高烈度地區(qū)大底盤多塔層間隔震高層建筑結構方案選型與設計

吳 莉

深圳市筑道建筑工程設計有限公司前海分公司，廣東 深圳 518000

大底盤多塔隔震結構是體型及功能多樣的高層隔震建筑中的典型代表，但目前大底盤多塔隔震結構方案會受到諸多限制，如底部商業(yè)及上部住宅功能要求結構協(xié)調一致、底部隔震結構造價較高等。因此，為了實現(xiàn)建筑品質與抗震性能的協(xié)調統(tǒng)一，需要對大底盤結構隔震層的設置位置進行深入分析。

1 工程概況

某高層建筑工程主要構成部分為公寓、商業(yè)及地下室，總建筑面積為104858m2。地上部分樓層數(shù)為28層，第1～3層為商業(yè)配套群房，第4～28層為2棟公寓塔樓，地下部分為2層地下車庫。2棟塔樓屋面高度均為93.8m，裙房高度為15.4m；裙房平面呈矩形，尺寸約為103.2m×82.3m；塔樓B平面呈L形，長肢標高為81.6m，為1次退臺收進，A平面呈T形，長肢標高分別為29.75m和75.1m，為2次退臺收進。塔樓B平面和A平面相對布置在裙房平面的東西兩側。該工程所在地抗震設防烈度為8度，該高層建筑是典型的高烈度區(qū)大底盤多塔結構，其建筑平面圖如圖1所示。

圖1 某大底盤多塔高層建筑平面總圖（單位：m）

2 結構方案選型

2.1 傳統(tǒng)抗震方案

針對結構抗扭不規(guī)則使得建筑結構抗震性能受到影響的問題，在傳統(tǒng)的抗震方案中，主要是將結構分成5個規(guī)則的單體，并在相應平面上設置5道防震縫，以此避免在高烈度地震作用下整體結構層間位移或扭轉位移較大的問題。這一結構方案雖然具有可行性，但是存在局限性，主要體現(xiàn)在需要設置5道防震縫，數(shù)量較多；需要設置較多的剪力墻數(shù)量，框架柱截面積也較大，使得室內(nèi)布置受到影響[1]。

2.2 首層底基礎隔震方案

首層底基礎隔震方案主要是將隔震層設置在地下室頂板位置，以此對地面以上的裙房及塔樓整體進行隔震，如圖2所示。這一結構方案的優(yōu)勢在于可大幅度降低裙房及塔樓的地震反應，其隔震原理較清晰，在細節(jié)處理時較為方便，且有利于進行結構布置的改進，從而提高建筑使用的品質。但其局限性主要表現(xiàn)在需要在整個大底盤中每個轉換柱下設置隔震支座，且需要設置148個隔震支座，數(shù)量較多，導致其性價比較低。

圖2 首層底基礎隔震示意圖

2.3 層間隔震方案

層間隔震與首層基礎底板隔震的原理及優(yōu)勢基本相同，都可大幅減小塔樓及裙房整體的地震反應，不同的是層間隔震在布置隔震支座時，是在裙房屋面與上部樓塔之間布置，且只需要設置102個隔震支座，因此其經(jīng)濟性相對較好。

3 層間隔震結構方案設計

3.1 錯位層間隔震布置

錯位層間隔震布置的目的主要是避免豎向電梯井軌道阻礙隔震層水平變形，在具體的布置中，需要將隔震支座設置在不同的標高處，將塔樓核心筒范圍外的這部分隔震支座設置在裙房頂，使塔樓核心筒剪力墻直落在地下水基礎上，同時將一部分隔震支座設置在核心筒底部，從而形成錯位層間的隔震結構體系。

3.2 組合隔震布置

組合隔震是基于該項目結構高度較高使得隔震前結構周期長這一問題的考慮進行的設計，目的是延長結構周期，增強隔震效果。在設計隔震支座時，通過比選多種類型隔震支座，決定采用彈性滑板支座，由橡膠支座部、聚四氟乙烯板（移滑材料）、不銹鋼板（滑移面板）及連接上下的鋼板構成，其中聚四氟乙烯與不銹鋼板組成一對摩擦副，可供良好的摩擦耗能。相較于隔震橡膠支座，彈性滑板支座在豎向承載力、水平剛度、滑動位移、耗能能力等方面均有優(yōu)勢[2]。

3.3 加設抗拉裝置

在采取錯位層間隔震結構布置后，因為裙房頂隔震層與核心筒底隔震層豎直方向會有錯層高差，使得隔震層水平移動時，這兩個隔震層的核心筒會因為剛體轉動而導致底部橡膠支座出現(xiàn)拉應力，所以需要在核心筒底部加設平面360°滑動抗拉裝置，將其作為第二道防震保護線。

3.4 隔震支座附加彎矩

考慮到隔震支座具有大變形作用，其自身彎矩及上部結構重力荷載所形成的偏心彎矩，從而導致隔震支座附加彎矩，因此在具體的設計過程中也需要充分考慮隔震支座產(chǎn)生的附加彎矩對豎向構件的影響，需要工程設計師借助分析模型將隔震支座在較大地震作用下產(chǎn)生的最大支座反力輸入至模型中，以此對隔震支座連接件、隔震支墩及隔震層以下的相關構件的承載力進行驗算，確保在較大地震作用下相關構件的承載力滿足規(guī)范要求[3]。

4 層間隔震結構方案的減震性能分析

4.1 減震系數(shù)

隔震前后結構周期對比情況如表1所示。分析表1可知，隔震后結構周期明顯延長，可大幅減輕結構的地震反應。

表1 隔震前后結構周期對比情況 單位：s

該項目依據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（附條文說明）（2016年版）（GB 50011—2010）的要求，在評價隔震建筑效果時，將全部樓層剪力比和樓層傾覆力矩比的最大值作為評價指標，從而獲得減震系數(shù)。在具體的評價中，得知塔樓A水平減震系數(shù)最大值為0.412，塔樓B水平減震系數(shù)最大值為0.446，裙房水平減震系數(shù)最大值為0.561，在采用層間隔震技術后，可明顯減輕結構的地震反應，具有良好的隔震效果。

4.2 層間位移角

通過結構分析模式進行地震作用下的結構變形驗算，得知塔樓最大層間位移角為1/685，塔樓頂層側向位移是226mm，隔震層變形是149mm，可見隔震后結構變形主要發(fā)生在隔震層，隔震層以上的結構變形較小。隔震層以下的裙房最大層間位移角是1/1122，裙房頂層側向位移是9.3mm，表明裙房剛度相對較高，隔震效果良好。

4.3 隔震支座承載力及變形

對地震作用下隔震支座承載力及變形情況進行分析，取2組人工波和5組天然波平均值，得知在三向地震作用下隔震支座最大壓應力為25.1MPa，滿足《建筑抗震設計規(guī)范》中隔震支座豎向壓應力不應大于30MPa的要求。同時，在三向地震作用下，橡膠支座最大拉應力為0.7MPa，表明彈性滑板支座始終處于受壓狀態(tài)。出現(xiàn)拉應力的橡膠支座共27個，而同時出現(xiàn)拉壓力最大支座數(shù)量為15個，是總支座數(shù)量的14.7%，符合規(guī)范要求。

4.4 地震作用下受力性能

該項目采用高性能非線性分析軟件SAUSAGE對隔震后結構受力性能進行分析。經(jīng)計算，塔樓最大層間位移角為1/142，限值為1/100，裙房最大層間位移角為1/221，限值為1/200，均滿足規(guī)范中層間位移角限值要求，表明塔樓及裙房有足夠的剛度。

5 結束語

文章對高烈度地區(qū)大底盤多塔結構的隔震方案進行了比選，因為層間隔震技術減震效果良好，且經(jīng)濟性較高，所以在高烈度地區(qū)大底盤多塔結構設計中決定采用層間隔震技術。