高烈度區帶厚板轉換層建筑的隔震性能分析

王林建 阿拉塔 李丹 管慶松 唐均

(1.云南省地震工程研究院 云南昆明 650000； 2.深圳防災減災技術研究院 廣東深圳 518003；3.云南震安減震科技股份有限公司 云南昆明 650000)

0 引言

建筑結構形式在向著體型復雜、功能多樣的綜合性方向發展[1]。轉換層在結構上的概念，主要是指在建筑結構中，能夠合理地解決平面的連續性和豎向結構的突變性的結構單元。厚板轉換層適用于上、下層結構柱或軸線錯開較多、難以用梁直接承托時，通過加大樓板的厚度變成厚板，剛度較大，能夠承受上部樓層荷載，并傳至下部樓層。由于該轉換層下層柱網可靈活布置墻柱等構件，不需要與上部結構對齊[2]。

基礎隔震技術是近幾十年來抗震防災工程領域最重大的創新技術，現階段具有顯著的優越性，能使建筑受到的地震作用降低50%～80%，使結構安全性成倍提高，并能保護內部設備，使建筑地震后不喪失使用功能。同時設計得當，在地震高烈度區采用隔震技術，基本不增加造價。特別適用于醫院、學校、機場、通信、電力等重要工程建筑物和人員密集場所。基礎隔震技術能顯著降低結構的自振頻率，延長結構周期，減少上部結構的地震響應[3]。

文獻[4]分析認為，近年來隨機性超烈度地震頻發，隔震結構在設計時應能通過預留足夠的安全儲備來抵御可能發生的超烈度地震，建議驗算超烈度地震作用下的抗震性能。文獻[5]對隔震建筑下部結構為懸臂柱時的P-Δ效應進行了研究，結果表明：當下部結構采用獨立懸臂柱時，計算過程應考慮P-Δ效應的影響。文獻[6]對隔震結構震損倒塌進行分析，在偶遇大震下，隔震結構有可能因支座水平位移超過限值，導致結構倒塌。

本文對一棟高烈度區厚板轉換層建筑的結構隔震性能進行時程分析，具體分析該結構的地震反應和抗震性能。隔震設計與分析采用國際通用的大型結構有限元分析軟件ETABS進行三維建模和動力時程分析，研究該結構方案選擇、抗震性能目標要求、結構抵抗罕遇地震的能力、隔震層剛心與上部結構質心的偏心率等方面對結構的影響。研究結果供類似工程參考。

1 工程概況

背景工程位于云南省昆明市，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度峰值為0.20g，設計地震分組第三組，Ⅲ類場地。正負零地面以上結構采用鋼筋混凝土剪力墻結構形式，建筑功能主要為多層住宅，屬于標準設防類(丙類)建筑。其上部結構在地下室頂板覆土高度范圍內有一個3m層高的夾層(兼作為隔震檢修層)，地上8層，總面積約6000m2(不含地下室)，結構高度為27m，建筑長寬比2.0，高寬比1.2。由于建筑功能需要，地上、地下結構體系分別為剪力墻結構和框剪結構，地下室-1～-3層需要滿足停車位的要求，因此地上、地下軸網差異較大。建筑地上二層平面圖和主要剖面圖如圖1所示。整體結構的計算模型如圖2所示，建模中地上8層，加上頂上兩層塔樓共10層。

2 結構方案選擇及性能目標

2.1 結構方案選擇

由于建筑地下車位配比的需要，建筑地上、地下結構體系分別為剪力墻結構和框剪結構，且上下部軸網水平錯位和存在扭轉夾角，無法滿足停車位要求，故采用了厚板轉換。為了緩和厚板帶來的豎向傳力和抗震的不規則性，并滿足規范要求和高烈度區抗震性能要求，采用建筑隔震技術非常合適。基此，該建筑隔震設計，采用隔震橡膠支座，上部結構自振周期延長，阻尼增大，輸入到上部結構的地震能量減少，可以減少構件斷面尺寸，降低含鋼量，達到建筑平面布置靈活，建筑功能使用方便，經濟合理的目的，且使結構的抗震性能得到顯著提高。

按照建筑功能布置，上部結構與地下室頂板覆土高度范圍內有一個3m層高的夾層，隔震設計時，利用此夾層作為隔震層。同時加強厚板的詳細分析與研究，進行專項抗震審查。

2.2 抗震性能目標要求

該項目采用建筑隔震設計的抗震性能目標，總體為：當遭遇多遇地震影響時，將基本不受損壞和影響使用功能；當遭遇到設防地震影響時，不需修理仍可繼續使用；當遭受罕遇地震影響時，將不發生危及生命安全和喪失使用價值的破壞。

2.2.1上部結構

當遭遇到本地區多遇地震影響、設防地震影響和罕遇地震影響時，比同類型一般結構至少有高一度設防烈度的抗震安全儲備；隔震層以上結構隔震后按降低一度進行設計，水平抗震措施按7度，與抵抗豎向地震作用有關的抗震措施(軸壓比)按8度。

2.2.2隔震層及下部結構

(1)橡膠隔震支座在本地區罕遇地震作用時，不損壞；橡膠隔震支座以下的地下室結構在設防地震作用時，仍處于彈性階段；橡膠隔震支座支墩、地下室直接支承構件的抗剪承載力在罕遇地震作用時，仍處于彈性階段。

(2)首層剪力墻滿足隔震后中震不屈服；適當調整轉換厚板范圍，避免厚板周邊的凹凸局部應力集中，厚板配筋以有限元應力分析為主，復核抗沖切和面內抗剪承載力，應力較大部位可局部附加配筋或設置暗梁。

2.3 分析方法

采用隔震結構的整體計算模型以時程分析為主，振型分解反應譜法設計上部結構。基于ETABS軟件具有方便靈活的建模功能和強大的線性和非線性動力分析功能，連接單元能夠準確模擬橡膠隔震支座，該設計使用大型有限元軟件ETABS建立隔震與非隔震結構模型，并進行計算與分析。剪力墻剖分單元為1m，普通樓板剖分單元為1m，F800C40剖分單元為0.5m。

3 時程選擇

隔震設計采用ETABS NonlinearC軟件進行計算；隔震設計采用時程分析法，地震波加速度時程按照《建筑抗震設計規范》[7](簡稱《抗震規范》)的規定選取，隔震支座類型和直徑依據抗震規范和隔震規程[8]確定，隔震支座參數經過第三方檢測的檢測數據確定，詳見下文。

該工程選取適合該工程場地的2條人工波和5條天然波，計算結果取7條時程的平均值計算非隔震結構和隔震結構在地震作用下的地震效應及動力特性。時程曲線如圖3所示，計算結果如表1所示。

表1 時程平均反應譜與規范反應譜曲線對比

由表1可知，所選時程滿足要求，同時由于采用了隔震技術，延長了主體結構周期，減少了結構的地震作用，結構的第一周期延長了4.49倍，大于3倍，達到了隔震目的。

4 結構隔震性能分析

4.1 橡膠隔震支座布置

該工程共使用了28個隔震支座，其中LRB800(鉛芯支座)8個，LNR800(無鉛芯支座)3個，LRB900(鉛芯支座)13個，LNR900(無鉛芯支座)4個。隔震支座力學性能參數如表2所示，隔震支座布置如圖4所示。該工程隔震構造參照國家和地方規程及文獻[9]進行設計。

圖4 隔震支座編號及布置圖

表2 隔震支座力學性能參數表

4.2 隔震結構偏心率

隔震結構偏心率是隔震層設計中的一個重要指標，日本和臺灣規范明確規定隔震系統的偏心率不宜大于3%[10]。該工程在進行隔震層設計時，也對隔震系統的偏心率進行計算。計算結果為：X方向2.80%，Y方向1.97%，兩個方向均小于3%，表明上部質量中心和隔震層剛度中心偏心率不大。

4.3 結構水平向減震系數

由于該工程上部結構布置存在夾角，不同方向上輸入的水平地震作用對結構的受力情況有影響，因此從0度、49度、58度不同的輸入方向進行時程分析[7]，取計算結果中最大值作為計算結果。在輸入7條時程地震波時，隔震結構與非隔震結構的X方向和Y方向各層層間剪力比值的最大值如表3所示。

表3 層間剪力比值

同理計算出隔震結構與非隔震結構各層傾覆力矩最大比值為0.188。根據規范[1]規定，該結構的水平向減震系數取層間剪力比值和層間傾覆力矩比值的較大者即0.265(發生在底層)，故，水平向減震系數為0.265，滿足上部結構降一度設計的要求，表明了該工程上部結構按照7度(0.10g)設計是可行的，并保留有一定的安全度。

4.4 罕遇地震下層間位移

罕遇地震下，隔震結構的隔震支座最大位移為324mm，小于0.55D=440mm(D為最小隔震支座直徑800mm)及3Tr≥444mm(Tr為最小隔震支座的橡膠層總厚度)中的較小值，滿足抗震規范要求[7]。

4.5 罕遇地震下層間位移角

罕遇地震下，隔震結構的層間位移角如表4所示。

由表4 可知，罕遇地震作用下結構最大層間位移角為1/1009(發生在第五層的X向)，明顯小于規范規定的彈塑性層間位移角限值1/50，具有良好的抗震性能。

表4 罕遇地震作用下層間位移角

4.6 隔震橡膠支座拉壓應力

根據《抗震規范》，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。經計算，在罕遇地震作用下，該工程的隔震支座都沒有出現拉應力，因此罕遇地震下該隔震支座拉應力滿足抗震規范要求；隔震支座滿足同一隔震層內各個橡膠隔震支座的豎向平均應力不應超過丙類建筑的限值15MPa，在大變形的情況下支座的豎向壓應力不大于30MPa的規定。經計算，在罕遇地震下該隔震支座壓應力滿足抗震規范要求。

5 下部結構設計與分析

根據《抗震規范》規定，隔震層的支墩、支柱及相連構件，應滿足罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和力矩的承載力要求；隔震層以下的地下室，應滿足嵌固剛度比和隔震后設防地震的抗震承載力要求，并滿足罕遇地震下的抗剪承載力要求。應驗算罕遇地震下隔震層的位移，并將驗算得到軸力、剪力用于支墩設計。隔震建筑地基基礎的抗震驗算和地基處理仍應按本地區抗震設防烈度進行。該工程均按以上規定開展具體的設計。計算和分析結果表明，該設計完全滿足《抗震規范》規定標準。

6 結論

本文對一棟高烈度區實際厚板轉換層建筑的結構隔震性能進行時程分析，結論如下：

(1)隔震技術適合應用于平面不規則而立面又有較大變化的建筑。

(2)采用隔震技術后，結構自振周期明顯延長，大大減少了上部結構地震響應，層間剪力、傾覆力矩都得到很大程度的衰減，達到了預期的效果。

(3)采用轉換層厚板隔震+上部剪力墻結構體系，加強了結構整體性，減少了水平地震作用，提高了抗震性能，工程結構方案經濟合理、技術可行、高效。