高層剪力墻住宅的基礎隔震結構設計與討論

陳濤+秦云

摘 要：某高層剪力墻住宅，擬采用地下室頂板上的基礎隔震技術。為掌握高層剪力墻住宅基礎隔震結構的地震反應特性，分別對基礎隔震結構和非隔震結構模型進行了分析和研究，對各自的周期、層間位移角、扭轉位移比、樓層剪力和層間傾覆力矩進行了對比。分析結果表明，采用基礎隔震技術后，上部結構的層間剪力沿豎向的分布規律有所改變；對于8度（0.2g）設防地區的18層小高層住宅建筑，采用基礎隔震在技術上是可行和合理的。最后，本文結合分析過程及結果，對基礎隔震設計中的軟件、特定參數的選擇等細節問題進行了探討，可供工程研究和實踐參考。

關鍵詞：基礎隔震； 橡膠隔震支座； 結構分析

中圖分類號：TU318 文獻標識碼：B

Discussion on design of high-rise shear wall housing base-isolated structures

Chen Tao1 ，Qin Yun2

（ 1. Yunnan university， Kunming； 2. Kunming Architectural Design And Research Institute Co ，Ltd， Kunming650011 ，China ）

Abstract： A high-rise shear wall residential building， it is proposed basement roof base isolation technology. In order to know the characteristic of seismic response for the High-rise shear wall housing base-isolated structures well， the structure model of the base isolated structure and the general structure are be analysed and studied ， then some comparison is be had with their period， story drift， torsional displacement ratio，story shear，Interlayer overturning moment . The analysis of the base isolation technique used in this project shows that： the distribution of the upper shear layer structure have changed； It is feasible and reasonable on technology for a18 floor of small high-rise residential buildings in a earthquake of 8degree（0.2g）； at last， this paper probes into some detail including applying specific parameter ， software in the designing process ，and the conclusion can be used for engineering research and practical reference.

Key words： base Isolation；Rubber isolating ；structural analysis；

1.工程概況：

云南梁河某工程，建筑平面如圖1所示。抗震設防烈度8度，設計基本地震加速度峰值為0.2g，設計地震分組第三組，三類場地，特征周期0.65s。采用剪力墻結構形式，丙類建筑，樓層數19層，建筑結構高度57.1m，寬23.7m，高寬比2.41。

近年來，云南省加大了對減隔震技術的推廣和應用，受盈江地震的影響，并考慮建筑市場的需求，上述工程擬采用基礎隔震技術。隔震裝置能夠在一定程度上大大減小結構所受的水平地震作用，已被理論分析和國內外強震記錄或震害情況所證實。本文以該剪力墻住宅為例，分別采用ETABS和SETWE基礎隔震結構和非隔震結構進行了分析和研究，對周期、層間位移角、扭轉位移比、樓層剪力和層間傾覆力矩等進行了對比。

2.隔震結構分析：

本項目的地下室層高為3.9m，在規劃用地范圍內滿鋪設置，為保證項目的綠地率指標，需將地下室頂板上無建筑的區域作為綠化用地，此時，規劃要求覆土厚度不得少于1.5m。根據上述要求，結合結構需要，將隔震裝置置于地下室頂板標高處，考慮轉換梁高度和檢修空間要求，隔震層層高按2.1m確定。隔震單元抗震縫寬度要滿足罕遇地震作用下的位移的1.2倍，本工程與其它非隔震建、構筑物的間距按450mm設計。根據結構特點和工程經驗，假設減震系數可使上部結構所受水平地震設計作用標準降低一度，且減震系數不小于0.4，此時對于上部結構可不考慮豎向作用的影響。利用SETWE（2010版）軟件，采用反應譜分析方法進行上部結構方案設計，使結構各項技術指標（層間位移、周期比等）完全符合現行規范對A級高度高層建筑結構的要求，初步確定用于隔震裝置以上的結構的布置方案。

在EATBS軟件中，建立與上述結構完全一致的計算模型，采用時程分析方法進行隔震結構分析。根據擬建場地土的設計特征周期，選取7條時程曲線（2條人工波、5條天然波），波譜形狀、有效持續時間如圖3所示，其中NFN的有效持續時間最短，其值為19.719s；各地震波反應譜與規范反應譜值的對比如圖4所示。

在8度（0.20g）基本設防烈度的中震情況下，針對非隔震結構，分別運用反應譜法和時程分析法，計算結構的底部剪力，結果如表1所示。

由表1可見：單條地震波時程分析與振型分解反應譜法得到的結構基底剪力之比在77%～111%之間，7條地震波時程分析基底剪力平均值與反應譜法得到的結構基底剪力之比在94%～97%之間。所選的地震波與設計反應譜具有統計符合性，具有顯著的代表性。

在罕遇地震情況下，考慮水平和豎向地震效應影響，采用ETABS軟件進行隔震層抗壓承載力、最大拉應力和變形驗算，合理化所使用的隔震支座布置和相關力學參數，必要時在滿足安全的前提下，根據隔震裝置的受力要求優化上部結構布置，使結構具有良好的抗扭剛度，保證隔震裝置具有足夠的抵抗除地震效應以外的水平荷載的剛度和承載力。經優化，最終確定本工程共使用50個橡膠隔震支座，其布置和數量及力學參數分別詳圖5和表2所示。

結構的隔震前后的周期如表3所示。

由此可見，所選7條地震波的最短有效時長為19.17s，與隔震結構的第一周期的比為6>5，滿足《建筑抗震設計規范》（GB50011—2010）（以下簡稱抗規）[1]的要求，所選地震波是可行且有效的。由表3可知，采用基礎隔震技術后，結構的周期大大延長，遠離了場地設計特征周期，進而大幅度降低了結構所受的水平地震作用。隔震裝置的設置，會影響結構的平動和抗扭剛度，可以推論，由于隔震支座對結構的整體剛度具有極大的影響，若隔震支座的選擇和布置不盡合理，即使上部結構抗扭剛度較好，也可能導致隔震結構的抗扭剛度的嚴重退化，對隔震裝置的受力和結構的整體抗震能力產生不利的影響。

3.計算結果分析

由于結構在地震作用下的效應在x和y向有基本相同的規律，不失一般性，為簡化計，以下討論均取x向的情況作分析。

3.1 樓層層間位移角：

在非隔震與隔震結構在多遇地震和設防地震情況下，圖6和圖7中a）及b）表示上部結構x向在7條地震波作用下的層間位移角，從圖中可見，非隔震結構的最大層間位移角出現在第7～12層之間，具體位置可能因地震波而異，在部分地震波的作用下，層間變形曲線在局部有明顯的突變；隔震結構的最大層間變形主要集中在隔震層，其值約為上部樓層最大值的250%，上部結構的層間位移角較為均勻，最大層間位移角出現的位置較非隔震結構的有所下移，在各地震波情況下均處在第8和第9層間，其值約為非隔震結構的30%。對比兩圖，顯見在非隔震情況下效應較大的地震波，對于非隔震結構的效應不一定更大；同時，隔震裝置的介入，可以弱化地震波不同對結構層間效應的差異，使結構整體表現出更好的均勻性。

3.2 樓層剪力：

在非隔震與隔震結構在多遇地震情況下，圖8中a）及b）表示上部結構x向在7條地震波作用下的樓層剪力，從圖中可見，非隔震結構的樓層剪力時程曲線，會有明顯的突變或反彎，而隔震結構的樓層剪力近似為一條直線，反映出因有隔震裝置的介入，上部結構產生的地震力沿高度呈矩形分布。隔震裝置的介入，明顯地改善了樓層剪力分布的均勻性。中震情況下有相同的規律。

3.3 樓層傾覆力矩：

圖9中，a）和b）表示設防地震情況下結構樓層X向傾覆力矩沿高度方向的變化曲線，由圖可見，對于非隔震結構相對于前述的層間位移和樓層剪力曲線而言，傾覆力矩沿高度的變化曲線較為均勻光滑，隔震結構傾覆力矩自上而下的增長速度較非隔震結構的要大，表明傾覆力矩對隔震結構的影響較非隔震結構的大。

3.4 水平向減震系數和抗震構造措施的確定：

按照《抗規》12.2.5條，在設防地震作用下，按彈性計算隔震與非隔震各層的層間剪力的最大比值和各層傾覆力矩的最大比值，水平向減震系數β取兩者的較大值。本工程經對比得最大水平向減震系數為0.397<0.40，隔震后，上部結構的小震情況下的水平地震作用影響系數最大值為 =0.397×0.16/0.8=0.079，實際設計時取為0.08，相當于7度（0.10g），可見假設降低一度進行設計是合理可行的。剪力墻抗震等級按7度（0.10g）確定為三級，因水平向減震系數小于0.40，按《抗規》12.2.7條規定，隔震后上部結構的除與抵抗豎向地震力作用的相關構造措施，主要為軸壓比仍然按8度（0.20g）的要求控制外，其它抗震構造措施均按7度（0.10g）采取。

3.5 罕遇地震作用下隔震支座的承載力和變形限值驗算：

規范要求，隔震橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時作用下，拉應力不應大于1.0Mpa。本工程的相關驗算結果如表4所示，從表中可見，均滿足規范要求。

罕遇地震下，豎向地震作用取0.2倍的重力荷載代表值，隔震支座拉應力滿足《抗規》要求。隔震層在滿足隔震支座壓應力限值（≦15MPa）條件下，最大水平位移269mm，小于0.55D=330mm（D為最小隔震支座直徑，本工程采用隔震支座最小直徑為600mm），滿足《抗規》要求。

3.6 隔震裝置的抵抗其它水平力作用的驗算：

根據《抗震》12.1.3條，采用隔震的結構風荷載的產生的總水平力不宜超過結構總重力的10%，本結構總重力為142712kN，滿足要求。隔震層必須具備足夠的屈服前剛度和屈服承載力，以滿足風荷載和微振動的要求。《疊層橡膠支座隔震技術規程》（CECS126：2001）[2]4.3.4條規定，抗風裝置應按下式進行驗算：

，即 ≤3330.4KN（各鉛芯支座的屈服力之和），滿足要求。

式中： ——抗風裝置的水平承載力設計值。當不單獨設抗風裝置時，取隔震支座的屈服荷載設計值； ——風荷載分項系數，取1.4； ——風荷載作用下隔震層的水平剪力標準值。

4. 結論：

1） 對與8度（0.20g）地區的18層高層剪力墻住宅結構，采用基礎隔震在技術是可行的。

2） 隔震結構設計的關鍵是確定隔震裝置的布置方式及隔震支座的參數；隔震支座的應具有合理的水平向抗側剛度、必要的豎向承載力，隔震支座的布置應使其在罕遇地震作用下的拉應力較低并控制在許可范圍內。

3） 隔震裝置的介入，可以是結構所受的地震效應沿豎向更為均勻，由此可以期望，對隔震層以上結構的規則性要求可以適當降低。

4） 從力學原理出發，抗扭剛度對于隔震結構依然較為重要，故結構設計時，仍然需要在一定程度上保證結構的周期比。

5.相關討論：

1）本工程設計過程中發現，現行規范關于隔震結構的設計細節規定存在部分模糊地方；故在實際工程設計中，應注意計算結果合理性的分析。

2）現行工程設計實踐中，利用ETABS等通用軟件進行隔震分析，用SETWE軟件進行設計出圖的方式，存在一定的不協調性，例如：隔震結構上支墩所受剪力，實際上取決于相應隔震支座的抗側剛度，而采用SETWE進行分析時，該支墩下部是按不動鉸接處理的，此時，支墩所受剪力是由支墩本身的抗側剛度決定的，兩種方式計算所得的剪力理論上是不同的，甚至可能有很大差別。無疑，采用帶隔震裝置的整體結構模型分析和設計才是合理的，在目前階段存在一定的難度、需采用SETWE接力進行施工圖設計的情況下，應根據對應支座的抗側剛度合理確定上支墩的截面尺寸，而不能在SETWE軟件中直接使用上支墩的實際構造尺寸進行受力分析，特別是在采用一柱多墊子設計需要將支墩尺寸加大很多的情況下更是如此。

3）目前的隔震結構分析，無論地震烈度處于哪一階段，均假設上部結構處于彈性狀態，這是不十分合理的，事實上，按設計標準，在中、大震情況下，上部結構會產生彈塑性變形，由此影響到結構的整體性能。上部結構產生彈塑性變形對隔震結構的影響，有待進一步加強研究。

4）在隔震層，對于剪力墻下轉換梁的分析，SETWE很多情況下不能給出正確的結果。此時，需采用其它軟件進行補充分析和校核，考慮墻梁復合作用及梁下隔震支座實際布置情況對剪力墻局部受力狀態的影響。

參考文獻

[1]建筑抗震設計規范（GB500-2010）[S].中國建筑工業出版社，2010

[2]疊層橡膠支座隔震技術規程[S].北京：中國工程建設標準化協會，2001

[3]崔京浩、黨育、杜永峰等.基礎隔震結構設計及施工指南[M].北京：水利水電知識產權出版社，2007

[4]蘇經宇、曾德民、田杰.隔震建筑概論[M].北京.冶金工業出版社，2012