高層隔震結(jié)構(gòu)減震機(jī)理和設(shè)計(jì)分析★

尤文貴，張俊騰

(福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 福州 350119)

我國(guó)地處世界兩大地震帶之間,自2008年汶川地震以來接連發(fā)生多起地震,說明我國(guó)進(jìn)入了地震活躍時(shí)期。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)經(jīng)歷了剛性設(shè)計(jì)、柔性設(shè)計(jì)和延性設(shè)計(jì)階段[1]。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)理念[2]主要是通過提高建筑的強(qiáng)度、剛度和延性來抵抗地震作用的破壞。這樣的抗震設(shè)計(jì)理念存在一個(gè)重要的問題:為了抵抗地震破壞而采取提高建筑的強(qiáng)度和剛度往往需要加大構(gòu)件材料的用量,增大建筑結(jié)構(gòu)的重量,這將導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)遭受的地震作用同步增加。因此,傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)理念需要進(jìn)一步的優(yōu)化。在此背景下,隔震設(shè)計(jì)理念[3]孕育而生。隔震結(jié)構(gòu)[4-5]采用在層間設(shè)置隔震支座,在小震作用下由于隔震支座具有較大的剛度使得上部結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生明顯的水平變形,在中大震作用下隔震支座具有較大的變形能力使得上部結(jié)構(gòu)的自振周期得以明顯的延長(zhǎng)從而減少地震作用。2021年新修訂的《建筑抗震管理?xiàng)l例》第十六條規(guī)定:位于高烈度的設(shè)防地區(qū)的乙類建筑應(yīng)采用減隔震技術(shù),鼓勵(lì)除前款規(guī)定以外的建設(shè)工程減隔震技術(shù)以提高建筑的抗震性能。今后我國(guó)的隔震結(jié)構(gòu)的應(yīng)用必將越來越廣泛。本文以福州某辦公樓隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為研究對(duì)象,詳細(xì)介紹滿足現(xiàn)有規(guī)范的設(shè)計(jì)目標(biāo)和地震波的選取方法,分析隔震與非隔震兩種情況的上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)譜,揭示隔震結(jié)構(gòu)的減震機(jī)理,為設(shè)計(jì)師提供參考。

1 工程概況與設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文采用的工程案例為福州某辦公樓,抗震設(shè)防類別為丙類,地上11層,地下1層,為鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu),底層層高4.5 m,標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.6 m,特征周期Tg=0.4 s,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)地震分組為一組,場(chǎng)地類別為Ⅲ類,如圖1所示。設(shè)計(jì)基本加速度為0.15g,場(chǎng)地周邊10 km內(nèi)無發(fā)震烈斷裂帶不計(jì)入近場(chǎng)影響。采用有限元軟件YJK試算后,再根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[6]和建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[7],結(jié)構(gòu)寬高比小于4,風(fēng)荷載和其他非地震作用下的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值未超過重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值的10%,可以采用隔震結(jié)構(gòu),隔震支座設(shè)置在地下室頂板處。抗震設(shè)防目標(biāo)是“小震不壞、中震可修、大震不倒”,采用隔震設(shè)計(jì)時(shí)的上部結(jié)構(gòu)遭受的水平地震作用的設(shè)防烈度應(yīng)比未采用隔震設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)防烈度至少低半度。即該結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)目標(biāo)是將多遇地震基本加速度時(shí)程曲線最大值由55 cm/s2降至35 cm/s2以下,將設(shè)防地震基本加速度時(shí)程曲線最大值由150 cm/s2降至100 cm/s2以下,如表1所示。

2 地震波的選取

本文采用有限元軟件ETABS分別進(jìn)行未設(shè)置隔震支座與在地下室頂板設(shè)置隔震支座彈性時(shí)程和非線性彈塑性分析。根據(jù)抗震規(guī)范,采用時(shí)程分析法時(shí),應(yīng)按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時(shí)程曲線,其中實(shí)際強(qiáng)震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3。本文選取2條天然波和1條人工波進(jìn)行分析,在頻域中通過傅立葉轉(zhuǎn)換將輸入的地震波和隔震層的加速度時(shí)程轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀俣确磻?yīng)譜。如表2所示,天然波Chi-Chi.Taiwan-04 NO2717和Morgan Hill NO471是從YJK軟件和ETABS地震波數(shù)據(jù)庫(kù)里下載的,其峰值加速度分別為58 cm/s2和63 cm/s2,與設(shè)計(jì)基本加速度為0.15g多遇地震作用下對(duì)應(yīng)的地震加速度時(shí)程曲線最大值相適應(yīng)。如表3所示,天然波Imperial Valley-07 NO200和TH1TG040的峰值加速度分別為149 cm/s2和147 cm/s2,與設(shè)計(jì)基本加速度為0.15g設(shè)防地震作用下對(duì)應(yīng)的地震加速度時(shí)程曲線最大值相適應(yīng)。本工程所處場(chǎng)地為Ⅲ類場(chǎng)地,天然地震波選取時(shí)采用頻譜相適應(yīng)的地震波,如圖2—圖5所示。人工合成波R1和R2采用有限元軟件ETABS根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜合成,如圖6—圖9所示,分別對(duì)已選用的多遇地震和設(shè)防地震的天然波進(jìn)行匹配計(jì)算,兩者的反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜擬合較好,主要周期點(diǎn)上的誤差在20%以內(nèi),滿足規(guī)范要求。

表1 地震加速度時(shí)程曲線最大值 cm/s2

表2 多遇地震波詳細(xì)信息

表3 設(shè)防地震波詳細(xì)信息

3 頻域分析

為了更加直觀地反映隔震結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜特征,選取第1,4,7,10(弱軸X方向平動(dòng))振型對(duì)應(yīng)的第1,2,3,4振型的反應(yīng)譜作為研究對(duì)象。根據(jù)有限元軟件ETABS軟件計(jì)算結(jié)果表明,該工程的第1,4,7,10振型對(duì)應(yīng)的周期分別為1.35 s,0.44 s,0.38 s,0.3 s,振型質(zhì)量參與系數(shù)88.52%,6.11%,3.13%,0.78%。如表4所示,在天然地震波Chi-Chi.Taiwan-04 NO2717下第1,4,7,10振型對(duì)應(yīng)的非隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)譜分別為669.5 mm/s2,1 000.4 mm/s2,776.8 mm/s2,1 121.5 mm/s2,而隔震反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)的地震反應(yīng)譜分別為669.5 mm/s2,1 000.4 mm/s2,776.8 mm/s2,1 121.5 mm/s2,反應(yīng)譜減少量分別為361.8 mm/s2,771.8 mm/s2,558 mm/s2,966.2 mm/s2,高階減少量與一階減少量的比值分別為1,2.13,1.54,2.67。可以看出,在多遇地震作用下各振型的隔震反應(yīng)譜均未超過350 mm/s2的限值。同樣的,如表5所示,在多遇地震波Morgan Hill NO471的作用下,各振型的隔震反應(yīng)譜也均未超過350 mm/s2的限值,各振型的加速度反應(yīng)譜都有大幅度的減少。總體上,高階振型的減少幅度比低階振型的減少幅度要大。表6給出了人工合成波R1(多遇地震)作用下的各振型加速度反應(yīng)譜情況,從表6中可以看出,高階振型的參與度比低階振型的參與度低,反應(yīng)譜減少量總體上高階振型比低階振型反應(yīng)譜減少量要大,這個(gè)規(guī)律與前面選取的2種天然地震波的反應(yīng)譜相同。如表7所示,在天然地震波Imperial Valley-07 NO200(設(shè)防地震)下,高階減少量與一階減少量的比值分別為1,2.15,1.8,2.13。可以看出,在設(shè)防地震作用下各振型的隔震反應(yīng)譜均未超過1 000 mm/s2的限值。從表8,表9可以看出,設(shè)防地震作用下的反應(yīng)譜特征與多遇地震作用下的反應(yīng)譜特征基本上相同。值得注意的是,設(shè)防地震作用下隔震反應(yīng)譜的減少幅度要比多遇地震作用下的反應(yīng)譜的減少幅度大很多。該隔震體系是通過在上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu),即在地下室頂板處設(shè)置隔震支座(消能裝置)以隔離地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞。在地震作用時(shí),結(jié)構(gòu)的變形主要集中在隔震支座處,而上部結(jié)構(gòu)的變形大幅減少。從規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜可以看出,如果結(jié)構(gòu)的自振周期較大,則通過設(shè)置隔震支座以延遲結(jié)構(gòu)的自振周期來減少反應(yīng)譜的效果不佳。即從延遲周期原理[8]的角度來看,對(duì)于高層結(jié)構(gòu)并不適合采用隔震結(jié)構(gòu)。但經(jīng)過本文的分析試驗(yàn)結(jié)果表明,在高層結(jié)構(gòu)的底部設(shè)置隔震支座的隔震效果顯著。因此,可以采用濾波原理[9-10]來解釋高層隔震原理:地震波能量通過隔震支座后其波峰減少,地震能量被過濾而衰減。

表4 天然地震波Chi-Chi.Taiwan-04 NO2717作用下各振型加速度反應(yīng)譜對(duì)比

表5 天然地震波MorganHill NO471 作用下各振型加速度反應(yīng)譜對(duì)比

表6 人工合成波R1作用下各振型加速度反應(yīng)譜對(duì)比

表7 天然地震波ImperialValley-07 NO200作用下各振型加速度反應(yīng)譜對(duì)比

表8 天然地震波TH1TG040下各振型加速度反應(yīng)譜對(duì)比

表9 人工合成波R2作用下各振型加速度反應(yīng)譜對(duì)比

4 結(jié)論

本文對(duì)高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析,給出了設(shè)計(jì)目標(biāo)的確定、地震波的選取方法和減震機(jī)理,得出了如下結(jié)論:

1)采用隔震設(shè)計(jì)時(shí)上部結(jié)構(gòu)遭受的水平地震作用比未采用隔震設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)防烈度至少低半度很容易就能實(shí)現(xiàn),高層結(jié)構(gòu)特別是高烈度區(qū)要實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)采用隔震設(shè)計(jì)是最優(yōu)途徑。

2)高層結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)時(shí)采用天然地震波和人工合成地震波可通過觀察地震波的時(shí)程曲線圖的主要周期點(diǎn)和最大加速度值并對(duì)比反應(yīng)譜與規(guī)范譜的擬合度,來判斷其與建筑場(chǎng)地是否相適應(yīng)。

3)高層結(jié)構(gòu)在底部設(shè)置隔震支座能夠顯著改善上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)譜,其減震機(jī)理并不是延遲周期而是濾波原理。