隔震支座在高层建筑抗震中的应用研究

白应华， 卢世杰， 孙振笏

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)



隔震支座在高层建筑抗震中的应用研究

白应华， 卢世杰， 孙振笏

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

研究了高层建筑在多遇地震作用下设置隔震支座后的抗震性能。以北方某餐饮大楼为工程案例，采用SAP2000软件建立有限元模型，通过快速非线性分析方法以及动力弹塑性分析，对普通结构和隔震结构的层间位移响应、层间剪力以及倾覆弯矩进行了对比研究。结果表明通过设置隔震支座，该高层建筑的层间位移角都有明显的减小趋势，层间剪力和倾覆弯矩仅为非隔震结构的30%左右，隔震支座显著降低了结构在多遇地震作用下的反应。

隔震支座； 高层建筑； 多遇地震； 动力弹塑性分析

地震造成的死亡人数占各类自然灾害造成的死亡人数总数的一半以上。因此地震灾害可以称得上是自然界中的“灾害之首”[1]。随着我国现代化建设飞速发展，高层建筑的发展日益完善，高层建筑面临的抗震问题也越来越突出。本文对高层建筑结构的隔震技术方面进行了研究，通过合理选择并布置隔震支座，使结构的抗震效果明显提高，也为类似工程提供可参考性建议。

1　工程概况

某餐饮大楼位于北方一线城市，设计使用年限为50年，安全等级为二级，地区抗震设防烈度为8度，建筑抗震设防类别为丙类。该项目由一个塔楼和一个裙楼组成，塔楼共22层，其中地下室2层，共高84.7 m。裙楼地上部分5层，局部6层，分别高23.75 m和33.3 m。本工程基础形式为桩基承台式，设计等级为乙级, 采用后压浆钻孔灌注桩。

整体结构占地面积大，而且裙楼面积远超过塔楼面积，所以基础不均匀沉降和结构抗侧刚度的差异均较大。

本文主要考虑对主体塔楼的隔震分析，整体结构分析模型见图1。

(a)普通结构模型　　　　(b)隔震结构模型图 1　整体结构分析模型

2　有限元计算模型

2.1单元选取

该工程采用现浇砼结构，采用缩减自由度的刚性楼板模拟楼面板，采用梁单元模拟梁和柱，采用壳单元模拟剪力墙。梁柱长度方向尺寸远大于其截面尺寸，因此选择梁单元。考虑到规范中楼板刚度对于中梁刚度放大影响，通过属性修正实现中梁放大。剪力墙结构高度和宽度方向尺寸远大于厚度方向，采用壳单元。考虑剪力墙结构中钢筋层对承载力的提高，采用分层壳单元。对于混凝土材料，选择Mander模型考虑箍筋的影响，模拟约束混凝土。同时SAP2000中还提供了丰富的弹塑性分析单元，如非线性连接单元(NLink)用来模拟结构中的阻尼器和隔震支座等(如Plastic-wen等单元)。

本工程属于高层复杂结构，抗震规范[2]规定对于该类特殊结构的地震响应分析需要考虑连接非线性并进行动力时程分析[3]。本文利用SAP2000中提供的双轴非线性隔震单元模型进行分析。

2.2材料参数

SAP2000中根据各国规范提供了相应的材料用于分析及设计，因此在SAP2000中根据本模型的材料依次进行材料参数的设置。

2.3隔震支座参数及布置

本工程考虑到底部地下室底板刚度足够大，地下室变形足够小，同时存在周围覆土的支撑，(不隔震的后果)因此在地下室顶板进行隔震支座设置[4]，支座位置设置在柱底和墙底，具体尺寸根据在重力荷载作用下各柱底和墙底反力及支座面压力确定。选用隔震支座参数见表1，整体结构隔震支座布置见图2。

表1　隔震支座型号及主要参数

图 2　隔震支座布置图

2.4地震波选取

在已有的地震记录中，需要进行地震记录调幅来满足幅值要求，本文根据抗震设计规范要求，确定地震记录的峰值，见表2。

表2　时程分析时所用地震加速度时程的最大值　cm·s-2

根据上述规定选择三条地震波：EL-Centro波、Kobe波和人工波。EL-Centro波是1940年美国加利福尼亚地区6.7级地震记录，加速度峰值NS方向为341cm/s2；Kobe波是1995年日本Kobe地震记录。同时根据场地烈度要求将所需时程峰值调整至8度罕遇地震峰值400 cm/s2，将一组模型时程峰值调整到多遇地震峰值70 cm/s2作为弹性时程分析对比，地震记录反应谱跟规范反应谱统计意义上相符，选用符合规范要求。波形频谱和规范谱对比见图3。

(a)EL-Centro波

(b)Kobe波

(c)人工波

(d)规范反应谱对比图 3　三条地震波

3　多遇地震下隔震结构反应分析

3.1多遇地震作用下结构位移响应

由于软件中单位换算和时程记录单位存在不一致现象，因此考虑实际选取的地震记录的绝对峰值，在软件中单位设置为N，cm，取目标峰值与绝对峰值的比例系数输入实际地震时程分析工况中。多遇地震层间位移角见表3所示，各地震波下结构层间位移角见图4。

由表3可知，多遇地震层间位移角中可以直观看出普通结构的2-3层层间位移角最大为1/7407<1/6000，根据抗震设计规范对嵌固端的要求可得，该工程隔震支座设置在地下室顶板处，刚度能够保证隔震支座的嵌固要求。

表3　多遇地震层间位移角

(a)不同地震记录下反应谱

(b) 规范谱与平均谱图 4　普通结构与隔震结构层间位移角对比

由图4a可知，加入隔震支座之后，层间位移角都有明显的减小趋势，可知隔震支座的设置不但降低了上部结构的反应，同时能够降低地下室结构的反应，对下部结构以及周围土体具有较好的安全性。

由图4b可知，通过三条地震波的平均时程响应与结构的反应谱响应进行对比发现，尽管单条地震记录的响应与反应谱响应差值较大，但是地震记录平均响应与反应谱响应接近，因此为准确反映不同地震记录下结构的位移响应，采用3条地震记录的平均值，这与IDA分析方法[5](即增量动力分析)的思路具有一致性。

3.2多遇地震作用下结构层间剪力分析

对于建筑结构，反应结构地震响应和影响结构的安全性主要反映在结构的内力上，即柱墙弯矩、剪力和轴力。同样为反映隔震效果，抗震规范对隔震建筑的地震作用计算提出水平向减震系数的概念。水平向减震系数β对多层建筑为按弹性计算所得的隔震与非隔震各层层间剪力的最大比值；对于高层建筑则取层间剪力以及各层倾覆力矩比值的最大值，轴力主要涉及到隔震支座的安全性和整体结构的抗倾覆性。

SAP2000中通过截面切割的方法进行输出楼层剪力，选中需要输出层剪力的抗侧力构件和下节点指定到组，然后通过组定义截面切割。截面切割原理是通过对在切割平面上所有构件的数值积分点进行积分，得到结构的剪力和弯矩，最后求得水平向减震系数β。规范谱和平均谱在多遇地震下楼层剪力见图5，水平向减震系数β见图6。

由图5,三条地震波的统计图可以直观看出，通过在隔震层合理设置隔震支座，隔震结构的层间剪力明显减小，并且隔震支座附近的楼层减震效果最明显，隔震结构层剪力为4000 kN，普通结构则为15 000 kN，层剪力峰值降低80%左右。同时隔震结构层剪力变化明显放缓，不存在局部楼层剪力的严重突变即有效避免结构薄弱层的出现。由图6中可以明显看出，通过设置隔震层，隔震结构的减震系数最大为0.41，说明隔震结构的层间剪力与普通结构的相比降低60%，显示出隔震结构良好的隔震效果。

图5　普通结构与隔震结构层间剪力

图 6　水平向减震系数β

4　结论

本文对一实际复杂超高层长周期建筑进行设计，合理布置隔震支座并进行隔震分析研究,得到如下结论：

1)本高层结构通过合理设置柔性隔震层，有效降低结构的水平刚度，使得变形主要集中在隔震层部位。同时层间位移角都有明显减小的趋势，对下部结构以及周围土体具有较好的安全性。

2)从规范规定的减震系数角度分析，可以得出隔震结构在多遇地震作用下层间剪力和倾覆弯矩仅为非隔震结构的30%左右。有效降低整个结构在地震作用下的反应，因此隔震层上部结构非关键构件抗震措施及设计计算配筋可以按照降低设防烈度1度考虑。

[1]陈运泰. 地震预测——进展、困难与前景[J]. 地震地磁观测与研究,2007,28(2):1-24.

[2]中国人民共和国建设部. GB 50011—2010 建筑抗震设计规范 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]杜东升,王曙光,刘伟庆，等. 高层隔震结构非线性地震响应分析及设计方法研究[J]. 防灾减灾工程学报,2010,30(5):550-557.

[4]中国工程建设标准化协会. CECS126:2001叠层橡胶支座隔震技术规程 [S]. 北京:中国建筑工业出版社,2001.

[5]周颖,吕西林,卜一.增量动力分析法在高层混合结构性能评估中的应用[J].同济大学学报(自然科学版),2010,38(2):183-187,193.

[责任编校： 张岩芳]

Study on Application of Isolation Bearings into Anti-seismic Performance of High-rise Buildings

BAI Yinghua，LU Shijie，SUN Zhenhu

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068,China)

This paper aims to study the anti-seismic performance of high-rise buildings after setting the seismic isolation bearings against the background of the frequent earthquakes. The finite element model of a dining building in northern China is established by SAP 2000, and seismic isolation bearings are arranged in a reasonable way in isolated structure. Under frequent earthquakes, the story drift, inter-laminar shear and overturning moment of isolated structure and non-isolated structure is carried out by using fast nonlinear analysis method and dynamic elasto-plastic analysis method. The result shows that, by setting the seismic isolation bearings, story drift of the high-rise building has significantly decreased, with inter-laminar shear and overturning moment only about 30% of non-isolated structure, reducing the entire structure under frequent earthquake response, reaching a good isolation effect.

seismic isolation bearings；high-rise building；frequent earthquake；dynamic elasto-plastic analysis

2015-07-10

白应华(1975-)， 男， 湖北应城人，湖北工业大学副教授，研究方向为桥梁与结构工程

1003-4684(2016)04-0117-04

375.4

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