高層建筑剪力墻結構隔震設計及抗震性能測試研究

陳運凱

剪力墻結構作為城市住宅建設最主要的結構形式[1]，其抗震性能的提升成為住宅項目的建設中最關鍵的因素之一。如何設計一套結構隔震性能較強的建設方案，是當前高層建筑建設質量改善的重點[2-3]。目前，我國開展的大部分高層建筑隔震設計方案考慮的因素較少，缺少罕遇地震環境分析[4-5]。

1.工程概況

本研究以某住宅高層建筑工程為例，該建筑地上樓層共計19 層，剪力墻結構。本工程建設嚴格按照《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010），合理設計結構隔震方案，使得建筑得以滿足8 度抗震要求。在此條件下，地震加速度大小為0.3g，設計地震分組為第二組，場地類別為III 類，相應的特征周期為0.55s。如果采用傳統的抗震設計方案，通過調整剪力墻厚度來改善抗側剛度，那么不僅不夠美觀，而且還會減小建筑使用面積，不滿足消費者需求。為了有效抗震，本研究選擇隔震設計方法，考慮多遇地震和罕遇地震條件，探究滿足這些條件的隔震設計方案。

2.剪力墻結構隔震設計

2.1 結構模型設計

本研究選擇ETABS 軟件作為模型建立工具，構建工程地上建筑結構三維視圖模型，如圖1 所示。其中，柱、梁構件布設采用基本單元相同，均為空間桿件，剪力墻與之不同，以殼體單元為建模模型。

圖1 高層建筑剪力墻結構隔震模型三維視圖

為了體現隔震結構設計的抗震功效，本文以非隔震結構設計方案為對照組，同樣利用ETABS 軟件構建模型。通過模擬不同連接單元，得到多個規格隔震支座，經過計算分析確定支座各項參數數值。

2.2 地震波的選取

依據高層建筑結構所處環境及結構類型等因素，選擇8 條模擬地震波，包括人工波和天然波。其中，人工波數量2 條，記為AW1 和AW2；天然波數量6條，記為NW1～NW6。模擬期間，設定不同地震模擬環境中的加速度峰值。其中，罕遇地震條件下的數值為605gal，多遇地震條件下的數值為144gal。通過觀察模擬曲線結果，地震波底層剪力較大，其平均值在允許范圍之內。因此，本次模式測試選擇這8 條地震波作為模擬環境打造工具。

2.3 建筑結構隔震層設計

關于隔震層的設計，本研究以剪力墻結構作為隔震支座布設參考依據，經過結構布設分析，最終確定支座的布置位置。由于支座的壓力限值對其隔震性能影響較大，本研究根據建筑規范確定重力荷載，使得豎向壓力數值控制在限定范圍之內[6]。因此，可供選擇的支座直徑規格有兩個，分別是800mm、700mm。

依據建筑規范，隔震層偏心率不得超過3%。另外，還需要考慮隔震層在特殊環境下的影響，例如微振動影響等，同時水平剛度要求達到抗風承載力最低限值。根據本工程實際情況，調節兩種裝置應用數量：（1）橡膠支座，記為LNR，規格700mm，數量4 個；（2）鉛芯橡膠支座，記為LRB，規格800mm，數量13 個。另外，配備粘滯阻尼器，數量8 個。為了滿足隔震需求，不同方向的隔震層偏心率要求不同，設計位于Y方向偏心率大小為0.5%，X 方向偏心率大小為2.7%。如圖2所示為隔震支座位置、重心、剛性布設方案，圖3 為工程隔震支座平面布設方案。

圖2 隔震支座位置、重心、剛心布設方案

圖3 工程隔震支座平面布設方案

3.抗震性能測試

3.1 結構抗震動力特性測試分析

本次測試抗震動力特性時，以隔震周期作為測試指標，如果本方案能夠延伸隔震周期，則認為該設計方案具有較好的抗震動力特性。如表1 所示為抗震周期測試結果。效果進行測試，測試方向包括X向和Y向，結果如表2 所示。

表1 剪力墻結構隔震周期測試結果統計表

表2中兩個方向的減震系數均在0.38以下，與非隔震結構相比，本文采用隔震方法設計的建筑結構各個樓層剪力更小，明顯低于非隔震結構的樓層剪力。其中，低樓層的剪力改善效果更為顯著，例如1 樓X 向隔震效果的對比，非隔震結構剪力大約是隔震結構的剪力的4 倍。除了頂樓以外，其他樓層隔震結構的測試結果優勢也很明顯。

表2 結構樓層剪力測試結果統計表

表1 中，采用本文設計的隔震結構設計方案，隔震周期延長效果較為顯著。其中，前兩階段延伸周期超過了2.5 倍。雖然隨著階數的增加，隔震周期延伸效果有所下降，但是該數值穩定在2 倍左右，較非隔震結構設計有著明顯的抗震性能優勢。

3.2 結構抗震響應測試分析

本研究以樓層剪力作為測試指標，對建筑結構設計方案應用中的抗震響應

3.3 罕遇地震環境下結構層間變形測試分析

本次測試還模擬了罕遇地震環境，在此環境下除了對比非隔震結構與隔震結構的位移角以外，還考慮了隔震結構中是否使用阻尼器對其抗震效果的影響，測試結果如表3 所示。

表3 中，與非隔震結構建筑各個樓層間的位移角相比，采用隔震結構建設的建筑位移角更小，其數值大約是非隔震結構位移角數值的1/4，隨著樓層的增加位移角發生小幅度的增加。自第9 層以后，位移角隨著樓層的增加出現小幅度減小變化趨勢。當隔震結構中添加阻尼器時，位移角變得更小。由此看來，隔震加阻尼器結構，對改善高層建筑抗震性能的幫助最大。

表3 罕遇地震環境下結構層間變形測試結果統計表

4.總結

高層建筑抗震性能的提升是建筑行業發展期間需要解決的重要問題之一，本研究采用剪力墻結構為項目的結構類型，運用隔震方法進行設計，合理布置建筑結構，設計隔震結構各參數數值。模擬測試結果表明，本文提出的隔震結構建設方案各樓層剪力明顯下降，可以有效應對多遇地震。因為罕遇地震烈度較大，所以在隔震結構中添加了粘滯阻尼器，測試中發現該裝置的添加改善了建筑結構抗震性能。