帶浮筑樓板層間隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震性能分析

雷傳章

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510010）

0 引言

隨著城市交通體系的開(kāi)發(fā)與拓展，高烈度區(qū)域地鐵、高架交通系統(tǒng)日趨完善，而軌交沿線(xiàn)建筑除面臨地震風(fēng)險(xiǎn)以外，還需考慮豎向振動(dòng)的影響［1］。隔震技術(shù)的發(fā)展為軌交沿線(xiàn)房屋受震影響緩解提供了潛在解決方案。層間隔震技術(shù)將隔震裝置設(shè)置在裙樓與塔樓之間，能夠降低上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)［2］。張少雄等人［3］基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)西安鼓樓地鐵運(yùn)營(yíng)條件下的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)響應(yīng)受車(chē)輛運(yùn)行速度、車(chē)流密度、振源特性相關(guān)性較大，需結(jié)合鼓樓保護(hù)目標(biāo)對(duì)地鐵振動(dòng)影響進(jìn)行限制；何文福等人［4］針對(duì)軌交沿線(xiàn)建筑提出一種振動(dòng)與地震雙重控制的三向隔震支座并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)工程實(shí)例計(jì)算分析表明該支座抗震有效，同時(shí)可降低地鐵振動(dòng)10～28 dB；束偉農(nóng)等人［5］對(duì)西安高烈度區(qū)某地鐵上蓋結(jié)構(gòu)塔樓進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)和構(gòu)件優(yōu)化，基于彈塑性分析結(jié)果得出層間隔震技術(shù)結(jié)合構(gòu)件性能化設(shè)計(jì)措施可有效保證高烈度區(qū)地鐵上蓋結(jié)構(gòu)的抗震性能；徐飛鴻等人［6］基于MIDAS 軟件對(duì)某15 層鋼框架結(jié)果進(jìn)行層間隔震性能分析，得出隔震后上部結(jié)構(gòu)周期延長(zhǎng)、加速度響應(yīng)減小的結(jié)論；葉鵬飛等人［7］在實(shí)測(cè)地鐵周邊建筑豎向振動(dòng)傳遞規(guī)律的前提下，提出一種基于鋼彈簧減振器的浮筑樓板設(shè)計(jì)方案并應(yīng)用于實(shí)際工程中，得到鋼彈簧浮筑樓板對(duì)地鐵振動(dòng)加速度隔振可達(dá)85%的效果；李守繼等人［8］基于鋼彈簧對(duì)簡(jiǎn)化為單質(zhì)點(diǎn)的浮筑樓板動(dòng)力影響參數(shù)進(jìn)行分析，并結(jié)合某地鐵上方建筑進(jìn)行房中房設(shè)計(jì)，并對(duì)鋼彈簧支撐浮筑板有效區(qū)間進(jìn)行了討論。曹加良等人［9］對(duì)層間隔震可簡(jiǎn)化為雙質(zhì)點(diǎn)模型的適用范圍進(jìn)行了討論，并結(jié)合模型質(zhì)量比、周期比敏感性對(duì)簡(jiǎn)化模型振型進(jìn)行了參數(shù)相關(guān)性分析，研究指出簡(jiǎn)化為雙質(zhì)點(diǎn)后每個(gè)質(zhì)點(diǎn)所有振型參與向量和必須為一是判斷雙質(zhì)點(diǎn)模型是否合理的前置條件。張暉等人［10］在上海地鐵上方制作兩層磚混結(jié)構(gòu)實(shí)體模型，并采用不同類(lèi)型橡膠支座進(jìn)行隔振處理，研究表明適當(dāng)隔振頻率下可以將軌振控制在合理范圍內(nèi)，但過(guò)低隔振頻率會(huì)誘發(fā)低頻振動(dòng)響應(yīng)。研究結(jié)合某地鐵沿線(xiàn)大底盤(pán)上蓋項(xiàng)目需求，為提升高烈度區(qū)上蓋塔樓的抗震性能，提出層間隔震與局部浮筑樓板設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行多水準(zhǔn)地震動(dòng)時(shí)程分析。結(jié)果顯示，層間隔震后塔樓周期延長(zhǎng)、層間剪力、層加速度峰值顯著降低，浮筑板豎向加速度較原樓板降低1∕3，層間隔震與浮筑板設(shè)計(jì)方案有效提升原結(jié)構(gòu)抗震性能。

1 計(jì)算模型與動(dòng)力方程

層間隔震分析模型示意圖如圖1?所示，上部塔樓剛度遠(yuǎn)大于隔震層可視為剛體，下部裙樓和上部塔樓可簡(jiǎn)化為兩質(zhì)點(diǎn)體系。上部結(jié)構(gòu)與隔震層總質(zhì)量、隔震層剛度分別為mt、kt，隔震層等效阻尼為ct，下部結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度分別為md、kd，阻尼為cd。層間隔震體系簡(jiǎn)化為兩質(zhì)點(diǎn)后，地震作用下動(dòng)力方程為：

圖1 單質(zhì)點(diǎn)計(jì)算模型Fig.1 Single Mass Point Calculation Model

式中，u?t、u?b、u?t、u?b、ut、ub分別為各質(zhì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加速度、速度、位移；u?g為地面加速度。局部房間采用浮筑板設(shè)計(jì)，可簡(jiǎn)化為單質(zhì)點(diǎn)模型，其動(dòng)力方程為：

式中，mb、kb分別為浮筑樓板質(zhì)量、剛度；cb為阻尼；v?b、v?b、vb分別為浮筑板對(duì)應(yīng)的加速度、速度、位移；v?f為房間所在樓層的豎向加速度。

2 工程概況

某地鐵沿線(xiàn)商業(yè)辦公樓共6 層，一、二層為商場(chǎng)，層高4.5 m，3～6 層為辦公區(qū)域，層高均為3.6 m。建筑所在場(chǎng)地為Ⅲ類(lèi)、設(shè)計(jì)地震分組為第Ⅱ組，場(chǎng)地特征周期0.55 s，設(shè)防烈度為8度（設(shè)防地震加速度為0.2g），裙樓柱有900 mm×900 mm、700 mm×900 mm 兩類(lèi)，底層梁有900 mm×600 mm、700 mm×600 mm、700 mm×300 mm三類(lèi)，底層板有150 mm、120 mm兩類(lèi)。上部辦公區(qū)域結(jié)構(gòu)柱700 mm×700 mm，梁700 mm×400 mm，板120 mm。下部商場(chǎng)恒載4.5 kN∕m2，活載3.5 kN∕m2，上部辦公區(qū)域恒載及活載均為3.5 kN∕m2，隔震層設(shè)置在二層頂部，隔震層高1.6 m，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 有限元分析模型Fig.2 Finite Element Analysis Model

按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）：GB 50011—2010》［11］要求，選用Bigbear（BIG）、kobe（KOB）、人 工 波（REN）三條地震動(dòng)進(jìn)行地震動(dòng)時(shí)程分析，水平與豎向輸入峰值比例為1∶1∶0.8，0.2g設(shè)防烈度下加速度反應(yīng)譜對(duì)比如圖3 所示，設(shè)防烈度下基底剪力對(duì)比如表1 所示，經(jīng)驗(yàn)證地震動(dòng)時(shí)程滿(mǎn)足文獻(xiàn)［11］要求。

表1 基底剪力值對(duì)比Tab.1 The Comparison of Base Shear Values

圖3 地震反應(yīng)譜對(duì)比Fig.3 Comparison of Seismic Response Spectra

3 隔震方案設(shè)計(jì)

層間隔震支座布設(shè)在外加隔震層內(nèi)，隔震層同步作設(shè)備層功能。鉛芯橡膠支座（LRB）布置在角柱、邊柱下以提高抗扭和耗能能力，橡膠支座（NRB）布置在內(nèi)柱底以充分變形和提供恢復(fù)力。支座布設(shè)方案如圖4所示，支座類(lèi)型與支座力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 水平隔震支座力學(xué)參數(shù)Tab.2 Mechanical Parameters of Horizontal Isolation Bearing

圖4 水平隔震支座布置Fig.4 Layout of Horizontal Isolation Bearing

頂層局部房間由于擺放有豎向加速度敏感設(shè)備，故需要局部做浮筑樓板處理，采用鋼彈簧作為隔振裝置，浮筑樓板設(shè)計(jì)目標(biāo)為豎向0.5 Hz，鋼彈簧均勻布設(shè)于樓板下部，其力學(xué)參數(shù)如下：有效直徑為800 mm，彈簧總高度為600 mm，豎向剛度為5 450 N∕m，共36個(gè)。

4 抗震性能分析

為評(píng)價(jià)層間隔震與浮筑板隔震效果，建立傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)（TRA）與隔震結(jié)構(gòu)（ISO）模型并進(jìn)行地震動(dòng)時(shí)程分析，結(jié)合模態(tài)、加速度、層剪力、層位移、頂層譜指標(biāo)進(jìn)行減震性能評(píng)價(jià)。

4.1 模態(tài)分析

兩類(lèi)結(jié)構(gòu)自振周期對(duì)比如表3 所示，可見(jiàn)層間隔震后塔樓周期為2.06 s，延長(zhǎng)至原結(jié)構(gòu)的3.8 倍，表現(xiàn)為低階主導(dǎo)振型，表明ISO 結(jié)構(gòu)頂部能夠避開(kāi)場(chǎng)地特征周期，減小地震輸入。

表3 模態(tài)信息Tab.3 Modal Information

4.2 水平抗震效果分析

三條地震波在0.2g、0.4g地震作用下的X向?qū)蛹袅Πj(luò)圖如圖5 所示，結(jié)果顯示0.2g、0.4g加速度輸入下隔震后上部塔樓剪力均小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)0.2g輸入下剪力。三條地震波作用下的X向?qū)蛹铀俣确逯蛋j(luò)圖如圖6 所示，結(jié)果顯示層間隔震塔樓在0.4g輸入下的頂部加速度值包絡(luò)在未隔震結(jié)構(gòu)0.2g加速度峰值內(nèi)，0.2g地震輸入下隔震結(jié)構(gòu)頂層峰值僅為未隔震結(jié)構(gòu)的1∕2，均表明隔震技術(shù)有效。

圖5 X向?qū)蛹袅Ψ逯礔ig.5 Shear Peak Value of X-direction Floor

圖6 X向?qū)蛹铀俣确逯礔ig.6 Peak Acceleration of X-direction Layer

三條地震波作用下X向樓層位移峰值曲線(xiàn)隨高度變化示意圖如圖7 所示，結(jié)果顯示未隔震結(jié)構(gòu)層位移峰值隨高度增加呈放大趨勢(shì)，而層間隔震結(jié)構(gòu)水平變形則集中在隔震層內(nèi)，上部結(jié)構(gòu)接近平動(dòng)。設(shè)防烈度0.2g地震作用下頂層加速度反應(yīng)譜對(duì)比如圖8所示。結(jié)果顯示低周區(qū)域內(nèi)層間隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度反應(yīng)譜峰值明顯降低，且峰值周期由低周段向高周段移動(dòng)，表明層間隔震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的減震效果顯著。但在長(zhǎng)周期區(qū)域內(nèi)層間隔震結(jié)構(gòu)譜值明顯高于未隔震結(jié)構(gòu)，表明此區(qū)域內(nèi)加速度響應(yīng)有放大現(xiàn)象。

圖7 X向?qū)游灰品逯祵?duì)比Fig.7 Comparison of Peak Displacement of X-direction Layer

圖8 頂層加速度反應(yīng)譜對(duì)比Fig.8 Comparison of Acceleration Response Spectrum of Top Floor

4.3 浮筑板減震效果分析

0.16g豎向加速度輸入下，頂層局部房間進(jìn)行浮筑樓板（ZISO）設(shè)計(jì)后豎向加速度峰值對(duì)比如圖9所示，結(jié)果顯示設(shè)置浮筑板后，樓板加速度峰值僅為原結(jié)構(gòu)的1∕3。三條地震時(shí)程作用下樓板加速度反應(yīng)譜對(duì)比如圖10所示，結(jié)果顯示浮筑樓板能夠降低樓板豎向反應(yīng)譜峰值平均達(dá)40%。

圖9 頂層樓板豎向加速度峰值對(duì)比Fig.9 Comparison of Peak Vertical Acceleration of Top Floor Slab

圖10 頂層樓板豎向加速度反應(yīng)譜對(duì)比Fig.10 Comparison of Vertical Acceleration Response Spectrum of Top Floor Slab

0.2g、0.4g地震波作用下各鉛芯橡膠支座滯回曲線(xiàn)對(duì)比如圖11 所示。地震作用下LRB 支座滯回環(huán)飽滿(mǎn)，形狀保持穩(wěn)定，表明耗能能力穩(wěn)定，可以有效降低經(jīng)隔震層輸入到上部的能量。0.4g地震下各支座極大、極小面壓分布如圖12所示，結(jié)果顯示極大壓應(yīng)力為9.846 MPa，小于文獻(xiàn)［11］規(guī)定的12 MPa，最大拉應(yīng)力為0.56 MPa，小于文獻(xiàn)［11］規(guī)定的1 MPa，表明罕遇地震下隔震支座性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖11 LRB支座滯回曲線(xiàn)Fig.11 Hysteresis Curve of LRB Support

圖12 各支座極大極小面壓分布Fig.12 Distribution of Maximum and Minimum Surface Pressure of Each Support

5 結(jié)論

研究結(jié)合某地鐵沿線(xiàn)大底盤(pán)上蓋項(xiàng)目，提出層間隔震與局部浮筑樓板設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行多水準(zhǔn)地震動(dòng)時(shí)程分析，得到如下結(jié)論：

結(jié)果顯示，層間隔震后塔樓周期延長(zhǎng)3.8 倍、層間剪力、層加速度峰值顯著降低，浮筑板豎向加速度較原樓板降低1∕3，層間隔震與浮筑板設(shè)計(jì)方案有效提升原結(jié)構(gòu)抗震性能。

⑴層間隔震后塔樓周期延長(zhǎng)3.8 倍，能夠有效避開(kāi)場(chǎng)地特征周期，減小地震響應(yīng)；

⑵設(shè)防地震下，塔樓位移集中在隔震層內(nèi)，塔樓層加速度峰值較未隔震降低1∕2，設(shè)置浮筑板后頂層房間豎向加速度峰值降低為未隔震的1∕3，有明顯減震效果；

⑶頂層水平加速度反應(yīng)譜分析顯示隔震后水平向譜峰值降低，卓越周期向長(zhǎng)周期段移動(dòng)，豎向地震作用下頂層豎向譜峰值同樣顯著降低。罕遇地震下隔震支座滯回曲線(xiàn)飽滿(mǎn)穩(wěn)定，最大壓應(yīng)力9.846 MPa，最大拉應(yīng)力為0.56 MPa，均滿(mǎn)足文獻(xiàn)［11］要求。