平面不規則框剪結構中基礎隔震技術應用的優越性

高 榮 徐 祿 熊光晶

(1.汕頭大學，廣東 汕頭 515063； 2.汕頭市第二建筑設計院，廣東 汕頭 515000)

?

平面不規則框剪結構中基礎隔震技術應用的優越性

高 榮1徐 祿2熊光晶1

(1.汕頭大學，廣東 汕頭 515063； 2.汕頭市第二建筑設計院，廣東 汕頭 515000)

為研究基礎隔震技術在平面不規則建筑結構中的應用前景，以汕頭市某既有9層L型混凝土框剪住宅為例，使用ETABS建立了FS，FSI和FTI模型，分析了多遇和罕遇地震下各模型的結構反應和技術經濟性，結果表明，基礎隔震技術具有良好的安全性和適用性，經濟上也較實惠。

框剪結構,基礎隔震,層間扭轉效應,經濟性

0 引言

隨著城市化建設的飛快發展，建筑結構平面形式也呈現多樣化，不規則的平面布置形式越來越多,而平面不規則結構在地震中更易發生扭轉破壞。近幾十年發展起來的基礎隔震技術突破了傳統的抗震策略，能明顯減小上部結構的扭轉效應[1-4],在國外已有較多應用。1993年由聯合國工業發展組織資助的中國第一棟平面規則的橡膠墊隔震住宅樓建于汕頭市，取得良好的抗震效果，獲得國家建設部科技進步一等獎，1994年還于汕頭召開了國際隔震技術研討會[5,6]。然而據筆者了解，自此以后汕頭市采用隔震技術的建筑結構僅有四棟，主要原因之一是造價高，橡膠隔震支座單價為3 000元～13 000元。注意到，隨著時間的推移此項造價與整體房價之比會越來越小，且汕頭的小高層建筑多數采用框剪結構，故本文探討平面不規則框剪結構基礎隔震技術的適用性。選取汕頭市某既有9層住宅為研究對象，采用原結構框架剪力墻模型(FS)，構建框剪隔震模型(FSI)和框筒隔震模型(FTI)，以ETABS結構分析軟件為工具，探討三種模型的抗震性能，并進行技術經濟比較，為推廣隔震設計提供參考。

1 工程概況及減震方案

選取汕頭某框架剪力墻結構作為傳統抗震結構原型，平面形式為“L”形，地上9層，總建筑面積為3 400 m2，總高度為29.4 m。抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.2g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類。基本風壓為0.8 kN/m2(按50年重現風壓值)，地面粗糙類別為C類。

共設計FS,FSI,FTI三個結構模型進行對比討論。FSI和FTI所用混凝土與鋼筋力學性能指標與FS相同，隔震支座的規格與性能指標取自衡水震泰隔震公司產品。

FS為既有框架剪力墻結構，其框架柱截面為400×1 000～400×500，剪力墻厚為200～300。

FSI為筆者設計并經多次修改試算的框架剪力墻基礎隔震方案。框架柱和剪力墻位置布置與FS相同，但截面尺寸有明顯減少。其框架柱截面為400×700～400×500，剪力墻的厚度為200～250。

FTI是經多次修改計算的框架筒體基礎隔震方案。FTI與FS和FSI相比，減去了除中心筒外的所有剪力墻，以框架柱替代。框架柱截面為400×1 000～400×500，剪力墻厚度200～250。需說明，筆者已經試算表明，若去掉FTI的隔震墊，同時顯著加大柱墻截面，形成的不隔震框架筒體結構不能滿足抗震要求。

三個模型的首層平面及隔震墊布置示意圖見圖1～圖3。

2 技術經濟性對比

2.1 多遇和罕遇地震下各模型的結構反應

應用ETABS結構分析軟件對三種方案建立計算模型，進行彈性時程分析及非線性時程分析，探討對比各模型的結構反應。在本工程模型動力分析中采用兩條實際地震波，CPC-TOPANGA CANYON波(CPC)，EMC-FAIRVIEW AVE波(EMC)，一條人工波(RH3)。每組地震動分為兩種工況，工況一:水平X向(多遇地震下峰值為70 cm/s，罕遇地震下峰值為400 cm/s)，工況二：水平Y向(多遇地震下峰值為70 cm/s，罕遇地震下峰值為400 cm/s)。需說明各隔震模型采用的隔震墊在以下所有地震反應驗算中均滿足使用要求，故以下只對比討論各模型上部結構的地震反應。

2.1.1 多遇和罕遇地震下層剪力的對比

各模型在三組地震波作用下的層最大剪力平均值分布見圖4,圖5，三種模型的總剪力和層最大剪力比見表1。從圖4,圖5中可見，在多遇和罕遇地震作用下，FSI與FTI的層剪力曲線幾乎重合，兩種隔震模型受到的總剪力和層剪力均遠小于非隔震模型FS。從表1可知，FSI，FTI在多遇和罕遇地震作用下的總剪力分別比FS減少71%以上，上部結構層最大剪力分別減少61%以上，表明基礎隔震技術能有效地減小上部結構的地震反應。

圖4，圖5中實曲線的層剪力值對應左縱坐標軸，虛曲線的層剪力值對應右縱坐標軸，XX-H代表罕遇地震下的XX模型層最大剪力平均值，XX-D代表多遇地震下的XX模型層最大剪力平均值，以下圖示表達相同。

表1 各模型的總剪力和層最大剪力之比

工況多遇地震下總剪力比(FS∶FSI∶FTI)多遇地震下層最大剪力比(FS∶FSI∶FTI)罕遇地震下總剪力比(FS∶FSI∶FTI)罕遇地震下層最大剪力比(FS∶FSI∶FTI)X方向地震波1∶0．22∶0．191∶0．29∶0．241∶0．14∶0．141∶0．17∶0．17Y方向地震波1∶0．29∶0．291∶0．39∶0．391∶0．17∶0．211∶0．22∶0．28

2.1.2 多遇和罕遇地震下扭轉效應對比

采用剛性樓板假定，分別輸入前述三組地震波，對比各模型的層最大扭轉角。限于篇幅，僅給出各模型CPC波作用下的層最大扭轉角(如圖6,圖7所示)和最大層間扭轉角，見表2。從圖中可以看到FSI和FTI的隔震層扭轉角都很大，但上部結構層間扭轉角都很小。從表2可看到，FSI,FTI在多遇和罕遇地震作用下的上部結構最大層間扭轉角比FS減少72%和48%以上,表明隔震墊有效減小了上部結構的扭轉效應。

圖6，圖7中各符號意義同圖4。

表2 各模型上部結構在CPC波作用下的最大層間扭轉角及其比值

工況FS最大層間扭轉角×10＾-5rad/mFSI最大層間扭轉角×10＾-5rad/mFTI最大層間扭轉角×10＾-5rad/mFS∶FSI∶FTICPC?X多遇地震波2．40．40．61∶0．16∶0．25CPC?Y多遇地震波6．91．92．61∶0．28∶0．38CPC?X罕遇地震波13．83．57．21∶0．25∶0．52CPC?Y罕遇地震波39．94．111．81∶0．1∶0．3

2.2 三種模型的經濟適用性對比

表3列出各模型的隔震造價和使用面積變化數據。可見雖FSI不改變原結構FS的墻柱位置，但因框架墻柱截面減小，整棟建筑使用面積相對增加6.27 m2。而FTI用框架柱代替除中心筒外的所有剪力墻，使整棟建筑的剪力墻片數由原來140片減至54片，使用面積增加了18.68 m2，為FSI的3倍。FTI的隔震支座費用也略低于FSI。此外，根據網上相關數據以及定額資料，若設每立方米鋼筋混凝土造價為1 520元(包括材料費與混凝土澆搗養護，鋼筋制作安裝費用等)，可算得FSI和FTI的結構用鋼筋混凝土造價分別比FS低3.1萬元和9.3萬元。綜合隔震支座的費用，FSI和FTI模型造價分別比FS模型高46元/m2和25元/m2，再考慮增加的使用面積因素，可判斷采用隔震技術是經濟實惠的。又由于基礎隔震技術可有效減小上部結構的地震響應，大幅降低上部結構和人員的生命財產損失，且震后修復簡易，值得推廣。

表3 各模型經濟適用性對比

3 結語

1)基礎隔震技術能大幅減小平面不規則建筑結構在地震中受到的層剪力，有效減小上部結構的層間扭轉角，提高結構的安全性。

2)在本文研究范圍內，每平方米增加造價25元即可實現基礎隔震技術，還可明顯減少框架柱和剪力墻截面積，從而增加使用面積，提高建筑平面布置的靈活性，性價比高，值得推廣。

[1] 祁 皚，商洪江，范宏偉.高層隔震結構扭轉分析[J].世界地震工程，2011,27(1):121-130.

[2] 王建強，姚謙峰.基礎隔震偏心結構扭轉振動反應分析[J].四川建筑科學研究，2004,30(1):103-104.

[3] 黨 育，霍凱成.偏心隔震結構扭轉效應的影響因素分析[J].武漢理工大學學報，2010,32(14):138-141.

[4] 袁 兵，黃炎生，任立飛，等.框架—剪力墻基礎隔震結構地震扭轉反應[J].華南理工大學學報，2006,34(7):94-97.

[5] 徐忠根，周福霖.我國首棟橡膠墊隔震住宅樓動力分析[J].世界地震工程，1996(1):38-42.

[6] 蘇經宇，曾德民.我國建筑結構隔震技術的研究和應用[J].世界地震工程與工程振動，2001，21(4):94-101.

Superiority of application of base isolation technology in a plane irregular frame-shell wall structures

Gao Rong1Xu Lu2Xiong Guangjing1

(1.ShantouUniversity，Shantou515063，China； 2.ShantouNo.2InstituteofArchitecturalDesignCo.,Ltd，Shantou515000,China)

To study application prospect of the base-isolated technology in the plane irregular building structure. Taking a 9-storey L shape-concrete-frame shear wall building in Shantou as an example, the FS，FSI and FTI model were established with ETABS software. It analyzes structural response and technology economy of various models under frequent and rare earthquake actions, the results show that base isolation technology indicates a better safety and applicability, and it is also affordable.

frame shear wall structure, base isolation, inter-layer torsion effect, economy

1009-6825(2017)14-0033-03

2017-03-02

高 榮(1991- )，女，在讀碩士

TU352

A