低烈度區超限高層結構的隔震研究

劉 輝，李 嬌

(1.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.云南建投第四公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

隔震技術能顯著地減小上部結構的地震作用，大大提高結構的安全性，但是《建筑抗震設計規范》中規定了采用隔震技術時的種種限制條件，極大地限制了隔震技術的推廣及應用。文章探討在低烈度區高寬比超4時的高層結構采用隔震技術的可行性，并通過計算分析驗證其可行性。

1 工程概況

該工程抗震設防烈度為7度(0.15 g)，特征周期0.45 s。結構形式為剪力墻結構，地上34層，建筑結構主體高度99.70 m，寬20.28 m，高寬比4.92。見圖1。

2 隔震模型建立以及準確性驗證

由于ETABS具有強大的非線性分析能力，同時也能較準確地建立模型隔震裝置，工程采用ETABS進行計算與分析。本結構模型依據PKPM建模得到。ETABS模型見圖2。

為了驗證隔震模型的準確性，將有限元模型和PKPM模型計算得到的結構總質量、結構的前3周期和層間剪力3個方面進行對比。表中差值為：(|ETABS-SATWE|/SATWE)×100%。

由表1可知，2種軟件模型的質量非常接近，誤差在5 %以內。

表1 非隔震結構質量對比

由表2可知，3種軟件模型的前三階階模態的自振周期也非常接近，誤差在5 %以內。由圖3可知，2種軟件模型的各層剪力非常接近(底層剪力除外)。

表2 非隔震結構周期對比

綜上所述，有限元分析模型與原來的結構模型在主要指標上誤差較小，可認為采用有限元模型進行結構隔震的計算和分析是可行的。

3 地震動輸入

該工程依據《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)5.1.2條的規定選取了實際5組三向強震記錄的天然時程和2組人工模擬加速度時程，7條時程主方向擬合的反應譜曲線和規范反應譜曲見圖4。

根據《抗規》條文說明，當地震波按三向輸入時，其加速度最大值按：1(水平1)：0.85(水平2)：0.65(豎向)的比例進行調整。該工程按1(主方向)：0.85(次方向)：0.65(豎向)的系數對加速度峰值進行調整，分別以結構的X、Y向為主方向輸入地震波，結構的基底剪力見表3。

表3 非隔震結構基底剪力

單向地震動如下：

R1：2 特征周期0.45s人工波

R2：ACC2特征周期0.45s人工波

T1：NGA_1190CHICHI.CHY019_FN

T2：NGA_1191CHICHI.CHY022_FN

T3：NGA_2990CHICHI05.CHY107_FN

T4：LOMAPHCH090

T5：NGA_1291CHICHI.HWA044_FN

《抗規》規定：在結構主要的周期點上，多組時程波的平均地震影響系數與振型分解反應譜法的地震影響系數曲線相比相差不大于20 %。詳細情況見表4～5。

表4 隔震前地震影響系數

表5 隔震后地震影響系數

綜上所述，此計算選取的7組地震波符合規范要求。

4 隔震支座布置

4.1 布置方案

(1)根據《建筑抗震設計規范》12.2.3條規定：橡膠隔震支座應設置在結構豎向力較大的位置，總體上滿足均勻分散的要求；各個支座的豎向壓應力相差不宜過大，重力荷載代表值下的壓應力不應超過丙類建筑的限值15 MPa。

(2)在罕遇地震作用下，隔震支座的最大拉應力不應大于1 MPa。該工程中的隔震支座在各種工況下的的最大拉應力為0.56 MPa，見圖5。

(3)在罕遇地震作用下，隔震支座的水平位移應小于其有效直徑的0.55倍(0.55D=440 mm)，且小于內部橡膠層總厚度3倍(3Tr=447 mm)。罕遇地震下，隔震層中支座的最大位移264 mm，小于規范440 mm的限值要求。

根據《抗規》12.1.3條，風荷載產生的水平荷載宜小于隔震結構總重力的10 %，本工程風荷載的產生的總水平荷載為2 203.5 kN，結構的總重力為244 431.5 kN，滿足規范要求；隔震層屈服力與結構在風荷載下產生的水平力的比值為1.8>1.4，滿足要求。

4.2 隔震支座壓應力驗算

各隔震支座在重力荷載代表值下的壓應力見圖6，由圖6可知，各隔震支座均小于15 Mpa的限值，且各隔震支座有足夠的安全儲備；同時各隔震支座的壓應力較均勻，支座布置的較為合理。

4.3 支座水平恢復力特性

為了避免結構在隔震支座屈服前不必要的位移和振動，隔震層必需具備足夠的屈服前剛度，將鉛芯橡膠支座和天然橡膠支座的水平剛度簡化為雙線性，隔震層的水平恢復力特性有鉛芯橡膠支座和天然橡膠支座共同組成，見圖7。隔震層屈服前剛度：K1=19×19.67+4×21.67+4×17.35=529.81 kN/mm；隔震層屈服后剛度：K2=19×1.51+4×1.67+4×1.33=40.69 kN/mm。

5 地震分析

5.1 設防地震分析

5.1.1 基本要求

《疊層橡膠支座隔震技術規程》4.1.3規定：采用隔震技術后，為了使結構各個方向受力均勻，結構在2個方向的相差宜小于較小周期的30 %。由表6可知，采用隔震技術后，結構2個方向的基本周期滿足規范要求。

表6 隔震后結構主要周期對比

5.1.2 減震系數

由圖8分析得到隔震層以上結構，隔震前后結構層間剪力比值(隔震結構與非隔震結構)和層間傾覆力矩比值(隔震結構與非隔震結構)平均值的最大值為0.455，說明結構采用隔震技術后，隔震層以上結構的地震作用明顯減小，結構的安全性顯著提高。

5.1.3結構層間位移角

由圖9可知，在設防地震作用下，結構采用基礎隔震后，隔震層上部結構的地震作用明顯減小，樓層位移角遠小于規范要求的限值。同時各樓層的層間位移角相差較小，整個隔震層以上結構可近似的看做是一整個剛體的平動，大大減小了地震時上部人員的不適感。

5.2 罕遇地震分析

5.2.1 支座面壓

罕遇地震作用下驗算隔震支座面壓的豎向力采用的荷載組合：1.0×恒荷載+0.5×活荷載+1.0×地震作用，地震作用為：1.0主+0.85次+0.65豎向，見圖10。

5.2.2 支座拉應力

罕遇地震下隔震支座驗算隔震支座拉應力的豎向力的荷載組合：1.0×恒荷載±1.0×水平地震作用，地震作用組合為：1.0主方向+0.85次方向+0.65豎向地震。見圖11～12。

由圖10～12可知，罕遇地震作用下，隔震支座的最大壓應力均滿足規范要求；正向地震作用下，各橡膠隔震支座最大拉應力為0.48 MPa，小于1.0 MPa，出現在1號支座，支座類型為LRB900；橡膠支座負向地震作用下，最大拉應力為0.56 MPa，小于1.0 MPa，出現在1號支座，支座類型為LRB900，滿足規范規定1.0 Mpa的限值。

5.2.3結構抗傾覆驗算

由于該隔震房屋的高寬比4.92，超過《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)的規定的隔震結構高寬比不宜大于4的要求，所以補充驗算了該結構的抗傾覆性。計算傾覆力矩時按罕遇地震作用下的傾覆力矩，計算抗傾覆力矩按上部結構重力代表值計算得來。

該工程的上部結構重力代表值為：259 129 kN，結構X方向寬度為20.28 m，Y方向寬度為：22.38 m，故該結構的抗傾覆力矩為：X方向2 735 189 kN·m，Y方向為2 478 536 kN·m。罕遇地震作用下結構底部的最大傾覆力矩為：X方向1 049 845 kN·m，Y方向為1 037 281 kN·m。則抗傾覆安全系數為：X方向2 735 189/1 049 845=2.60>1.20；Y方向=2 478 536/1 037 281=2.38>1.20，滿足要求。

3 結 語

(1)采用隔震技術后，結構上部的地震作用顯著減少，結構的安全性顯著提高。

(2)在低烈度區的高寬比超過4的高層結構采用隔震技術后，結構的拉應力、壓應力和抗傾覆計算滿足規范要求，說明在低烈度區的超限高層采用隔震技術的可行性。