高层住宅隔震结构设计

甘昱

摘要：建筑物的抗震减震功能直接关系到建筑物抗击地震的能力和保护人们财产和生命健康的能力。本文结合工程实际，对其建筑隔震结构设计的探析。

关键词：高层住宅；结构设计；隔震

1 工程概况

该工程总建筑面积52275.86m2，其中地上建筑面积38756.85m2，地下建筑面积13519.0 m2，本工程为住宅小区，十四栋住宅合理地布局在地下一层建筑之上；本工程地下室层高4.2m，地面以上6～8层（屋顶带夹层），标准层层高均为3.0m，地面以上总建筑高度21～27m。根据当时实施的建筑抗震设计规范和相关资料，本工程抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为8度（0.2g），多遇地震影响系数αmax=0.16；场地类别为Ⅲ类，场地土类型为中软场地土，设计地震分组为第二组，场地特征周期Tg =0.55s建筑结构安全等级为二级。本文以其中1#栋为例进行说明，1#楼结构标准层及隔震支座布置如图1所示。

2 隔震设计

本工程位于地震高烈度区，并且建筑平面呈不规则布置，结构选型按照传统抗震设计方法和建筑功能的使用要求而采用剪力墙结构，不仅结构刚心和质心相距较远，且结构主要构件的截面尺寸将会很大，墙长和墙厚都需要加大，构件配筋率很高。这样，不仅带来工程造价大幅度提高，建筑使用功能受到限制，而且在可能发生的大震时，主结构构件的弹塑性变形耗能，将导致结构损坏严重。同时，由于建筑平面布置及使用要求限制了消能支撑布置数量及位置，而且外墙不合适布置消能支撑，若采用减震技术，其减震效果将十分不理想。

同时，由于本工程高宽比小于2，上部剪力墙结构刚度较大，考虑到大底盘地下室、建筑平面布置及功能使用要求，以上这些因素为该项目采用隔震技术提供了有利的条件。采用隔震技术后，上部结构的水平向减震系数预期将达到0.45左右，即上部结构至少可按降低1度地震烈度设计，这样在大幅度提高结构抗震安全性的同时，还可获得较好的经济效益。综合多方面的因素，决定在本工程中采用隔震技术进行结构抗震设计。钢筋混凝土现浇梁板全埋式地下室（地库），设计时作为上部结构的嵌固端，上部剪力墙现浇结构落至地下室基础，隔震层设置在地下室顶板处，即隔震层位于上部结构和地下室顶板结构之间。

2.1 隔震结构计算模型及隔震支座布置

隔 震 设 计 主 要 依 据 当 时 实 施 的《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001）和《疊层橡胶垫隔震技术规程》（GECS126：2001）中的有关规定，采用时程分析法进行隔震分析。时程分析采用层间剪切模型，上部结构的恢复力特性采用线弹性模型，隔震层的恢复力特性按修正的双线性模型来模拟（表1）。

隔震支座初步布置（图1），其中橡胶支座共41个，铅芯支座共18个。隔震支座的规格及设计参数如下（表2～3）。根据隔震支座的布置情况，按规范要求得到隔震后的隔震层等效水平刚度以及等效阻尼，如表4所示。

2.2 地震波选取

根据当时实施的《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001）中地震作用和结构抗震验算中的规定，采用时程分析法进行计算时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。分析中选用El-Centro波（南北向）和TAFT波两种自然波，人工波地震动参数依据《建筑结构抗震设计规范》及《地震安全性评价报告》取值。将EL波和TAFT波（加速度峰值取为：多遇70.0cm/s2，罕遇400.0cm/ s2）进行调幅，与人工波的加速度反应谱及规范加速度反应谱比较（图2），结果说明地震波初步选取是比较合适的。

2.3 计算结果分析

Etabs软件具有强大的建模分析功能，可以很好地模拟橡胶支座及结构构件，具有较强的结构隔震时程分析功能。主体结构计算分析时，梁、柱构件采用空间梁柱单元，混凝土楼板采用可同时考虑平面内、平面外刚度的空间板单元，剪力墙采用专门的墙体单元。

合理布置隔震支座，可有效改变结构振动性能，本建筑在隔震前、后三个振型周期如表5。无论隔震前、后，结构的两个方向周期仅相差5%左右，满足《叠层橡胶支座隔震技术规程》4.1.3条“隔震房屋两个方向的基本周期相差不宜超过较小值30%”的规定。隔震前结构的基本周期为0.7915s<1s，风荷载产生的总水平力427.2kN，小于结构总重力的10%，且结构体型基本规则，因此，该建筑可采用隔震技术。

根据结构多遇地震下隔震（Etabs）和非隔震（Etabs）情况下，得到结构在各条地震波作用下的层间剪力及层间剪力比及非隔震（Satwe）情况下的层间剪力。由最大层间剪力比0.234，接近于0.26，根据抗震规范（2010）12.2.5，得到结构的水平向减震系数为0.38，说明前面可降低1度地震烈度的方案是可行的。且每条地震波时程分析计算所得的结构层间剪力均不小于按反应谱法计算结果的65%，每条地震波时程分析计算所得的结构层间剪力平均值不小于按反应谱法计算结果的80%，说明本工程所选择的地震波是合适的，计算结果是可信的。

在两个主轴方向，隔震层以上结构的质心与隔震层刚度中心如表6所示；在罕遇地震情况下，考虑双向地震作用的扭转后，计算得隔震支座的最大水平位移如表7所示，表8列出了房屋各个角点的位移。由表格数据可以看出，各支座均满足位移限制要求，说明隔震支座布置和上部结构设计比较合理。

同时为了检验隔震支座在罕遇地震作用下是否存在轴向拉力，本工程还对隔震层中最边缘位置的支座进行了拉力校核，隔震支座在几条地震波作用下产生的最大轴向拉力值，均小于其重力荷载代表值所引起的轴向压力值，因此，隔震支座在罕遇地震作用下均处于受压的状态，不会产生拉力；在风荷载或罕遇地震情况下，根据隔震层的水平刚度和各支座水平刚度，确定的各支座的剪力均小于橡胶支座的抗剪承载力要求。

3 结语

①Etabs具有强大的建模分析功能，可以较好地对结构进行隔震动力时程分析，结果表明该工程上部结构可按降低1度要求（7度0.15g）进行抗震设计。

②隔震详细分析结果表明，在本工程中采用隔震技术，能使结构在大震作用下仍处于弹性工作状态，使结构具有优越的抗震性能；地震作用减小，不仅可以减小构件截面、减少配筋，降低造价（隔震层虽会增加一部分造价），而且更容易满足建筑布局要求，增加居住舒适度与安全度等优点。