某住宅建筑的隔震專項設計與分析研究報告

文／張海濤 四川鼎能房地產(chǎn)開發(fā)有限公司 四川成都 610000

引言：

中國西南地區(qū)某住宅建設項目位于高地震烈度區(qū)，地震設防烈度為9 度，同時有近場影響考慮，水平地震加速度幅值達到0.93g，豎向地震作用幅值也達到0.6045g。在建筑方案基本確定的條件下，為了提高該建筑物的抗震安全性，提升其抗震性能，采用隔震技術的剪力墻結構，隔震層板面標高及以下按抗震設防烈度9 度采取抗震措施，隔震層板面標高以上按抗震設防烈度8 度采取抗震措施。本項目運用隔震技術設計后，減震系數(shù)滿足規(guī)范要求，隔震效果較好，上部結構采用將水平地震作用降低一度進行取值，較傳統(tǒng)抗震技術方案有明顯優(yōu)勢，并且建筑的使用功能得到大幅提升。

1、建筑概況、隔震設計思路及計算模型

1.1 建筑概要

本項目位于中國西南地區(qū)，項目用地面積約86 畝，容積率2.5，總建筑面積207632.33m，其中地上總建筑面積約145070.84m，地下總建筑面積約62554.4 1m。地上共計22 棟建筑單體。本次研究僅選取其中一棟代表性住宅建筑作計算分析，研究對象為地上18 層住宅樓，地下2 層車庫。

據(jù)地質(zhì)資料，項目場地所處地段地質(zhì)構造較復雜，區(qū)域穩(wěn)定性較差。由《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB1830 6-2015）查詢，本場地地震動峰值加速度為0.40g，地震動反應譜特征周期為0.45s（Ⅱ類場地）和0.65s（Ⅲ類場地）；按照抗震設計規(guī)范，本項目場地設計地震分組為第三組，抗震設防烈度為9 度。圖1給出了項目計算三維模型圖，圖2為該建筑標準層的平面圖。

圖1 項目計算模型圖

圖2 項目標準層平面圖

1.2 隔震設計思路

（1）依據(jù)《四川省建設工程抗御地震災害管理辦法》（2013年6月1日開始實施）的規(guī)定，本項目應進行抗震設防專項設計。

（2）根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010（2016年版））及《建筑工程抗震設防分類標準》（GB 50233-2008）等國家現(xiàn)行相關規(guī)范，本項目結構設計所采用的各項參數(shù)見下表1。

表1

（3）抗震設防烈度

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，本場地所處地段地質(zhì)構造較復雜，區(qū)域穩(wěn)定性較差。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），本項目場地位于四川省西昌市，場地地震動峰值加速度為0.40g，地震動反應譜特征周期為 0.45s；依據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010，2016年版），本項目場地設計地震分組為第三組，抗震設防烈度為9 度。

（4）由于本項目位于高烈度區(qū)，設防地震烈度9 度，并需要考慮近場影響系數(shù)，水平地震加速度幅值高達0.93g，豎向地震作用幅值也達到0.6045g，隔震支座將承受較大的拉應力，需要通過保護隔震支座避免過多的拉力損傷而影響水平剪切變形失去隔震性能，同時兼顧經(jīng)濟性要求。

建筑隔震結構包含：上部結構、隔震層，下部結構，為了達到設計的隔震功能，隔震層通常應具備基本特征如下：

1）豎向承載能力足夠大，能夠有效和安全的支撐起上部結構荷載；

2）水平剛度可變，正常工作的水平剛度可以抵御風荷載和輕微振動的荷載；遇中震或強震時，屈服后較小剛度使建筑隔震系統(tǒng)成為柔性系統(tǒng)，有效隔離地面振動，從而減少地震對上部結構影響；

3）具有彈性的水平自恢復力，使建筑隔震系統(tǒng)在地震中能夠即時自動復位；

4）具有足夠大的彈性阻尼作為能量消耗內(nèi)力。

（5）本項目設計在建筑隔震層內(nèi)設計配置帶鉛芯的橡膠支座、天然橡膠支座、提離裝置，使建筑隔震結構達到設計的隔震目標，滿足抗震、抗風性能要求。隔震設計采用多道防線對隔震支座進行保護。對于核心筒下方受拉作用較大的隔震支座設計可提離裝置，通過可提離裝置位移來釋放部分變形拉力，防止隔震支座受到破壞性拉力損壞，同時又能滿足隔震支座的壓剪參數(shù)。

1.3 結構計算模型的建立和模型計算準確性的驗證

本研究運用ETABS 軟件建立建筑的結構數(shù)據(jù)模型，分別按隔震和非隔震結構，進行相關結構分析計算。ETABS 軟件具有靈活和方便的結構模型功能，能夠進行大量的線性與非線性動力分析計算。本項目的建筑結構計算模型依據(jù)YJK（盈建科建筑結構設計軟件）得到。

通過對比YJK 和ETABS 非隔震模型，以計算得到的周期、結構質(zhì)量、層間剪力進行比對，經(jīng)計算，兩款軟件建立的模型，周期、結構質(zhì)量、層間剪力值間差異都較小，用于本研究隔震計算分析的ETABS 模型與結構計算YJK 模型基本一致。

2、隔震層位置、隔震目標及模型的建立

2.1 隔震層位置

本項目隔震層位置設置在地下室頂板和上部結構之間，隔震層無使用功能，僅作為檢修和維護空間，隔震層示意圖如圖3。

圖3 隔震層位置示意圖

2.2 隔震設計目標

本項目采用隔震技術設計后，減震系數(shù)滿足規(guī)范要求，隔震效果體現(xiàn)較好，上部結構采用將水平地震作用降低一度進行取值計算，即將水平地震影響系數(shù)由0.32降低到0.16，而豎向地震以及與豎向地震有關的抗震措施不降低。

2.3 隔震設計系統(tǒng)構成

本項目隔震系統(tǒng)主要由兩部分構成：橡膠隔震支座和可提離裝置。

2.3.1 橡膠隔震支座

（1）無鉛芯橡膠支座，由于橡膠阻尼較小，通常設計只考慮其剛度，力學模型通常采用一個線性剛度來表示支座性能，恢復力模型等效近似為一條直線，如下圖4所示。

圖4 無鉛芯橡膠支座滯回曲線

（2）鉛芯橡膠支座，在普通橡膠支座中心孔注入溶化的鉛，冷卻后形成一體化的鉛芯，利用鉛芯的屈服滯回耗散能量以提高阻尼。鉛芯橡膠支座的恢復力模型可理解為由橡膠及鉛芯組合形成，其中橡膠恢復力模型采用等效線性模型，鉛芯恢復力模型為粘滯阻尼模型，組合后形成雙線性模型，如下圖5所示。

圖5 有鉛芯橡膠支座滯回曲線

2.3.2 可提離裝置

為避免建筑隔震橡膠類支座承受拉力而損壞，設計了防止建筑隔震橡膠類支座承受超限拉力的限位裝置，即可提離扣蓋。由聚四氟乙烯滑板、上部固定板、水平限位板、加勁板、上支墩連接螺栓和預埋套筒等組成。建筑橡膠類隔震支座為常規(guī)類型，變化在于上部蓋板不再與上支墩直接連接，通過頂板和可提離蓋連接，限位板中間銜接。底座與常規(guī)類似，仍然由預埋螺栓與下支墩連接。

圖6 可提離支座工作原理

3、建筑的隔震層設計

3.1 隔震層布置及參數(shù)選擇

本建筑結構的隔震體系包含上支墩結構、隔震層和下部支撐結構，通過在建筑隔震層內(nèi)設置天然橡膠支座、鉛芯橡膠支座、提離裝置等，可以使建筑隔震結構達到設計預期的隔震性能和抗震、抗風性能目標。

通過模型的大量計算和分析，最終確定在原結構地下室頂面設置隔震層，研究對象的隔震層布置為：

2 個直徑1100mm 的帶提離裝置的鉛芯型橡膠支座，產(chǎn)品型號為：LRB1100R-Ⅱ；

21 個直徑1000mm 的鉛芯型橡膠支座，產(chǎn)品型號為：LRB1000-Ⅱ；

12 個直徑1000mm 的帶提離裝置的鉛芯型橡膠支座，產(chǎn)品型號為：LRB1000R-Ⅱ；

1 個直徑1000mm 的帶提離裝置的天然橡膠支座，產(chǎn)品型號為：LNR1000R-Ⅱ；

12 個直徑1000mm 的天然橡膠支座，產(chǎn)品型號為：LNR1000-Ⅱ。

3.2 地震波選擇輸入

執(zhí)行《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010，以下簡稱《抗規(guī)》），采用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程，其中實際強震記錄的數(shù)量不應少于總數(shù)的2/3。

（1）地震波選用依據(jù)：

1）按規(guī)范對于地震波數(shù)量的要求，采用兩條人工波，五條天然波；

2）所選時程滿足基底剪力要求，每條時程計算的結構基底剪力與振型分解反應譜計算結果的比值在65%-135%之間，多條時程計算的結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%；

3）人工波采用與結構場地匹配的地震波，即采用特征周期為0.65S 地震波；天然波根據(jù)剪切波速選取與場地特征周期一致的地震波，本次計算采用的天然波均為Ⅲ類場地波，特征周期與項目場地特征周期保持一致；

4）本研究工程按1（主方向）：0.85（次方向）：0.65（豎向）的比例對加速度峰值進行調(diào)整，分別沿結構三個方向進行輸入。通過調(diào)整豎向地震波的比例系數(shù)使得豎向地震作用滿足《抗規(guī)》12.2.1 對于豎向地震作用的要求；

5）地震波的擬合保證隔震前與隔震后時程地震影響系數(shù)平均值與規(guī)范反應譜地震影響系數(shù)滿足統(tǒng)計意義上的要求，即20%以內(nèi)；

6）在進行大震計算時，考慮到項目建設場地離斷裂帶較近（5KM 以內(nèi)），在進行大震時程分析時，將時程加速度峰值放大1.5 倍，加速度峰值由620cm/s放大到930cm/s；

7）在進行大震時程分析時，場地特征周期增加0.05S，Tg 由0.65S 變成0.70S。

（2）本項目選用了兩條人工模擬加速度時程和五條實際強震記錄，七條時程的曲線、反應譜、規(guī)范反應譜曲線如圖8、圖9所示，基底剪力比對數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 非隔震結構基底剪力

圖7 隔震支座布置平面圖

圖8 七條時程曲線

圖9 規(guī)范反應譜曲線與七條時程反應譜曲線

（3）經(jīng)計算，規(guī)范反應譜與各時程平均反應譜較接近

計算情況見上表3、4：

通過表3和表4對比，在結構前三階振型波的主要周期點上，隔震結構和非隔震結構的規(guī)范地震影響系數(shù)與平均時程地震影響系數(shù)的差值均滿足規(guī)范要求。

表3 規(guī)范反應譜曲線與七條時程反應譜對比表

表4 規(guī)范反應譜曲線與七條時程反應譜對比表

3.3 隔震支座長期面壓分析

隔震支座的面壓可以分為長期面壓、短期面壓，面壓設計值考慮了設防地震下的荷載組合，所用組合為：壓應力設計值=1.0 恒載＋0.5 活載

在重力荷載的代表值加載下的壓應力，以及考慮豎向地震作用下隔震支座的長期面壓，經(jīng)計算隔震支座的長期面壓都未超過規(guī)范對于丙類建筑的15MPa 限值。

3.4 設計設防地震（中型地震）計算分析

（1）在設計設防地震（中型地震）的作用下，《疊層橡膠支座隔震技術規(guī)程》規(guī)定，隔震建筑兩個方向的基本周期，不宜相差超過較小值的30%。滿足相關的規(guī)范要求。

（2）由計算分析可知，隔震層以上的建筑結構采用隔震技術前和后，層間平均剪力比值與結構傾覆平均力矩比值的最大值為0.282,考慮1.5 近場放大系數(shù)，根據(jù)《抗規(guī)》第12.2.5 條，水平地震影響系數(shù)最大值：

αmax1 ＝1.5＊βαmax/ψ=1.5＊0.282＊0.320/0.85=0.159（隔震支座為S-A 類，ψ 取值為0.85）

綜合考慮后，上部結構設計隔震后水平地震影響系數(shù)最大值為0.16。

（3）設防地震下隔震支座受力計算采用的荷載組合：

組合1=1.2（恒載+0.5 活載）+1.3×水平設防地震+0.5×豎向地震（水平地震為主時）

組合2=1.2（恒載+0.5 活載）+0.5×水平設防地震+1.3×豎向地震（豎向地震為主時）

設防地震水平作用產(chǎn)生的最大剪力、最大軸力包絡值表略。

設防地震下隔震層水平位移計算采用的荷載組合：1.0×恒荷載＋0.5×活荷載＋1.0×水平地震；其荷載組合為：1.0D+0.5L+1.0Fek。得到設防地震下各個支座最大水平位移。

由計算可知，設防地震時隔震層最大水平位移298 mm。

3.5 設計罕遇地震（大型地震）計算分析

（1）本研究的豎向地震力取值為0.4 倍重力荷載的代表值,場地特征周期由0.65S 的基礎上加0.05S 為0.70S，人工波相應選擇0.70S 的人工波進行罕遇地震驗算。

（2）罕遇地震作用下隔震支座受力組合為：

隔震支座最大剪力、軸力組合：

組合3=1.2（恒載+0.5 活載）+1.3×水平罕遇地震+0.5×豎向地震（水平地震為主時）

組合4=1.2（恒載+0.5 活載）+0.5×水平罕遇地震+1.3×豎向地震（豎向地震為主時）

表5 隔震前后結構的周期

罕遇地震水平作用產(chǎn)生的最大剪力、最大軸力包絡值計算表（略）。在進行隔震支墩設計及地下室計算時綜合考慮的數(shù)據(jù)表（略）。

（3）罕遇地震下隔震層水平位移荷載組合為：0.5L+1.0D+1.0Fek。

（4）由計算可知，建筑隔震層的最大水平位移約500m，小于0.55D=550m 及3Tr=558mm 中的較小值，可以滿足標準要求。

3.6 隔震支座拉應力計算

罕遇地震的作用下的支座最大拉應力不宜大于1M Pa；其值可按下式計算：

最大拉應力=1.0 恒載－水平地震作用產(chǎn)生的最大軸拉力－0.5×豎向地震作用產(chǎn)生的軸拉力。

本研究分別計算了0°和180°兩個方向的最大拉應力，均滿足要求，具體計算略。

3.7 隔震支座壓應力計算

罕遇地震的作用下的支座最大壓應力不宜大于30MPa。其值可按下式計算：

最大壓應力=1.0 恒載+0.5 活載+罕遇地震水平作用產(chǎn)生的最大軸壓力。

具體計算略。

3.8 隔震層抗風壓承載力計算

（1）根據(jù)《抗規(guī)》，本建筑結構在風荷載作用下的水平推力為1269.3kN，總重力為187090.17kN，風荷載產(chǎn)生的總水平推力遠遠小于結構自重的10%，滿足規(guī)范要求。

（2）《疊層橡膠支座隔震技術規(guī)程》（CECS126:2 001）規(guī)定，抗風裝置應按下式進行驗算：

1.5＊1269.3=1903.95kN＜2＊227+33＊203=7153kN，滿足要求。

3.9 結構抗傾覆驗算

本項目上部建筑結構重力代表值為：187090.17kN，結構X 方向?qū)挾葹?1.7m，Y 方向?qū)挾葹椋?5.6m，上部結構重力代表值產(chǎn)生的X 方向抗傾覆力矩為296537 9.2kN.m，Y 方向抗傾覆力矩為2394754.2kN.m，則抗傾覆安全系數(shù)為：X 方向=2965379.2/1488032=1.99＞1.2；Y 方向=2394754.2/1512666=1.58＞1.2，滿足要求。

3.10 隔震偏心率計算

隔震結構的扭轉(zhuǎn)從兩個方面控制：（1）偏心率，參照國內(nèi)其他要求，偏心率宜控制在3%以內(nèi)；（2）隔震支座最大位移比值，X 向位移比為1.18，Y 向位移比為1.06，兩個基本方向出現(xiàn)的位移比控制在1.2 以內(nèi)。

建筑結構的偏心率指標，在隔震層的設計中是一個重要計算因素。下表6給出結構計算偏心率的基本參數(shù)，其中隔震支座編號為ETABS 自動生成的節(jié)點號，見隔震支座布置圖7。結構偏心率計算結果，結構兩個方向最大偏心率均小于3%，隔震支座布局合理。

表6 結構偏心率計算結果

3.11 結果

本研究項目位于地震高烈度地區(qū)，為了提高該住宅建筑物的抗震安全性、提升抗震性能，對該住宅建筑的隔震體系進行了系統(tǒng)的計算和分析，結果如下：

（1）建筑隔震層和隔震支座設計合理

本研究建筑的隔震支座設計合理，建筑隔震層的初始剛度足夠，可以保障建筑結構穩(wěn)固，隔震支座屈服后相較屈服前，可以提供較小的水平剛度，從而確保建筑結構能夠在較大地震作用下減小地震作用力。隔震層在大震下兩個方向的偏心率均小于3%，隔震支座布置較合理，建筑隔震支座受力良好。

（2）結構減震效果明顯

隔震層以上的建筑結構在9 度基本烈度地震作用下，相比非隔震結構，各樓層地震剪力及彎矩明顯減小，本工程隔震層以上結構的水平地震影響系數(shù)取0.16是合理的，即減按8 度烈度進行設計。

（3）在罕遇地震發(fā)生時建筑隔震結構可以正常工作

模擬了在罕遇地震波作用下的建筑隔震結構響應，反映建筑隔震結構可以達到抗震性能設計目標，隔震層各支座的壓-剪地震響應均未超過其極限性能，隔震支座出現(xiàn)受拉現(xiàn)象較少。在罕遇地震下的隔震層位移符合規(guī)范規(guī)定的限值。

（4）隔震方案技術、經(jīng)濟效益顯著

采用建筑隔震技術以后，結構截面尺寸、抗震剪力墻的數(shù)量以及混凝土內(nèi)鋼筋設計用量較傳統(tǒng)抗震技術有較大幅度降低，建筑的安全保障功能得到很大提升，大幅降低地震對人們工作和生活的影響，無論是從建設初期的費用評價還是從地震對應的使用期間總費用評價，隔震技術方案都具有較明顯的技術經(jīng)濟效益。

結語：

本項目建筑隔震設計已通過專項審查，已開展建設實施。