某高烈度地區(qū)高層住宅設(shè)計(jì)方法淺析

王書明

上海市園林設(shè)計(jì)研究總院有限公司 上海 200031

1 前言

隔震是一種合理、有效、安全、經(jīng)濟(jì)的被動(dòng)控制減震方式[1]，隔震設(shè)計(jì)采用在基礎(chǔ)頂或地下室頂板設(shè)置水平阻尼器等柔性隔震裝置，使上部減震結(jié)構(gòu)特征周期延長(zhǎng)，阻尼增大，減少上部隔震結(jié)構(gòu)的地震作用，從而達(dá)到整個(gè)隔震裝置和上部結(jié)構(gòu)達(dá)到抗震的三水準(zhǔn)目標(biāo):“小震不壞、中震可修、大震不倒”。

國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者對(duì)隔震技術(shù)進(jìn)行了研究，我國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部新發(fā)布的《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GBT51408-2021已實(shí)施，隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的出爐將給建筑抗震設(shè)計(jì)帶來(lái)革命性變化。

目前國(guó)內(nèi)9度區(qū)隔震建筑實(shí)例偏少，本文介紹了云南昆明市東川區(qū)一個(gè)帶大底盤地庫(kù)的高層住宅樓小區(qū)隔震設(shè)計(jì)，下面對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、支座布置、支座設(shè)計(jì)、上部設(shè)計(jì)等進(jìn)行了介紹。

2 概括

2.1 建筑概括

本工程位于云南省昆明市東川區(qū)，住宅小區(qū)，地上16層，地下1層（底部為大底盤地庫(kù)），主要功能為住宅，采用隔震技術(shù)，上部結(jié)構(gòu)與地下室頂板之間設(shè)置隔震層，隔震層高為3.45m, 隔震層設(shè)置粘滯阻尼器和抗拉裝置，建筑高度為48.3m，層高3m，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)形式。

地下室位于隔震層以下，層數(shù)為1層，地下室層高為4.2m~4.3m，為全埋地下室，功能為機(jī)動(dòng)車庫(kù)，抗?jié)B等級(jí)為P6。本工程為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類建筑。本次隔震設(shè)計(jì)采用抗規(guī)的分步式設(shè)計(jì)。

2.2 場(chǎng)地概況

本小區(qū)位于大緩坡上，擬建建筑西側(cè)有12m~14的高差，距離125m左右，坡比為1：8.9，坡角約為6.5°，根據(jù)《建筑與市政工程抗震通用規(guī)范》GB55002-2021第4.1.1條，可不進(jìn)行地震作用放大。特征周期取值根據(jù)《建筑與市政工程抗震通用規(guī)范》GB55002-2021第3.1.3條和地勘資料提供，場(chǎng)地土層等效剪切波速為250m/s，覆蓋層厚度為35m，不在場(chǎng)地類別分界線15%的范圍內(nèi)，特征周期無(wú)需插值，特征周期取值為0.45s。本小區(qū)結(jié)構(gòu)按抗震規(guī)范需考慮扭轉(zhuǎn)耦連和多遇地震作用下的內(nèi)力和變形分析。

蒙姑-東川斷裂（F4），距離擬建場(chǎng)地約1.5km；小江西支主干斷裂（F7），距離場(chǎng)地約為8.5km。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010（2016年版）第12.2.2條，設(shè)計(jì)時(shí)考慮1.5倍的進(jìn)行效應(yīng)系數(shù)。小區(qū)場(chǎng)地類別為Ⅱ類，地震分組為第三組，設(shè)防烈度九度，加速度為0.4g。

3 地基基礎(chǔ)及地下室設(shè)計(jì)

3.1 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告以及建筑結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。地基基礎(chǔ)等級(jí)為乙級(jí)，基礎(chǔ)的抗震驗(yàn)算按本地設(shè)防烈度進(jìn)行。基礎(chǔ)為平板式筏板基礎(chǔ)，筏板厚度為900mm，局部加厚，最大厚度為1200mm，持力層為④-1角礫層，地基承載能力特征值為240kpa。地庫(kù)地下室部分基礎(chǔ)形式為獨(dú)立基礎(chǔ)+防水板，防水板厚250mm，持力層為③含角礫粉質(zhì)黏土和④-1角礫層，承載力特征值為220kpa和240kpa。場(chǎng)地屬不均勻地基，整體筏板增強(qiáng)基礎(chǔ)整體性，可減少上部建筑結(jié)構(gòu)的不均勻沉降帶來(lái)的不利影響。經(jīng)基礎(chǔ)分析計(jì)算，地基變形沉降值72mm，滿足規(guī)范要求。

3.2 地下室設(shè)計(jì)

本工程有一層全埋地下室，無(wú)人防，地下室抗震等級(jí)為三級(jí)，塔樓及相鄰兩跨范圍內(nèi)抗震等級(jí)為二級(jí)，框架梁、板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，框架柱、墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40~C50。根據(jù)地勘報(bào)告，擬建地下室地下水埋深較大，可不考慮地下水的抗浮問(wèn)題，但施工期間和后期地表水的大量下滲，同樣會(huì)影響地下室的安全，充分考慮排水、截水措施，故在基底及地下室周邊設(shè)置盲溝，坑底置水井等措施進(jìn)行抽排，以減少地下水位的抬升的影響。

上部建筑嵌固端為地下室頂板，上部建筑地下室頂板厚度為180mm，塔樓外地下室頂板為厚板+框架結(jié)構(gòu)布置，厚度為300mm，控制內(nèi)外高差不大于0.9m，加腋坡度小于1：2，確保嵌固的有效性,和地震作用的有效傳遞。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010（2016年版）第6.1.14條，地下室層側(cè)向剛度需要滿足大于地下室頂板上一層的側(cè)向剛度的2倍，方可作為嵌固端。

4 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 上部結(jié)構(gòu)概況及選型

本工程地上16層，建筑高度48.30m，層高為3.0m，結(jié)構(gòu)平面尺寸42.4×12.9m，結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。嵌固端為下支墩頂、地下室頂板與0.00m標(biāo)高之間設(shè)置隔震層，隔震層設(shè)置粘滯阻尼器和抗拉裝置，隔震層高3.45m。丙類建筑，本工程按抗震設(shè)防丙類建筑采用。上部結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)，剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)，抗震構(gòu)造措施為二級(jí)。隔震層轉(zhuǎn)換梁和支墩抗震等級(jí)為提高一級(jí)，為一級(jí)，抗震構(gòu)造措施為一級(jí)。

4.2 上部結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件及主要參數(shù)取值

采用隔震設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)計(jì)算分析采用北京盈建科軟件股份有限公司的盈建科YJK4.3版本計(jì)算。并用ETABS進(jìn)行多遇地震下的復(fù)核、彈性時(shí)程分析以及彈塑性時(shí)程分析。

4.3 上部結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果

4.3.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

計(jì)算振型數(shù)：17個(gè)，YJK計(jì)算模型的有效質(zhì)量系數(shù)為X向90.52%，Y向93.48%。滿足規(guī)范不小于90%的要求。YJK模型第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比0.64，滿足規(guī)范要求，見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算振型數(shù)

4.3.2 位移和扭轉(zhuǎn)位移比分析

在小震作用下按彈性方法計(jì)算的樓層最大位移與層高之比限值，在考慮地震作用下，X向最大層間位移角為1/1706（8層）；Y向最大層間位移角為1/ 1450（10層），滿足規(guī)范要求。

其它剪力和剪重比分析(CQC)、樓層承載力對(duì)比、樓層剛度比分析滿足規(guī)范要求。

軸壓比分析顯示剪力墻最大軸壓比為0.18，小于剪力墻一級(jí)抗震等級(jí)軸壓比限值0.4，滿足規(guī)范要求。

4.4 轉(zhuǎn)換構(gòu)件設(shè)計(jì)

本工程上部為剪力墻結(jié)構(gòu)，采用隔震設(shè)計(jì)，在隔震層頂板對(duì)剪力墻進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為增加隔震層的剛度，隔震層樓板厚度為180mm，鋼筋雙層雙向拉通，隔震層樓板設(shè)置為彈性膜，考慮樓板實(shí)際剛度的影響，轉(zhuǎn)換梁控制在二級(jí)轉(zhuǎn)換之內(nèi)，轉(zhuǎn)換構(gòu)件抗震等級(jí)提高一級(jí)，為一級(jí)。

5 隔震設(shè)計(jì)

5.1 隔震設(shè)計(jì)原則

為了建筑功能和結(jié)構(gòu)抗震安全性考慮，隔震支座均設(shè)置在±0.00m樓板以下-2.3m處，隔震層高度為3.45m，隔震層設(shè)置粘滯阻尼器和抗拉裝置。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證隔震層（隔震支座）水平剛度遠(yuǎn)小于上層結(jié)構(gòu)樓層水平剛度，并遠(yuǎn)小于隔震層以下結(jié)構(gòu)水平剛度，隔震支座以上混凝土隔震支墩及梁板水平剛度遠(yuǎn)大于上層結(jié)構(gòu)樓層水平剛度。同時(shí)要求隔震層以下的墻柱梁的等構(gòu)件滿足上下嵌固剛度比的要求，并按罕見(jiàn)遇地震進(jìn)行抗剪承載力驗(yàn)算。

隔震房屋周邊以及相鄰隔震建筑之間應(yīng)設(shè)置隔離縫，其縫寬按照《抗規(guī)》12.2.7條第1款規(guī)定來(lái)確定。

采用ETABS NonlinearC軟件進(jìn)行隔震計(jì)算分析。計(jì)算前對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了驗(yàn)證（與YJK模型對(duì)比）。隔震設(shè)計(jì)采用的時(shí)程分析法，地震波加速度時(shí)程按照抗規(guī)5.1.2規(guī)定選取。

隔震層的柱墩在罕遇地震下的豎向力、水平力和力矩的承載力要滿足規(guī)范要求。根據(jù)抗規(guī)12.2.6原則，隔震層上下支墩按罕遇地震下的懸臂柱設(shè)計(jì)，計(jì)算模型按黨育，杜永峰《基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工指南》[2]第3章4節(jié)、5節(jié)分析。

5.2 隔震計(jì)算

17#作為丙類建筑，采用LRB900-II、LRB1000-II、LNR900-II類型的隔震支座，依據(jù)抗規(guī)要求橡膠隔震支座在重力荷載代表值的豎向壓應(yīng)力應(yīng)控制在15Mpa內(nèi)。隔震支座及阻尼器、抗拉裝置分別見(jiàn)圖1。

圖1 隔震層隔震支座、阻尼器編號(hào)及布置圖

5.3 減震系數(shù)

隔震層以上結(jié)構(gòu)隔震前后計(jì)算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)層間剪力比值的平均值和結(jié)構(gòu)傾覆力矩比值的平均值的最大值為0.232。根據(jù)《抗規(guī)》12.2.2條規(guī)定，處于發(fā)震斷裂帶5km以內(nèi)時(shí)，應(yīng)考慮近場(chǎng)影響系數(shù)1.5，根據(jù)《抗規(guī)》4.1.8條規(guī)定，處于邊坡邊緣等不利地段時(shí)，應(yīng)考慮不利地段對(duì)設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)產(chǎn)生的放大作用，本項(xiàng)目無(wú)邊坡放大，根據(jù)《抗規(guī)》第12.條，確定隔震后水平地震影響系數(shù)最大值αmax1＝1.5*β*αmax/ψ=1.5*0.232*0.32/0.8=0.140。

綜合考慮后，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隔震后水平地震影響系數(shù)最大值為0.17。

隔震層以上抗震措施按降一度（8度）設(shè)計(jì)，與豎向地震有關(guān)的抗震措施（墻軸壓比）不予降低[3]。

5.4 隔震層位移及支墩設(shè)計(jì)

根據(jù)《抗規(guī)》12.2.9條規(guī)定，需要核算罕遇地震下隔震層的位移，隔震層計(jì)算的軸力、剪力用于支墩設(shè)計(jì)。計(jì)算支墩內(nèi)力配筋時(shí)，荷載組合取：1.3（1.0*恒荷＋0.5*活荷）＋1.4*水平地震+0.5*豎向地震力，計(jì)算支墩位移時(shí)，荷載組合：1.0（1.0*恒荷＋0.5*活荷）＋1.0*水平地震。

通過(guò)計(jì)算，隔震層加粘滯阻尼器最大水平位移416*1.15=479mm(考慮邊支座扭轉(zhuǎn)效應(yīng))，同時(shí)按構(gòu)造隔震層最大位移479mm要小于0.55D=495mm及3Tr=498mm中的較小值，滿足要求。

5.5 罕遇地震下支座拉應(yīng)力和壓應(yīng)力

在罕遇地震作用下，考慮荷載組合：①1.0*恒荷+1.0×水平地震－0.5*豎向地震和①1.0*恒荷+1.0*水平地震－0.5×豎向地震，部分支座出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.90Mpa。滿足《抗規(guī)》12.2.4條規(guī)定，隔震橡膠支座拉應(yīng)力不應(yīng)大于1.0Mpa。同時(shí)控制同一時(shí)刻支座受拉個(gè)數(shù)，如T1Y波在12.67S時(shí)刻支座受拉個(gè)數(shù)達(dá)到最大值，共6個(gè)支座受拉，未超過(guò)支座總數(shù)的23%。

罕遇地震作用下壓應(yīng)力應(yīng)考慮如下組合：1.0*恒荷+0.5活荷+1.0×水平地震+0.5×豎向地震和1.0×恒荷+0.5活荷+0.5×水平地震+1.0×豎向地震，計(jì)算的最大壓應(yīng)力為28.56Mpa,小于30Mpa。

5.6 風(fēng)荷載作用下隔震層驗(yàn)算

本結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的產(chǎn)生的總水平力為1449kN，總重力為148120kN，風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的總水平力占結(jié)構(gòu)總重力的0.9%，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》12.1.3條要求[4]。

5.7 下支墩剛度

結(jié)構(gòu)以±0.000m樓板層做為上部結(jié)構(gòu)的崁固端，以下支墩頂作為隔震層以上結(jié)構(gòu)的崁固端。結(jié)構(gòu)±0.000m樓板層以下直接支承隔震層以上結(jié)構(gòu)的相關(guān)結(jié)構(gòu)（上支墩結(jié)構(gòu)）與地面一層樓層側(cè)向剛度比滿足大于2的要求；隔震層以下結(jié)構(gòu)中直接支承隔震層以上結(jié)構(gòu)的的相關(guān)結(jié)構(gòu)（下支墩結(jié)構(gòu)）與上部一層樓層側(cè)向剛度比滿足大于2的要求，（抗規(guī)12.2.9條、6.1.14條、高規(guī)5.3.7條）見(jiàn)表2。

表2 剛度比

經(jīng)驗(yàn)算罕遇地震作用下粘滯阻尼器的出力和位移均滿足廠家參數(shù)要求。罕遇地震作用下抗拉裝置的初始變形和最大出力均滿足廠家參數(shù)要求。

6 結(jié)論

本文對(duì)高烈度地區(qū)建筑在地基基礎(chǔ)及地下室設(shè)計(jì)、隔震層上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、隔震設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了介紹，得出如下結(jié)論：（1）隔震設(shè)計(jì)基礎(chǔ)既要滿足承載力也要滿足規(guī)范對(duì)沉降的要求。（2）地下室頂板作為上部主樓嵌固端時(shí)，要滿足嵌固端上下的剛度比和隔震后嵌固端以上結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防承載力要求，同時(shí)考慮罕遇地震下墻柱豎向構(gòu)件的抗剪承載力要求。合理布置隔震層轉(zhuǎn)換構(gòu)件，轉(zhuǎn)換梁和支墩的抗震等級(jí)要比上部構(gòu)件抗震等級(jí)提高一級(jí)[5]。（3）隔震層要提高整體剛度，隔震層樓板厚度為180mm，局部電梯同周邊樓板板厚為200mm，鋼筋雙層雙向拉通，配筋率不小于0.25%。（4）上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隔震后水平地震影響系數(shù)最大值既要滿足隔震計(jì)算，也要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和當(dāng)?shù)貙?shí)際合理選取。（5）隔震層與阻尼器相連的框架梁、吊住和支墩，均按子結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足罕遇地震作用下極限承載能力的要求。