高烈度地震區結構隔震和消能減震設計

許楚平

(江蘇省建筑設計研究院有限公司,江蘇 南京 210019)

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高烈度地震區結構隔震和消能減震設計

許楚平

(江蘇省建筑設計研究院有限公司,江蘇 南京 210019)

以江蘇銀行宿遷分行和宿遷市公共衛生服務中心兩個建筑實體為例，分析了高烈度地震區結構隔震與消能減震設計的過程。首先進行了高烈度地震區結構采用隔震及消能減震技術的可行性及必要性的分析,其次介紹隔震結構與消能減震結構的設計過程,并對隔震結構及消能減震結構整體抗震性能進行評價。最后，做出對隔震結構與消能減震結構設計方法的對比。分析結果表明：隔震及消能減震結構具有良好的抗震性能,在罕遇地震作用下,抗震性能表現良好。

高烈度地震； 隔震；消能減震

1 概 述

世界兩大地震帶在我國交匯,我國大部分地區都是地震區,其中不少地區為高烈度地震區,如江蘇省宿遷市。根據《建筑抗震設計規范(GB 50011—2010)》(以下簡稱《抗規》)宿遷市抗震設防烈度為8度(0.30 g),設計地震分組為第一組,水平地震影響系數αmax取值：小震0.24,中震0.68,大震1.20[1]。隨著我國國民經濟的發展,很多高烈度地震區興建了不少高層建筑。由于高烈度地震區高層建筑承受的地震作用大,傳統的抗震設計理論已不能滿足建筑設計的要求,需采用新的抗震設計方法來解決問題。

2 隔震及消能減震設計可行性及必要性分析

通常作為公建的高層建筑一般采用框架剪力墻結構,在高烈度地震區如按傳統方法設計,需加大框架、剪力墻截面尺寸和數量,來抵抗較大的地震作用。這樣的設計,增加了結構本身的質量和剛度,地震作用相應加大,結構層間剪力及位移將大幅度增加,且很多構件有超筋現象發生,抗震性能不佳,較難滿足規范要求,也會影響建筑的正常使用功能。 《抗規》提供的隔震及消能減震(以下簡稱減震)抗震設計理論,主旨是“柔”——以柔克剛,用隔震減震構件的變形來消耗地震作用所產生的能量。這樣,上部結構承受地震作用減小,結構層間剪力及位移也相應減少,較易滿足現有規范要求,抗震性能得到提高,這是抗震設計理論的新發展。目前,隔震與減震技術已在許多地震頻發的國家與地區得到廣泛的應用,如日本新建筑幾乎都要采用隔減震技術。有關國家對隔減震技術進行了深入的研究,積累了相當多的工程實踐經驗,并制定了隔減震技術設計指南或設計規程[2-7]。我國2010版《抗規》也對隔減震有關規定進行了修訂,為高烈度地震區采用隔減震技術提供了更廣泛的空間。根據國內外隔減震技術研究和工程實踐經驗,可認為隔震及減震技術是減輕建筑物地震災害的有效技術[1]。

下面就筆者在高烈度地震區宿遷市采用隔減震技術設計的工程,簡要介紹隔減震設計的全過程。

3 隔震設計

江蘇銀行宿遷分行主體建筑地上16層，地下1層,建筑高度61.2 m,主要功能為營業、辦公及業務用房等,部分樓層建筑平面見圖1、圖2,主體結構采用鋼筋混凝土框架剪力墻結構。根據初步設計分析,如采用傳統抗震設計方法,因層間位移較大,需要增設較多的抗震墻才能滿足規范要求；這樣勢必影響建筑的正常使用功能,且大部分構件超筋,抗震性能不佳。采用隔震技術：在上部結構與地下室之間設置由橡膠隔震支座及阻尼器組成的隔震層,以延長主體結構的自振周期。這樣，輸入上部結構的地震作用將大幅度降低[1],也相應減小了層間剪力及層間位移角,從而可滿足規范設計要求,主體結構的抗震性能也得到提高。江蘇銀行宿遷分行抗震設計概況等詳見文獻[8]。

圖1 2層平面圖

圖2 標準層平面圖

3.1 建立隔震計算模型

該工程隔震分析采用ETABS軟件,時程計算所需的地震波根據《抗規》要求選取,利用ETABS軟件中的連接單元來模擬隔震支座,建立相應的隔震結構計算模型,上部結構計算采用SATWE軟件。分別采用SATWE軟件與ETABS軟件對該工程非隔震結構模型進行分析,兩種軟件分析結果如質量、自振周期、層間剪力及層間位移角誤差率均不大于5%,可認為ETABS軟件建立的計算模型準確可靠,可采用該模型進行隔震分析。

3.2 隔震支座的布置

該工程采用隔震結構后預期抗震目標：

1)上部結構按抗震設防烈度降低一度即7度(0.15 g)設計；

2)大震時上部結構層間位移角不大于1/100。

依據上述目標設置隔震層(層高2 m),并在其中布置橡膠隔震支座、阻尼器。布置要點：對稱、控制偏心率,減小扭轉效應；各隔震支座下壓應力相差不大,且最大壓應力滿足《抗規》要求；具有足夠的初始剛度,使主體結構在風載、微震等水平荷載作用下保持穩定；隔震支座屈服后應具有相應的水平剛度,使主體結構在大震作用下具有抵御地震作用的能力。為達到預期抗震目標,采用ETABS軟件對隔震結構進行多輪時程分析及優化,最終確定布置隔震支座共38個(鉛芯橡膠支座32個、無鉛芯橡膠支座6個),粘滯阻尼器共7組。隔震裝置平面見圖3、圖4。

圖3 隔震裝置平面

圖4 隔震層實景圖

3.3 隔震結構減震系數確定

按設防地震烈度8度(0.30 g),采用ETABS軟件對該工程非隔震模型和隔震模型進行時程分析。結果顯示,隔震結構在多遇地震作用下X向及Y向的層間位移角均不大于1/800,滿足《抗規》的要求。該工程采用隔震前后樓層剪力對比見表1。

表1 隔震結構和非隔震結構地震樓層剪力對比

如表1所示,隔震效果顯著,X、Y向樓層剪力最大比值均小于0.4,水平向減震系數β<0.4,按《抗規》規定,隔震層以上結構可按設防烈度7度(0.15 g)進行設計,實現了預期的抗震設計目標。上部結構采用SATWE軟件進行多遇地震分析時,取αmax=0.12,也是可行的。

3.4 隔震結構大震彈塑性分析

按《抗規》要求對隔震結構進行大震下彈塑性時程分析,結果均滿足《抗規》相關要求,且隔震支座也滿足產品性能參數要求。

3.5 隔震結構支墩及地下結構設計

按《抗規》要求,將大震作用下各隔震支座的最大內力作用于支墩,用于支墩及地下結構的設計。

4 減震設計

宿遷市公共衛生服務中心主樓為地上13層,地下1層,建筑高度為54.9 m,主要功能為試驗、辦公及業務用房等,主體結構采用鋼筋混凝土框架剪力墻結構。根據初步設計分析,由于結構層間地震剪力較大,按照現有建筑平面布置剪力墻,層間位移不能滿足規范要求,且大部分構件超筋,抗震性能不佳。采用減震技術：在樓層布置軟鋼阻尼墻(位移相關型),通過其相對變形給結構提供附加阻尼,以消耗輸入主體結構的地震作用[1],相應減小結構的層間剪力,層間位移角可滿足規范要求,且構件配筋合理,提高了結構的抗震性能。宿遷市公共衛生服務中心抗震設計概況等詳見文獻[9]。

4.1 建立減震計算模型

該工程減震分析采用ETABS軟件,時程計算所需的地震波根據《抗規》要求選取。建立減震結構和非減震結構的有限元模型,并進行結構的靜、動力計算分析,獲取結構在彈性和彈塑性階段真實的動力響應,為減震設計提供依據。分別采用SATWE軟件與ETABS軟件對該工程非減震模型進行分析,兩種軟件分析結果如質量、自振周期、層間剪力及層間位移角誤差率均不大于5%,可認為ETABS軟件建立的計算模型準確可靠,因此采用該模型進行減震分析,且SATWE軟件可進行簡化的減震結構設計。

4.2 減震部件(軟鋼阻尼墻)的布置

該工程采用減震結構后預期抗震目標：

1)在抗震設防烈度8度(0.30 g)地震作用下,彈性層間位移角不大于1/800;

2)大震時結構層間位移角明顯小于1/100。

依據上述目標布置軟鋼阻尼墻,布置要點：

1)雙向、對稱,使得結構整體在兩個方向都有附加阻尼及剛度,并減小扭轉效應；

2)在滿足建筑使用功能前提下,在變形較大的部位布置,充分發揮其消能作用[1]。為達到預期抗震目標,采用ETABS軟件對減震結構進行多輪時程分析及優化,最終確定了軟鋼阻尼墻數量及位置,見表2。

表2 軟鋼阻尼墻分布數量

4.3 減震結構總等效阻尼比的確定

按設防地震烈度8度(0.30 g),采用ETABS軟件對該工程非減震模型和減震模型進行時程分析。結果顯示：減震結構在多遇地震作用下X向及Y向的層間位移角均不大于1/800,滿足《抗規》要求；并可得減震系數β1=減震結構層間地震剪力/非減震結構層間地震剪力,見表3、表4。

采用SATWE軟件計算非減震結構模型,分別計算阻尼比取12%和5%的層間地震剪力,可得折算減震系數β2=阻尼比為12%結構層間地震剪力/阻尼比為5%結構層間地震剪力,見表3、表4。

如表3、表4所示,減震效果明顯,且采用SATWE軟件進行簡化減震結構設計時,取12%阻尼比(即結構總等效阻尼比)進行多遇地震分析,是安全可靠的。

4.4 減震結構大震分析

《抗規》要求：與軟鋼阻尼墻(消能部件)相連構件在大震作用下應在彈性范圍工作。為此,該工程中與軟鋼阻尼墻相連梁柱均采用鋼筋混凝土型鋼構件。經采用ETABS軟件大震下時程分析,結果均滿足《抗規》要求,大震時減震結構的層間位移角明顯小于1/100,且軟鋼阻尼墻也滿足產品性能參數要求,結構抗震性能良好。

表3 X向ETABS和SATWE模型減震系數對比

表4 Y向ETABS和SATWE模型減震系數對比

5 隔震結構和減震結構特點比較

從以上兩個工程實例可以看出,隔震與減震技術都是高烈度地震區減輕建筑物地震災害的有效技術手段,且設計方法與過程大致相同,但這兩種技術減小地震作用的方法有所不同。

隔震結構的基本特點是在上部結構與地下室之間設置由橡膠隔震支座及阻尼器組成的隔震層,延長主體結構的自振周期,減少結構的水平地震作用,可使水平地震作用降低約60%[1],比減震結構降低幅度大；考慮到橡膠隔震支座抗拉強度較差的特性,較適用于高寬比小于4,非地震作用水平荷載較小的工程；由于須設置隔震層,且上部結構外圍及穿越隔震層的豎向構件如電梯井周邊須設置豎向隔離縫,穿越隔震層的設備管線應采用柔性連接等要求,對建筑的立面、地下部分的平面布置等都有不同程度的影響；但隔震層以上建筑平面可按常規建筑設計。

減震結構的基本特點是在建筑平面配置一定數量的消能器(本文采用的軟鋼阻尼墻屬于位移相關型,另有速度相關型阻尼器本文暫不論述),通過其相對變形給結構提供足夠的附加阻尼,以消耗地震能量,減少了結構的水平和豎向地震作用[1]。因軟鋼阻尼墻不改變結構的基本形式,且平面布置靈活,結構高度及類型也不受限制,因而適用范圍較廣。由于需在原有建筑平面附加軟鋼阻尼墻,可能會影響建筑的使用功能,且與軟鋼阻尼墻相連的構件宜采用型鋼混凝土,因此會增加建設成本。

6 結 語

1)隔震與減震技術都是高烈度地震區減輕建筑物地震災害的有效技術手段。

2)選用隔震結構與減震結構設計方案時,應根據抗震設防烈度、場地土類別、建筑平立面使用功能及其經濟性等因素綜合考慮。

3)隔震結構與減震結構可采用ETABS軟件,分別計算出隔震結構的減震系數β，相應的水平地震影響系數最大值αmax及減震結構的總等效阻尼比ζ,將其代入通用軟件SATWE,進行多遇地震作用下隔、減震結構的計算分析。

[1] 中國建筑科學研究院.GB 50011—2010建筑抗震設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社,2010．

[2] 日本建筑學會. 隔震結構設計[M]. 劉文廣,譯. 北京 :地震出版社,2006．

[3] 日本免震構造協會. 圖解隔震結構入門[M]. 葉列平,譯. 北京: 科學出版社,1998．

[4] 蘇鍵,溫留漢·黑沙,周福霖 .高層隔震建筑性能分析[J].建筑結構,2009,39(11): 45-47．

[5] 廣州大學.JGJ 297—2013 建筑消能減震技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社,2013.

[6] 王桂萱,孫曉艷,趙杰. 不同形式軟鋼阻尼器的研究[J].防災減災學報,2014,30(1): 7-15．

[7] 高承勇,張家華.建筑結構中阻尼器消能減震設計關鍵技術的探討[J].建筑結構,2009,39(5): 18-22．

[8] 杜東升,王曙光,劉偉慶. 江蘇銀行宿遷分行營業辦公樓基礎隔震分析報告[R]. 南京:南京工業大學工程抗震研究中心,2009.

[9] 杜東升,王曙光,劉偉慶. 宿遷市公共衛生服務中心主樓結構消能減震分析報告[R]. 南京:南京工業大學工程抗震研究中心,2014.

Design of the Structural Seismic Isolation and Energy Dissipation for the High Intensity Seismic Region

XUChuping

2016-08-02

許楚平(1964—),男,江蘇南京人,高級工程師,從事建筑結構設計工作。

TU352.1

B

1008-3707(2016)11-0016-05