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

李偉偉

漢嘉設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230000

引言

為了降低外界對(duì)高層剪力墻結(jié)構(gòu)的影響，需要合理地對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使高層剪力墻具有良好的自震特性和減震系數(shù)，使隔震層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能夠得到有效提升。因此，需要嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行剪力墻的設(shè)計(jì)，使剪力墻具有良好的抗震性能。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)概況

某工程為高層住宅建筑，采用剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，高度為82.4m，占地面積為31.2m×23.4m。工程所在地為高烈度區(qū)，需要保障建筑具有良好的抗震等級(jí)，能夠有效地應(yīng)對(duì)風(fēng)力對(duì)建筑穩(wěn)定性的影響。該類建筑一般采用隔震結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)減震效果，使建筑結(jié)構(gòu)的震動(dòng)能夠得到減輕，進(jìn)而提高高層建筑的安全性。

1.2 隔震設(shè)計(jì)思路

本工程防震烈度為8度，通過對(duì)剪力墻的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)隔震效果。隔震層位于地下室頂板，高度為2～4m，可以有效地提高建筑的防震能力，使建筑結(jié)構(gòu)更加地穩(wěn)定。模型構(gòu)架采用Etabs軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，隔震能力由Isolator軟件進(jìn)行模擬，可以有效地對(duì)建筑的強(qiáng)度進(jìn)行判斷，保障建筑的防震能力符合要求。隔震支座抗拉能力是本工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)所在，同時(shí)也是隔震結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，因此，需要合理地對(duì)隔震支座進(jìn)行設(shè)計(jì)，使支座的選型與布置更加合理，進(jìn)而提高建筑的防震性能。

2 結(jié)構(gòu)模型

2.1 模型建立

建筑結(jié)構(gòu)采用有限元模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要通過Etabs軟件構(gòu)建建筑的結(jié)構(gòu)模型，使模型規(guī)格與實(shí)際工程相符，對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和分析，保障模型參數(shù)具有良好的精準(zhǔn)程度。構(gòu)建模型的核心在于隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要合理地對(duì)支座進(jìn)行選型和布置，可以在很大程度上提高建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使建筑可以更好地應(yīng)對(duì)風(fēng)力的影響，對(duì)剪力墻位移進(jìn)行有效的控制。隔震結(jié)構(gòu)一般采用有限元模型進(jìn)行構(gòu)建，逐步完成對(duì)模型結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，進(jìn)而使隔震模型結(jié)構(gòu)更加的準(zhǔn)確，能夠有效地反映剪力墻隔震結(jié)構(gòu)特征[1]。

2.2 模型驗(yàn)證

模型建立完畢后，需要對(duì)模型結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，保障模型具有結(jié)構(gòu)、受力等能夠與實(shí)際建筑相同，這樣可以使建筑隔震結(jié)構(gòu)的分析更加地準(zhǔn)確，從而保障模型建立的有效性。為了保障模型的可靠性，需要采用多種軟件進(jìn)行剪力墻模型的構(gòu)建，如SAP2000、JYK、Etabs等，可以通過對(duì)比分析的方式得到更為準(zhǔn)確的模型，從而保障建筑具有良好的防震結(jié)構(gòu)。對(duì)比的參數(shù)主要有結(jié)構(gòu)質(zhì)量、自振周期、層間剪力等，需要合理地參數(shù)進(jìn)行選取，這樣才能保障剪力墻具有良好的穩(wěn)定性，能夠有效地對(duì)建筑實(shí)際抗震效果進(jìn)行分析。

為提高模型分析的準(zhǔn)確化程度，采用了有限元模型分析形式，借助SAP2000、JYK、Etabs軟件對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力核算，對(duì)模型隔震穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。通過三種不同的軟件對(duì)模型隔震效果進(jìn)行驗(yàn)證，可以提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)而增加分析結(jié)果的可信度。經(jīng)過三種不同軟件的分析，可以得到如下結(jié)果：SAP2000軟件：恒載9514.62t、活載1412.44t、重力荷載10156.63t；YJK軟件：恒載9517.96tt、活載1414.32t、重力荷載10158.89t；Etabs軟件：恒載9512.45tt、活載1410.28t、重力荷載10155.12t。通過上述數(shù)據(jù)可知，三種軟件分析得到的結(jié)構(gòu)質(zhì)量結(jié)果基本相同，以SAP2000、YJK軟件分析結(jié)果為例，兩者的恒載差值比率為0.035%，活載差值比率為0.013%，重力荷載差值比率為0.022%。由此可見，建筑有限元模型具有較高的準(zhǔn)確性，可以將該模型作為隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

3 隔震支座選型與布置

為了保障建筑抗震結(jié)構(gòu)更加地穩(wěn)定，需要合理地對(duì)隔震支座進(jìn)行選型與布置。通常情況下，隔震層層高一般為2m，并且采取一柱一支座的布置形式，使隔震結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更加地易于控制。本工程使用63個(gè)隔震支座，通過Etabs軟件對(duì)隔震支座進(jìn)行模擬，這樣可以使分析結(jié)果更加地精準(zhǔn)，使支座的布置更加地合理。分析過程采用隔離單元分析方式，可以有效地對(duì)支座的力學(xué)性能進(jìn)行分析，使支座結(jié)構(gòu)的防震穩(wěn)定性能夠得到有效控制。

隔震支座的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且支座的數(shù)量較多，為了提高支座整體的隔震性能，需要Gap單元對(duì)支座進(jìn)行模擬，提高選型與布置的合理性。本工程支座采用線性隔震結(jié)構(gòu)，可以使隔震層更加地穩(wěn)定，使隔震層能夠得到較好的布置。而在選型方面，采用橡膠支座作為隔震材料，使隔震效果得到了較大的提升，在很大程度上減少了震動(dòng)的傳遞。以某一支座為例，該支座高度192mm，直徑586mm，橡膠厚度125m，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能分析后，可以得到如下數(shù)據(jù)：剛度946kN/mm，屈服力100.8kN，極限位移364mm。通過上述數(shù)據(jù)可知，該支座具有良好的隔震效果，進(jìn)而使建筑結(jié)構(gòu)更好地穩(wěn)定。

4 隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

4.1 自振特性

隔震結(jié)構(gòu)具有一定的自振特性，需要對(duì)該特性進(jìn)行處理，使隔震結(jié)構(gòu)具有良好的自振穩(wěn)定性。通過改變自振特性，可以有效地對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的振型進(jìn)行調(diào)整，使自振特性更加地穩(wěn)定。在未采用減振措施時(shí)，振型主要以晃動(dòng)為主，該振動(dòng)的規(guī)律性較差，會(huì)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成較大的影響。使用減振結(jié)構(gòu)后，振型將會(huì)轉(zhuǎn)為平動(dòng)，使自振特性更加地具有規(guī)則性，可以使隔震結(jié)構(gòu)更加地穩(wěn)定且易于控制。振型改變前后自振周期相差5.5%左右，可以有效地自振特性進(jìn)行改變，使自振特定能夠沿著X軸或Y軸呈現(xiàn)軸向平動(dòng)。

4.2 減震系數(shù)

通過減震系數(shù)可以對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的防震效果進(jìn)行評(píng)估，對(duì)減震效果進(jìn)行定量分析，這樣可以使隔震結(jié)構(gòu)更好地發(fā)揮作用，為隔震結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供參考依據(jù)。減震系數(shù)分為X向和Y向兩種，為了使減震系數(shù)得到標(biāo)準(zhǔn)，需要合理地進(jìn)行隔震濾波，這樣可以使隔震剪力得到有效的降低。通過分析可知，采用減震濾波后，X向剪力減少54%，Y向剪力減少52%，可以有效地對(duì)剪力進(jìn)行改善。通過Etabs軟件分析可得，水平減震系數(shù)為0.3851。再對(duì)水平地震影響系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法如下：αmax=βmax/ψ=0.32×0.3851/0.8=0.1540。因此，水平地震影響系數(shù)的最大取值為0.16，這樣可以使隔震層具有良好的隔震作用。

為了保障減震系數(shù)的穩(wěn)定性，需要對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期性分析，使隔震結(jié)構(gòu)具有良好的抗剪力效果。采用SAP2000、JYK、Etabs軟件分別對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)果：SAP2000軟件：周期2.324s，放大系數(shù)2.56；JYK軟件：周期2.296s，放大系數(shù)2.44；Etabs軟件：周期2.267s，放大系數(shù)2.38。三種軟件得到的分析相差不大，因而分析結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。以SAP2000、JYK軟件得到的數(shù)據(jù)為例，兩者的周期差值比率為1.212%，放大系數(shù)差值比率為4.192%。由此可見，該隔震結(jié)構(gòu)周期性分析具有較高的準(zhǔn)確性。

4.3 隔震層驗(yàn)算

4.3.1 抗風(fēng)驗(yàn)算。風(fēng)力會(huì)對(duì)高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成較大的影響，為此，需要通過抗風(fēng)驗(yàn)算對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的效果進(jìn)行分析，保障隔震結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能夠滿足要求。經(jīng)過驗(yàn)算可以得到如下數(shù)據(jù)：X向：風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：1667.21kN；風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值：2329.81kN；結(jié)構(gòu)總重力：100759.22kN；隔震層屈服力：10175.92kN。Y向：風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：1421.78kN；風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值：1998.63kN；結(jié)構(gòu)總重力：100761.32kN；隔震層屈服力：10179.77kN。由上述數(shù)據(jù)分析可知，隔震層抗風(fēng)滿足要求。

4.3.2 位移驗(yàn)算。振動(dòng)幅度將會(huì)影響到隔離支座的穩(wěn)定性，為此，需要對(duì)支座的位移進(jìn)行驗(yàn)算，保障支座能夠在防震結(jié)構(gòu)中能夠更好地發(fā)揮作用。支座位移計(jì)算公式如下：S=1.0SD+0.5SL+1.0SEhk。通過驗(yàn)算可得，支座位移平均值為126.48mm，小于支座位移標(biāo)準(zhǔn)值，隔震層位移滿足要求。

4.3.3 壓應(yīng)力驗(yàn)算。通過壓應(yīng)力分析可以對(duì)支座壓應(yīng)力分布情況進(jìn)行判斷。平均壓應(yīng)力計(jì)算公式如下：S=1.0SD+0.5SL，最大壓應(yīng)力計(jì)算公式如下：S=1.0SD+0.5SL+1.0SEhk+0.5SEvk。通過驗(yàn)算可得，支座平均壓應(yīng)力為7.12MPa，最大壓應(yīng)力為12.23MPa，兩者都小于支座壓應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，壓應(yīng)力滿足要求。

4.3.4 拉應(yīng)力驗(yàn)算。通過壓應(yīng)力分析可以對(duì)支座拉應(yīng)力分布情況進(jìn)行判斷。支座拉應(yīng)力計(jì)算公式如下：S=1.0SD+0.5SL+1.0SEhk-0.5SEvk。通過驗(yàn)算可得，支座拉應(yīng)力為0.8MPa，小于支座拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，拉應(yīng)力滿足要求。

4.4 地震記錄驗(yàn)證

為了對(duì)隔震層的實(shí)際效果進(jìn)行驗(yàn)證，需要人工對(duì)波形進(jìn)行模擬，對(duì)地震的影響進(jìn)行分析，保障建筑具有良好的受力特性。地震記錄需要對(duì)周期點(diǎn)進(jìn)行分析，確定建筑振型的狀態(tài)，繪制出地震影響曲線，進(jìn)而對(duì)隔震層的剪力特性進(jìn)行分析。采用SAP2000、JYK、Etabs軟件分別對(duì)隔震層剪力進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)果：SAP2000軟件：X向1345kN，Y向1475kN；JYK軟件：X向1384kN，Y向1552kN；Etabs軟件：X向1364kN，Y向1522kN。三者模擬的結(jié)果相差比率不大，以SAP2000、JYK軟件分析結(jié)果為例，X向差值比率：2.90%；Y向差值比率：5.22%。由此可見，地震記錄剪力驗(yàn)證較高的準(zhǔn)確性。

5 上部結(jié)構(gòu)變形分析

一旦建筑發(fā)生較大的震動(dòng)，將會(huì)對(duì)上部結(jié)構(gòu)造成影響，使上部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)。為了建筑具有良好的隔震效果，需要對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定上部結(jié)構(gòu)的變形程度，進(jìn)而保障建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通常情況下，上部結(jié)構(gòu)位移角限制為1/1000，需要通過位移角曲線進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)位移角進(jìn)行計(jì)算。對(duì)本工程上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形分析可知，位移角限制為1/2865，由于1/2865＜1/1000，因而本工程上部結(jié)構(gòu)位移符合要求，可以有效地對(duì)變形量進(jìn)行限制。從上部結(jié)構(gòu)X向、Y向進(jìn)行分析可知，該隔震結(jié)構(gòu)可以減少上部形變量比率如下：X向32.6%；Y向36.8%。因此，該隔震結(jié)構(gòu)可以起到良好的隔震效果，可以有效地防止上部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。

6 結(jié)束語

綜上所述，高層剪力墻需要具有良好的抗震效果，使建筑的結(jié)構(gòu)更加地穩(wěn)定，保障建筑使用過程更加安全。因此，合理地對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)非常重要，需要合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，使隔離支座選型與布置更加地穩(wěn)定，保障隔震層能夠起到良好的隔震作用，使建筑可以正常投入使用。