高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)及抗震性能測(cè)試研究

陳運(yùn)凱

剪力墻結(jié)構(gòu)作為城市住宅建設(shè)最主要的結(jié)構(gòu)形式[1]，其抗震性能的提升成為住宅項(xiàng)目的建設(shè)中最關(guān)鍵的因素之一。如何設(shè)計(jì)一套結(jié)構(gòu)隔震性能較強(qiáng)的建設(shè)方案，是當(dāng)前高層建筑建設(shè)質(zhì)量改善的重點(diǎn)[2-3]。目前，我國(guó)開展的大部分高層建筑隔震設(shè)計(jì)方案考慮的因素較少，缺少罕遇地震環(huán)境分析[4-5]。

1.工程概況

本研究以某住宅高層建筑工程為例，該建筑地上樓層共計(jì)19 層，剪力墻結(jié)構(gòu)。本工程建設(shè)嚴(yán)格按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010），合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)隔震方案，使得建筑得以滿足8 度抗震要求。在此條件下，地震加速度大小為0.3g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為III 類，相應(yīng)的特征周期為0.55s。如果采用傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方案，通過調(diào)整剪力墻厚度來(lái)改善抗側(cè)剛度，那么不僅不夠美觀，而且還會(huì)減小建筑使用面積，不滿足消費(fèi)者需求。為了有效抗震，本研究選擇隔震設(shè)計(jì)方法，考慮多遇地震和罕遇地震條件，探究滿足這些條件的隔震設(shè)計(jì)方案。

2.剪力墻結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

本研究選擇ETABS 軟件作為模型建立工具，構(gòu)建工程地上建筑結(jié)構(gòu)三維視圖模型，如圖1 所示。其中，柱、梁構(gòu)件布設(shè)采用基本單元相同，均為空間桿件，剪力墻與之不同，以殼體單元為建模模型。

圖1 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)隔震模型三維視圖

為了體現(xiàn)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震功效，本文以非隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為對(duì)照組，同樣利用ETABS 軟件構(gòu)建模型。通過模擬不同連接單元，得到多個(gè)規(guī)格隔震支座，經(jīng)過計(jì)算分析確定支座各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值。

2.2 地震波的選取

依據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)所處環(huán)境及結(jié)構(gòu)類型等因素，選擇8 條模擬地震波，包括人工波和天然波。其中，人工波數(shù)量2 條，記為AW1 和AW2；天然波數(shù)量6條，記為NW1～NW6。模擬期間，設(shè)定不同地震模擬環(huán)境中的加速度峰值。其中，罕遇地震條件下的數(shù)值為605gal，多遇地震條件下的數(shù)值為144gal。通過觀察模擬曲線結(jié)果，地震波底層剪力較大，其平均值在允許范圍之內(nèi)。因此，本次模式測(cè)試選擇這8 條地震波作為模擬環(huán)境打造工具。

2.3 建筑結(jié)構(gòu)隔震層設(shè)計(jì)

關(guān)于隔震層的設(shè)計(jì)，本研究以剪力墻結(jié)構(gòu)作為隔震支座布設(shè)參考依據(jù)，經(jīng)過結(jié)構(gòu)布設(shè)分析，最終確定支座的布置位置。由于支座的壓力限值對(duì)其隔震性能影響較大，本研究根據(jù)建筑規(guī)范確定重力荷載，使得豎向壓力數(shù)值控制在限定范圍之內(nèi)[6]。因此，可供選擇的支座直徑規(guī)格有兩個(gè)，分別是800mm、700mm。

依據(jù)建筑規(guī)范，隔震層偏心率不得超過3%。另外，還需要考慮隔震層在特殊環(huán)境下的影響，例如微振動(dòng)影響等，同時(shí)水平剛度要求達(dá)到抗風(fēng)承載力最低限值。根據(jù)本工程實(shí)際情況，調(diào)節(jié)兩種裝置應(yīng)用數(shù)量：（1）橡膠支座，記為L(zhǎng)NR，規(guī)格700mm，數(shù)量4 個(gè)；（2）鉛芯橡膠支座，記為L(zhǎng)RB，規(guī)格800mm，數(shù)量13 個(gè)。另外，配備粘滯阻尼器，數(shù)量8 個(gè)。為了滿足隔震需求，不同方向的隔震層偏心率要求不同，設(shè)計(jì)位于Y方向偏心率大小為0.5%，X 方向偏心率大小為2.7%。如圖2所示為隔震支座位置、重心、剛性布設(shè)方案，圖3 為工程隔震支座平面布設(shè)方案。

圖2 隔震支座位置、重心、剛心布設(shè)方案

圖3 工程隔震支座平面布設(shè)方案

3.抗震性能測(cè)試

3.1 結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力特性測(cè)試分析

本次測(cè)試抗震動(dòng)力特性時(shí)，以隔震周期作為測(cè)試指標(biāo)，如果本方案能夠延伸隔震周期，則認(rèn)為該設(shè)計(jì)方案具有較好的抗震動(dòng)力特性。如表1 所示為抗震周期測(cè)試結(jié)果。效果進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方向包括X向和Y向，結(jié)果如表2 所示。

表1 剪力墻結(jié)構(gòu)隔震周期測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表2中兩個(gè)方向的減震系數(shù)均在0.38以下，與非隔震結(jié)構(gòu)相比，本文采用隔震方法設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)各個(gè)樓層剪力更小，明顯低于非隔震結(jié)構(gòu)的樓層剪力。其中，低樓層的剪力改善效果更為顯著，例如1 樓X 向隔震效果的對(duì)比，非隔震結(jié)構(gòu)剪力大約是隔震結(jié)構(gòu)的剪力的4 倍。除了頂樓以外，其他樓層隔震結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果優(yōu)勢(shì)也很明顯。

表2 結(jié)構(gòu)樓層剪力測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表1 中，采用本文設(shè)計(jì)的隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，隔震周期延長(zhǎng)效果較為顯著。其中，前兩階段延伸周期超過了2.5 倍。雖然隨著階數(shù)的增加，隔震周期延伸效果有所下降，但是該數(shù)值穩(wěn)定在2 倍左右，較非隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著明顯的抗震性能優(yōu)勢(shì)。

3.2 結(jié)構(gòu)抗震響應(yīng)測(cè)試分析

本研究以樓層剪力作為測(cè)試指標(biāo)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案應(yīng)用中的抗震響應(yīng)

3.3 罕遇地震環(huán)境下結(jié)構(gòu)層間變形測(cè)試分析

本次測(cè)試還模擬了罕遇地震環(huán)境，在此環(huán)境下除了對(duì)比非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)的位移角以外，還考慮了隔震結(jié)構(gòu)中是否使用阻尼器對(duì)其抗震效果的影響，測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 中，與非隔震結(jié)構(gòu)建筑各個(gè)樓層間的位移角相比，采用隔震結(jié)構(gòu)建設(shè)的建筑位移角更小，其數(shù)值大約是非隔震結(jié)構(gòu)位移角數(shù)值的1/4，隨著樓層的增加位移角發(fā)生小幅度的增加。自第9 層以后，位移角隨著樓層的增加出現(xiàn)小幅度減小變化趨勢(shì)。當(dāng)隔震結(jié)構(gòu)中添加阻尼器時(shí)，位移角變得更小。由此看來(lái)，隔震加阻尼器結(jié)構(gòu)，對(duì)改善高層建筑抗震性能的幫助最大。

表3 罕遇地震環(huán)境下結(jié)構(gòu)層間變形測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4.總結(jié)

高層建筑抗震性能的提升是建筑行業(yè)發(fā)展期間需要解決的重要問題之一，本研究采用剪力墻結(jié)構(gòu)為項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)類型，運(yùn)用隔震方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理布置建筑結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)隔震結(jié)構(gòu)各參數(shù)數(shù)值。模擬測(cè)試結(jié)果表明，本文提出的隔震結(jié)構(gòu)建設(shè)方案各樓層剪力明顯下降，可以有效應(yīng)對(duì)多遇地震。因?yàn)楹庇龅卣鹆叶容^大，所以在隔震結(jié)構(gòu)中添加了粘滯阻尼器，測(cè)試中發(fā)現(xiàn)該裝置的添加改善了建筑結(jié)構(gòu)抗震性能。