yīng)力。具體調(diào)整時，本研究在建筑尺寸允許范圍內(nèi)盡可能增大框架梁柱和核心筒的截面尺寸，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最終可有效減小最大拉應(yīng)力，減小了約0.4MPa，調(diào)整后的截面尺寸如表1，2所示(增大整體截面案例)。

(2)調(diào)整支座的方法(方案2)：通過降低出現(xiàn)較大拉應(yīng)力支座的剛度可一定程度減小拉應(yīng)力[7-8]。本研究通過少量次數(shù)的調(diào)試后，最終將內(nèi)筒中直徑為1 200mm的隔震支座替換為900mm和1 000mm，最大拉應(yīng)力減小了0.16MPa，調(diào)整后的隔震層布置如圖4所示。圖中矩形框?框起的位置表示此處與基本案例相比，隔震支座有變化。

圖4 方案2隔震層布置圖

(3)基本不改變結(jié)構(gòu)的基本周期，優(yōu)化外框架柱和內(nèi)核心筒尺寸(簡稱內(nèi)外優(yōu)化)的方法(方案3)：考慮到基本案例最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在核心筒角部墻體，這表明地震下剪力墻承擔(dān)的地震力較大。理論上而言，在保持結(jié)構(gòu)基本周期不變的前提條件下(即總地震力基本保持不變)，通過降低墻體剛度和增大框架柱剛度可在一定程度上減小墻體所承受的地震力。通過不斷的調(diào)試，最終可有效減小最大拉應(yīng)力，減小了約0.2MPa，調(diào)整后的截面尺寸如表1，2所示(內(nèi)外優(yōu)化案例)。

(4)方案2和方案3相結(jié)合，即上部結(jié)構(gòu)內(nèi)外優(yōu)化和調(diào)整支座的方法(方案4)：同時降低出現(xiàn)拉應(yīng)力部位上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸和相應(yīng)支座的剛度，釋放該處的拉應(yīng)力，結(jié)果表明兩者可有效減小最大拉應(yīng)力，減小了0.44MPa。

基本案例和上述4個方案的第1階周期信息以及關(guān)鍵指標(biāo)的對比如表5，6所示。從表中可以看出，各案例的上部結(jié)構(gòu)周期均在2～2.4s之間，隔震結(jié)構(gòu)周期均在4.7～4.8s之間，表明本研究選取的7條地震波可滿足設(shè)計要求。

各方案的控制效果具體如下。

各方案結(jié)構(gòu)第1階周期 表5

各方案隔震設(shè)計關(guān)鍵指標(biāo)匯總 表6

(1)方案1：隨著上部結(jié)構(gòu)周期的減小，拉應(yīng)力得到了較大程度的控制(減小了0.4MPa)，同時該方法一定程度上可以提升隔震效果(減震系數(shù)從0.36減小至0.34)，但會一定程度增大大震隔震層位移，增加至285mm。

(2)方案2：通過將出現(xiàn)拉應(yīng)力的支座改為小直徑的支座，使得支座拉應(yīng)力有了一定程度的減小(減小了0.16MPa)，該方法不會顯著改變結(jié)構(gòu)的隔震效果以及大震隔震層位移。

(3)方案3：采用該方案調(diào)整后，上部結(jié)構(gòu)基本周期延長了4.95%，基本不變。最大拉應(yīng)力得到了一定程度的控制(減小了0.2MPa)，隔震效果相對降低，減震系數(shù)增加至0.38，大震隔震層位移減小至268mm。

(4)方案4：從表6中可以看出，通過降低拉應(yīng)力出現(xiàn)部位(上部構(gòu)件以及相應(yīng)支座)的剛度，可較大程度的控制拉應(yīng)力(減小了0.44MPa),隔震效果和大震隔震層位移主要受外框架和內(nèi)核心筒尺寸調(diào)整的影響(支座調(diào)整影響較小)，因此減震系數(shù)也增加至0.38，大震隔震層位移則降低至269mm。

2.2 上部結(jié)構(gòu)材料用量對比

為了進(jìn)一步明確不同方案的優(yōu)劣，本研究對各方案的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行了對比分析，主要對比了各方案與基本案例的材料用量，上部結(jié)構(gòu)混凝土用量和鋼筋用量結(jié)果如圖5，6所示。圖中所示括號內(nèi)的百分比為各方案與基本案例的相對增量，由于方案2與基本案例上部結(jié)構(gòu)相同，因此未在圖中標(biāo)出。

圖5 上部結(jié)構(gòu)混凝土用量對比

圖6 上部結(jié)構(gòu)鋼筋用量對比

從圖5,6中可以看出，方案1可較好地控制拉應(yīng)力，但需要額外增加10.34%的混凝土用量以及4.60%的鋼筋用量。方案3和方案4可達(dá)到與方案1相類似的拉應(yīng)力控制效果，但減少了0.50%的混凝土用量，僅增加了0.57%的鋼筋用量。

總的來說，相比于增大上部結(jié)構(gòu)整體剛度的方案，采用內(nèi)外剛度優(yōu)化與支座局部優(yōu)化，可達(dá)到滿足相同要求的隔震性能和拉應(yīng)力控制效果，而且不會引起材料用量的顯著改變，因此在拉應(yīng)力控制時可優(yōu)先考慮。

2.3 拉應(yīng)力優(yōu)化控制流程

基于上述研究結(jié)果，本文初步提出了適用于RC框架-核心筒高層隔震結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力優(yōu)化控制流程，其流程圖如圖7所示。

圖7 RC框架-核心筒高層隔震結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力優(yōu)化控制流程

具體而言，在形成初步設(shè)計方案將拉應(yīng)力控制小于1MPa后，確定拉應(yīng)力優(yōu)化控制目標(biāo)，然后可首先選擇優(yōu)化內(nèi)核心筒和外框架的剛度分配，同時優(yōu)化支座，其基本原則為削弱拉應(yīng)力較大支座的剛度及與之相連的相應(yīng)上部構(gòu)件剛度，若滿足優(yōu)化目標(biāo)，則完成優(yōu)化設(shè)計。若不滿足，則在建筑允許的尺寸下進(jìn)一步整體加大上部結(jié)構(gòu)尺寸，直至滿足。

為了驗證該流程的合理性和可靠性，本研究以基本案例為例，進(jìn)一步提高拉應(yīng)力控制目標(biāo)——大震下支座不出現(xiàn)拉應(yīng)力。基于該優(yōu)化流程，可首先內(nèi)外剛度優(yōu)化和支座優(yōu)化，將最大拉應(yīng)力從0.8MPa減小至0.36MPa。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步增大截面尺寸(具體尺寸見表1，2的流程優(yōu)化)，使其不存在拉應(yīng)力，最終極小面壓降低至0.01MPa(壓)。該方案的基本周期為2.222s，隔震后周期為4.753s，減震系數(shù)為0.35，大震隔震層最大位移為276mm，滿足預(yù)期要求。該方案的混凝土和鋼筋用量分別比基本方案高4.78%和4.54%，材料用量仍低于方案1(增大結(jié)構(gòu)整體剛度)，且拉應(yīng)力控制效果更佳。

3 結(jié)論

本文以一棟高寬比約為2.4，抗震設(shè)防烈度為8度(0.30g)的RC框架-核心筒高層隔震結(jié)構(gòu)為基本案例，對比了4種支座拉應(yīng)力控制方案，對其控制效果和上部結(jié)構(gòu)材料用量進(jìn)行了對比分析。在此基礎(chǔ)上，提出了適用于該類結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力優(yōu)化控制流程體系，得到了以下結(jié)論：

(1)傳統(tǒng)增大結(jié)構(gòu)整體剛度控制拉應(yīng)力的方法可較好控制拉應(yīng)力，但會顯著提升材料用量和工程造價，降低使用面積。

(2)傳統(tǒng)調(diào)整支座方案也能一定程度控制拉應(yīng)力，且基本不會改變其他隔震設(shè)計關(guān)鍵指標(biāo)。

(3)維持結(jié)構(gòu)第1階周期基本不變，優(yōu)化外框架柱和內(nèi)核心筒尺寸也可較好控制拉應(yīng)力，且不會顯著改變材料用量和工程造價。

(4)本文案例研究表明結(jié)合內(nèi)外優(yōu)化和調(diào)整支座可獲得與增大結(jié)構(gòu)整體剛度相近的控制效果，且不會顯著改變材料用量。

(5)基于本研究提出的拉應(yīng)力控制流程，對基本案例進(jìn)行了不出現(xiàn)拉應(yīng)力的優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明采用該方法可使用更少的材料增量獲得更高的拉應(yīng)力控制效果。本文研究成果可為RC框架-核心筒高層隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。