高層框架結構層間隔震性能研究

馮子超 蘭文改

（華北水利水電大學土木與交通學院，河南 鄭州 450045）

0 引言

地震是不可避免的一種自然災害，地震所造成的人員傷亡和經濟損失大多數是源于建筑物倒塌。因此世界各個國家都在研究工程的抗震減災技術，其中建筑隔震技術就是減輕地震災害的重要技術之一。隨著社會的發展，越來越多的高層建筑出現在大眾視野，但是隨著建筑物樓層的增加，其支座拉應力也會隨之出現，這便導致現有技術難以解決高層建筑中的抗震難題。由于框架結構能夠抵抗非常大的豎向力和水平力的作用，且具有較高的性價比，故而被廣泛應用于高層建筑的建設，但是在地震作用下高層建筑所受到的損害更大，所以對框架結構的研究更具有代表性，然而目前大部分的隔震技術主要是基礎隔震，對層間隔震的研究及應用相對較為缺乏［1］。因此筆者就層間隔震在高層建筑的應用進行研究，首先運用SAP2000有限元分析軟件建立數值模型，根據設防烈度的要求，選取相應的地震波，對不同隔震層的建筑模型進行時程分析，將分析所得到的基本周期、層間剪力以及層間位移與非隔震模型進行對比分析，探究其變化規律。

1 建筑結構隔震設計

1.1 工程概況與數值模型

本工程為一棟地上24 層框架結構的辦公樓，無地下室。沒有平面與豎向不規則的超限情況發生，每層高度為3 m，則總高度為72 m。建筑物的基本結構布局為：X、Y方向均為5 跨，其中X向為每跨6 m，Y向為每跨4 m。梁的尺寸為700 mm×300 mm，立柱的尺寸為700 mm×700 mm。混凝土強度等級采用C30，縱向受力鋼筋采用HRB335，箍筋采用HPB300。外部填充墻及其他構件的自重按均布荷載作用于外部框架梁，其線荷載取20 kN/m。其抗震設計方案的抗震設防烈度為8 度，其設計基本加速度為0.3g，最大高寬比為3.6＜4，場地類別為Ⅱ類場地，設計地震分組為第二組，場地特征周期為0.4 s。根據上述描述的相關模型參數，運用SAP2000 有限元軟件建立高層框架的模型，如圖1所示，其后續的隔震支座布置都在此模型基礎上完成。

圖1 三維模型圖

1.2 隔震支座選取及布置

在隔震層的設計中，隔震支座的選取和布置方案是一個重要的環節，需要經過多次分析計算才能得出較為合理的方案［2］。根據《建筑抗震設計規范》中的要求，再結合本工程處于地震設防區，且為乙類建筑，所以豎向壓應力σ不應超過12 MPa。由此可運用公式A=F/σ計算出隔震支座的直徑大小為1 000 mm 和1 200 mm。其隔震支座的布置平面圖如圖2所示，隔震支座的參數如表1所示。

圖2 隔震支座平面布置圖

表1 隔震支座參數表

1.3 地震波的選取

根據規范規定：每條時程曲線計算所得的結構底部剪力均超過振型分解反應譜法計算結果的65%，3 條時程曲線計算所得的結構底部剪力平均值大于振型分解反應譜法計算結果的80%［3］。依據上述規定，需要對所選取的地震波TRI_TREASURE ISLAND_90（TRI90）、TRI_ TREASURE ISLAND_00（TRI00）、人工波（REN）進行驗算。通過SAP2000運用時程分析法和振型分解反應譜法對三條地震波下的基底剪力進行計算，其結果如表2 所示，由表2中數據可知基底剪力均滿足規范要求。

表2 地震波下基底剪力的驗算

2 隔震結構與非隔震結構下的時程分析

2.1 基本周期對比

由于本工程結構是規則結構，故選取前5 階振型進行對比分析。為研究不同隔震層對結構抗震性能的影響，于是在1～24 層中的不同樓層設置隔震層，得到5 種隔震方案進行模態分析。最終得到的周期數據如圖3 所示。根據圖3 中數據可以看出，各種方案隔震結構的基本周期都要比非隔震結構的周期長，其中隔震層在基礎位置時，出現拐點，周期最長，隨著隔震層的上移，基本周期也在隨之縮短，最終在隔震層接近頂層時，22 層隔震結構的基本周期與非隔震結構的基本周期非常相近。

圖3 建筑結構基本周期對比圖

對比結果顯示：設置隔震層可以增加結構的基本周期，減小地震作用；其中基礎隔震的隔震效果最好，隨著隔震層高度的增加，隔震效果逐漸降低。

2.2 層間位移對比

為避免結構在地震作用下產生的位移過大而影響到結構的安全性能，故需要對結構在發生地震時產生的位移情況進行研究［4］，本研究對不同隔震層結構下的層間位移情況進行了整理分析，如圖3所示。

根據圖4 中層間位移的對比可以表明：①非隔震結構和隔震結構的層間位移隨著樓層的增加逐漸增大；②隔震結構的層間位移普遍比非隔震結構的層間位移小，說明加入隔震支座后結構具有明顯的減震效果，其中基礎隔震的最大層間位移最小，隨著隔震層高度的增加，最大層間位移也逐漸增大，減震效果逐漸減弱；③從圖4 中可以看出，在隔震層的位置有明顯的突起點，這是因為在隔震層的位置水平剛度會相對較小。

圖4 TRI00地震波下的層間位移對比

2.3 層間剪力對比

《建筑抗震設計規范》中規定隔震結構應進行大震下的時程分析，因此本研究對非隔震結構以及不同隔震層的隔震結構進行大震下的時程分析，分析結果如表3 所示，表中數據顯示在非隔震結構的底層最大剪力的平均值約為68 000 kN，而基礎隔震結構的底層最大剪力的平均值約為31 000 kN，減震率達到了54.04%，說明基礎隔震的減震效果明顯。隨著隔震層高度的增加，隔震結構的底層最大剪力隨之增大，其中在22 層隔震結構的底層最大剪力的平均值約為66 000 kN，減震率僅為3.22%，說明隔震層越高，減震效果越差。

表3 不同結構類型的最大剪力值

為避免建筑結構在3條地震波作用下計算結果離散較大，筆者對3 條波下的最大剪力分析結果進行對比，不同結構體系下3 條地震波層間剪力計算結果對比情況如圖5所示。圖5表明在基礎隔震結構時，最大剪力值出現最低點，顯示出在隔震層位于基礎時，隔震效果最為顯著；而非隔震結構和22 層隔震結構的最大剪力值幾乎出現在同一水平線上，表明隔震層在結構頂部時，隔震效果最為微弱。

圖5 不同結構類型的最大剪力對比圖

3 結論

隔震技術在實際的抗震結構中運用越來越廣泛，但是隨著高層建筑逐漸增加，隔震技術還能不能起到顯著的效果，需要大量的研究來證明［5］。本研究針對高層框架結構的隔震分析，得到以下結論。

①高層層間隔震結構與非隔震結構相比，前三階基本周期值增大。其中基礎隔震結構的基本周期增幅最大，增加了40.4%，而隨著隔震層高度的上升，其基本周期的增幅在逐漸變小，當達到22 層隔震結構時，只增加了5.21%。

②與非隔震結構相比，隔震結構的層間位移減小。當隔震層位于基礎時，層間位移減小了46.49%；當隔震層位于12 層時，層間位移減小了27.08%；當隔震層位于22 層時，層間位移減小了8.36%。由此可得，隨著隔震層的上移，減震效果逐漸變差。層間最大剪力與層間位移的變化規律相似，在罕遇地震下減震效果與常遇地震相似。