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，而軌交沿線建筑除面臨地震風(fēng)險以外，還需考慮豎向振動的影響［1］。隔震技術(shù)的發(fā)展為軌交沿線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)場實(shí)測數(shù)據(jù)對西安鼓樓地鐵運(yùn)營條件下的振動特性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)響應(yīng)受車輛運(yùn)行速度、車流密度、振源特性相關(guān)性較大，需結(jié)合鼓樓保護(hù)目標(biāo)對地鐵振動影響進(jìn)行限制；何文福等人［4］針對軌交沿線建筑提出一種振動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，同時可降低地鐵振動10～28 dB；束偉農(nóng)等人［5］對西安高烈度區(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、加速度響應(yīng)減小的結(jié)論；葉鵬飛等人［7］在實(shí)測地鐵周邊建筑豎向振動傳遞規(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地鐵振動加速度隔振可達(dá)85%的效果；李守繼等人［8］基于鋼彈簧對簡化為單質(zhì)點(diǎn)的浮筑樓板動力影響參數(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］對層間隔震可簡化為雙質(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、周期比敏感性對簡化模型振型進(jìn)行了參數(shù)相關(guān)性分析，研究指出簡化為雙質(zhì)點(diǎn)后每個質(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)，但過低隔振頻率會誘發(fā)低頻振動響應(yīng)。研究結(jié)合某地鐵沿線大底盤上蓋項(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)地震動時程分析。結(jié)果顯示，層間隔震后塔樓周期延長、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。層間隔震體系簡化為兩質(zhì)點(diǎn)后，地震作用下動力方程為：

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)，可簡化為單質(zhì)點(diǎn)模型，其動力方程為：

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

某地鐵沿線商業(yè)辦公樓共6 層，一、二層為商場，層高4.5 m，3～6 層為辦公區(qū)域，層高均為3.6 m。建筑所在場地為Ⅲ類、設(shè)計(jì)地震分組為第Ⅱ組，場地特征周期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，底層梁有900 mm×600 mm、700 mm×600 mm、700 mm×300 mm三類，底層板有150 mm、120 mm兩類。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）三條地震動進(jìn)行地震動時程分析，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)譜對比如圖3 所示，設(shè)防烈度下基底剪力對比如表1 所示，經(jīng)驗(yàn)證地震動時程滿足文獻(xiàn)［11］要求。

表1 基底剪力值對比Tab.1 The Comparison of Base Shear Values

圖3 地震反應(yīng)譜對比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。

4 抗震性能分析

為評價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)行地震動時程分析，結(jié)合模態(tài)、加速度、層剪力、層位移、頂層譜指標(biāo)進(jìn)行減震性能評價。

4.1 模態(tài)分析

兩類結(jié)構(gòu)自振周期對比如表3 所示，可見層間隔震后塔樓周期為2.06 s，延長至原結(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)頂部能夠避開場地特征周期，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，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。設(shè)防烈度0.2g地震作用下頂層加速度反應(yīng)譜對比如圖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，表明層間隔震對上部結(jié)構(gòu)的減震效果顯著。但在長周期區(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Ρ菷ig.7 Comparison of Peak Displacement of X-direction Layer

圖8 頂層加速度反應(yīng)譜對比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。三條地震時程作用下樓板加速度反應(yīng)譜對比如圖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對比如圖11 所示。地震作用下LRB 支座滯回環(huán)飽滿，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足設(shè)計(jì)要求。

圖11 LRB支座滯回曲線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)合某地鐵沿線大底盤上蓋項(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)地震動時程分析，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3.8 倍，能夠有效避開場地特征周期，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，卓越周期向長周期段移動，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飽滿穩(wěn)定，最大壓應(yīng)力9.846 MPa，最大拉應(yīng)力為0.56 MPa，均滿足文獻(xiàn)［11］要求。