海南省圖書館隔震設(shè)計研究與分析

陳長嘉

(同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

1 工程概況

海南省圖書館(圖1)建設(shè)用地呈三角形,北臨?？谑袊d大道,東側(cè)為文壇路,西側(cè)為興丹路,南側(cè)為文興路,交通便利。用地范圍內(nèi)臨建網(wǎng)球場和賽事中心位于館舍區(qū)南側(cè)。本項目為現(xiàn)址擴建項目,在現(xiàn)主館東、西兩側(cè)分別新建一個建筑單體,即東樓和西樓。東、西樓均為地上6層(首層層高5.1m,2～6層層高均4.8m),地下1層(層高5.6m),建筑高度31.8m。其中,東樓地上建筑面積8700m2,地下建筑面積4650m2;西樓地上建筑面積13600m2,地下建筑面積6350m2。

圖1 建筑效果圖

項目所在地抗震設(shè)防烈度為8度(0.3g),設(shè)防地震分組為第二組,東樓所在建筑場地類別為Ⅲ類(Tg=0.55s),西樓所在建筑場地類別為Ⅱ類(Tg=0.40s)[1]。東樓(圖2)由于主要建筑功能包括少兒劇場、創(chuàng)意少兒閱覽區(qū)、兒童教室等,抗震設(shè)防類別為乙類[2];西樓建筑功能主要為密集書庫、圖書采編用房、數(shù)據(jù)機房等,抗震設(shè)防類別為丙類。由于東、西樓的結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置基本一致,本文以東樓為例,介紹隔震分析及相關(guān)設(shè)計過程。

圖2 東樓典型樓層建筑平面布置圖

2 結(jié)構(gòu)方案選型與布置

2.1 結(jié)構(gòu)方案選型

項目位于地震高烈度區(qū),同時屬于重點設(shè)防類建筑,抗震性能要求高。為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟,同時最大程度地滿足建筑空間布置要求,結(jié)構(gòu)方案初期,對以下結(jié)構(gòu)方案(圖3)進(jìn)行比選:框架-剪力墻方案(方案1)、框架-隔震方案(方案2)、純減震框架方案(方案3)。

圖3 結(jié)構(gòu)比選方案模型

各結(jié)構(gòu)方案初步比選結(jié)果見表1。由表1可以看到,框架-隔震方案構(gòu)件截面尺寸小,構(gòu)件布置數(shù)量少,同時土建材料造價相對較低,具有明顯優(yōu)勢,因此采用框架-隔震方案進(jìn)行設(shè)計。

表1 結(jié)構(gòu)方案初步比選結(jié)果

2.2 隔震層位置選擇

對于常規(guī)帶地下室結(jié)構(gòu),隔震層的布置有基礎(chǔ)隔震和地下室柱頂隔震兩種方式[3](圖4)。本項目存在1層地下室,有必要對隔震層的設(shè)置位置進(jìn)行探討,綜合建筑空間、結(jié)構(gòu)布置、設(shè)備管道構(gòu)造、土建造價等多方面因素,獲得較優(yōu)的選擇。表2對基礎(chǔ)隔震和地下室柱頂隔震兩種方案進(jìn)行了綜合對比,可以看到,地下室柱頂隔震在本項目具有建筑空間有效利用性、結(jié)構(gòu)布置及受力合理性、土建造價經(jīng)濟性的較明顯優(yōu)勢[4-5],因此采用該方案進(jìn)行隔震設(shè)計。

表2 隔震層位置比選過程

3 隔震設(shè)計研究

3.1 隔震目標(biāo)及其實現(xiàn)方式

本項目隔震預(yù)期目標(biāo)為隔震層上部結(jié)構(gòu)水平地震作用降一度設(shè)計。根據(jù)文獻(xiàn)[6]簡化單自由度體系計算方法,對隔震層等效剛度進(jìn)行初步預(yù)估,依此進(jìn)行隔震層剛度的初步配置,目標(biāo)減震系數(shù)β取0.38,上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量ms取17487t,上部結(jié)構(gòu)周期Ts取1.21s,上部結(jié)構(gòu)剛度Ks取471 546kN/m,上部結(jié)構(gòu)阻尼比ξs取5%,隔震層質(zhì)量miso取3122t,隔震結(jié)構(gòu)總阻尼比ξiso(暫估)取22%,場地特征周期Tg取0.49s。

根據(jù)式(1)進(jìn)行隔震層預(yù)估等效剛度Kiso的計算:

Kiso=(ms+miso)·4π2·Tg-2·

(1)

式中:γs、γiso分別為上部結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)譜曲線下降段的衰減指數(shù);ηs、ηiso分別為上部結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的阻尼調(diào)整系數(shù)。

根據(jù)式(1)計算結(jié)果,可得到隔震層預(yù)估等效剛度為92 103kN/m。

3.2 隔震層的布置及參數(shù)

根據(jù)上述隔震層等效剛度初步估算結(jié)果,并結(jié)合隔震支座的長期面壓限值、偏心率控制需求,配置隔震層支座的型號和尺寸,共配置鉛芯橡膠支座(LRB)17個,天然橡膠支座(LNR)19個,隔震層總等效剛度91 882kN/m,具體布置見圖5。此外,為了減小罕遇地震下隔震層的側(cè)向變形[7],同時增大隔震層的整體耗能,隔震層沿周邊設(shè)置水平布置的黏滯阻尼器(VFD)共16個,阻尼系數(shù)為900 kN·(m/s)-0.3,阻尼指數(shù)為0.3。

3.3 地震波選擇

東樓地震波從Ⅲ類場地地震波庫中選取,選用了5組天然波和2組人工波(共7組波),調(diào)幅前地震波加速度時程曲線見圖6。對7組波進(jìn)行頻譜分析,加速度反應(yīng)譜計算結(jié)果與規(guī)范反應(yīng)譜對比見圖7、表3,可以看到,在非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)主要振型周期點上,所選7組波反應(yīng)譜平均值與規(guī)范反應(yīng)譜相差均不大于20%,滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[1](簡稱抗規(guī))的統(tǒng)計意義相符要求。

表3 地震波反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比

圖6 地震波加速度時程曲線

圖7 地震波時程曲線與頻譜分析

4 隔震分析結(jié)果

4.1 結(jié)構(gòu)動力特性分析

非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)周期對比見表4。由表4可以看出,隔震結(jié)構(gòu)周期較非隔震結(jié)構(gòu)延長至2.5倍以上,有利于結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離場地特征周期,減小地震作用[8]。

表4 結(jié)構(gòu)周期對比

4.2 支座面壓驗算結(jié)果

隔震支座在重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值下的長期面壓、罕遇地震作用組合下的短期極大面壓、短期極小面壓驗算結(jié)果見圖8～10,其中,短期極大面壓的軸力計算組合取以下組合包絡(luò)值:1.0×恒載+0.5×普通活載+0.8×?xí)鴰旎钶d+1.0×罕遇水平地震作用+0.5×豎向地震作用(組合1),1.0×恒載+0.5×普通活載+0.8×?xí)鴰旎钶d+0.5×罕遇水平地震作用+1.0×豎向地震作用(組合2);短期極小面壓的軸力計算組合取以下組合包絡(luò)值:0.9×恒載+1.0×罕遇水平地震作用-0.5×豎向地震作用(組合3),0.9×恒載+0.5×罕遇水平地震作用-1.0×豎向地震作用(組合4)。由圖8～10可以看出,所有支座面壓均滿足抗規(guī)相應(yīng)工況下的限值要求[9]。

圖8 重力荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下支座長期面壓分布

圖9 罕遇地震不屈服組合下支座短期極大面壓分布

圖10 罕遇地震不屈服組合下支座短期極小面壓分布

4.3 水平減震系數(shù)計算

隔震結(jié)構(gòu)的減震效果采用水平減震系數(shù)衡量,本項目屬于高層建筑,根據(jù)抗規(guī)12.5.5條要求,減震系數(shù)采用層剪力和層傾覆力矩同時計算并取大值。各樓層水平減震系數(shù)計算結(jié)果見圖11。由圖11可以看出,所有樓層水平減震系數(shù)均小于限值0.38,滿足降一度設(shè)計要求。

圖11 水平減震系數(shù)分布

4.4 結(jié)構(gòu)能量耗散分布分析

統(tǒng)計結(jié)構(gòu)在多遇、設(shè)防、罕遇地震下的能量耗散分布情況,見圖12～14。由圖12～14可以看到:1)隔震結(jié)構(gòu)的變形主要集中在隔震層,通過在隔震層設(shè)置水平向放置的黏滯阻尼器,可有效發(fā)揮阻尼器的黏滯滯回耗能效用,減小地震作用;黏滯阻尼器的耗能在隔震結(jié)構(gòu)總耗能中占主要成分;2)隔震支座的耗能主要依靠鉛芯橡膠支座的屈服滯回耗能,受屈服程度影響及與整體輸入地震能量大小的影響,隔震支座在小震、中震、大震下耗能比例呈現(xiàn)先增加后減少趨勢;隔震支座對地震作用的減小作用主要依靠剛度的降低。

圖12 多遇地震結(jié)構(gòu)能量耗散分布

圖13 設(shè)防地震結(jié)構(gòu)能量耗散分布

圖14 罕遇地震結(jié)構(gòu)能量耗散分布

4.5 罕遇地震構(gòu)件損傷分析

罕遇地震下結(jié)構(gòu)彈塑性響應(yīng)采用Perform-3D進(jìn)行分析,可以看到,采用隔震技術(shù)后,結(jié)構(gòu)地震作用大幅減小,結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本處于不屈服狀態(tài),結(jié)構(gòu)抗震安全性大幅提升(圖15～17)。

圖15 隔震結(jié)構(gòu)框架柱損傷狀態(tài)分布

圖16 隔震結(jié)構(gòu)框架梁損傷狀態(tài)分布

圖17 大跨轉(zhuǎn)換區(qū)域框架柱損傷狀態(tài)分布

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵問題

5.1 地下室柱頂隔震受力特性研究

對于地下室柱頂隔震體系,隔震層設(shè)置在地下結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間,為滿足嵌固剛度比和承載力需求,地下結(jié)構(gòu)一般剛度較大,可為隔震層提供足夠的嵌固約束,因此對于上部結(jié)構(gòu)而言,受力狀態(tài)類似于基礎(chǔ)隔震,在地震作用下主要是水平方向平動,當(dāng)下部結(jié)構(gòu)剛度無窮大,且不要求控制其地震反應(yīng)時,地下室柱頂隔震體系轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)隔震體系[9]。對于地下結(jié)構(gòu),上部的作用類似于調(diào)諧質(zhì)量塊,減震機理則類似于TMD調(diào)諧減震,地震作用與隔震層的位置、剛度、上部結(jié)構(gòu)的重量以及下部結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān),可能出現(xiàn)下部結(jié)構(gòu)地震作用放大的情況[10-11]。

為研究地下室柱頂隔震結(jié)構(gòu)受力特點,統(tǒng)計隔震層上、下各層X向樓層剪力及水平向減震系數(shù),見圖18、圖19。由圖18、19可以看到,對于本項目,隔震層下部樓層地震作用相較于非隔震結(jié)構(gòu)仍然有一定程度減小,但減幅小于隔震層上部樓層。設(shè)計時,對隔震層下部樓層,建議采用振型分解反應(yīng)譜法和時程分析法兩種算法的計算值進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

圖18 地下室柱頂隔震結(jié)構(gòu)X向樓層剪力分布

圖19 地下室柱頂隔震結(jié)構(gòu)X向水平減震系數(shù)分布

5.2 扭轉(zhuǎn)控制

對于隔震結(jié)構(gòu),隔震層的水平剛度遠(yuǎn)小于上部結(jié)構(gòu)樓層,而上部結(jié)構(gòu)總水平剛度與隔震層水平剛度為串聯(lián)關(guān)系,隔震層與上部結(jié)構(gòu)的整體水平剛度之和基本等于隔震層的水平剛度,結(jié)構(gòu)的整體變形特征主要由隔震層控制[12-13]。因此,隔震結(jié)構(gòu)通過調(diào)整隔震層的剛度分配,滿足上部結(jié)構(gòu)重心與隔震層剛心的偏心率在一定的范圍之內(nèi),即可有效控制由于結(jié)構(gòu)不規(guī)則引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。對于隔震結(jié)構(gòu),隔震層的偏心率要求控制在3%以內(nèi)。

本項目結(jié)構(gòu)X向偏心率為2.67%,Y向偏心率為2.73%,均小于3%,上部結(jié)構(gòu)重心與隔震層剛心基本重合。對比隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下各樓層的扭轉(zhuǎn)位移比分布(圖20),可以看到,通過設(shè)置隔震層,結(jié)構(gòu)振動形態(tài)趨向于整體平動,各層扭轉(zhuǎn)位移比均有所減小。

圖20 樓層扭轉(zhuǎn)位移比分布對比

5.3 黏滯阻尼器在隔震結(jié)構(gòu)中作用分析

黏滯阻尼器作為一種速度型耗能阻尼器,其耗能大小主要與所布置位置的變形大小及變形率有關(guān),變形越大,變形率越大,黏滯阻尼器耗能效果越好。而隔震層作為隔震建筑剛度最小、變形最集中的部位,為黏滯阻尼器耗能效果的發(fā)揮提供了天然的優(yōu)勢。因此,在隔震層組合使用黏滯阻尼器,可達(dá)到有效耗散地震能量、減小地震作用與隔震層變形的效果[9]。

本項目在隔震層周邊設(shè)置黏滯阻尼器,與無阻尼器結(jié)構(gòu)相比,層剪力、減震系數(shù)及隔震支座變形對比見圖21～23。由圖21～23可以看到,在隔震層引入黏滯阻尼系統(tǒng),通過附加黏滯阻尼的方式,可有效減小地震作用,提高減震效果,并降低隔震層變形[14]。

圖21 樓層剪力分布對比

圖22 水平減震系數(shù)分布對比

圖23 隔震支座變形分布對比

6 結(jié)論

(1)通過結(jié)構(gòu)方案選型與隔震層布置位置的對比,從結(jié)構(gòu)受力合理性、建筑空間優(yōu)越性、造價經(jīng)濟性、施工構(gòu)造簡便性等多方面進(jìn)行綜合比選,確定采用地下室柱頂隔震方案。

(2)本項目隔震預(yù)期目標(biāo)為隔震層上部結(jié)構(gòu)水平地震作用降一度設(shè)計。根據(jù)設(shè)定的減震目標(biāo),進(jìn)行隔震層支座及黏滯阻尼器的合理配置。隔震分析結(jié)果表明,隔震支座滿足不同工況下的受力與變形要求,整體隔震設(shè)計滿足預(yù)設(shè)的減震目標(biāo)要求,隔震支座和黏滯阻尼器在各地震水準(zhǔn)下均能發(fā)揮良好的耗能機制,罕遇地震下結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)。

(3)本項目屬于地下室柱頂隔震結(jié)構(gòu)體系,隔震層下部結(jié)構(gòu)地震作用與隔震層的剛度、上下部結(jié)構(gòu)的重量比和剛度比有關(guān)。計算結(jié)果表明,對于本項目,隔震層下部樓層地震作用相較于非隔震結(jié)構(gòu)仍然有一定程度減小,但減幅小于隔震層上部樓層。設(shè)計時,對隔震層下部樓層,建議采用振型分解反應(yīng)譜法和時程分析法兩種算法的計算值進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

(4)通過調(diào)整隔震層的偏心率,有利于結(jié)構(gòu)振動形態(tài)趨向于整體平動,從而有效減小整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

(5)在隔震層組合使用水平向黏滯阻尼器,可有效耗散地震能量,減小地震作用與隔震層變形。