软土地基上某大底盘多塔高层剪力墙结构层间隔震应用

陈国平 庾光忠 周函宇 朱　贺

（株洲时代新材料科技股份有限公司）

软土地基上某大底盘多塔高层剪力墙结构层间隔震应用

陈国平 庾光忠 周函宇 朱贺

（株洲时代新材料科技股份有限公司）

软土地基上某大底盘多塔高层剪力墙结构隔震装置采用普通橡胶支座和粘滞阻尼器的组合装置形式，分别在每个塔楼的首层设置隔震层，分析结果表明，本隔震结构隔震效果良好，地震设防烈度可降低一度，且采用粘滞阻尼器装置能够有效降低隔震层的水平位移。

软土地基；大底盘多塔；组合装置；隔震层；设防烈度

1　引言

隔震结构是指在建筑物上部结构与基础之间设置隔震层，以延长整个结构体系的自振周期、增大阻尼、减小输入上部结构的地震作用，从而大大减小传递到上部结构的地震力和能量，达到预期防震要求。

根据GB50011-2010《建筑抗震设计规范》[1]中12.1.3条文规定：建筑场地宜为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，并应选用稳定性较好的基础类型，因此隔震技术在软土地基上特别是Ⅳ类场地建筑上的应用少之又少，而大底盘多塔高层结构国内暂无相应工程案例。由于软土容易过滤地震波的中、高频成分，且同时会放大低频成分，而普通隔震橡胶支座组成的隔震层刚度较小，隔震层在强地震作用下将发生较大的水平向位移，易导致隔震支座甚至是上部结构的失稳甚至倒塌。近几年，我国的建筑隔震产业发展迅速，建成或在建隔震建筑已达几千栋之多，隔震技术的应用得到了更加广泛的发展且已趋于成熟，针对上述情况采用粘滞阻尼器与普通橡胶支座的组合装置组成的隔震层对软土地基的高层结构的抗震性能具有积极的意义。

本文通过对采用普通橡胶支座和粘滞阻尼器组合装置的软土地基上大底盘多塔高层剪力墙的隔震工程实际案例进行分析，为类似的隔震工程提供相应的技术参考。

2　结构的基本信息

某大底盘多塔高层剪力墙结构为重点设防类建筑，结构设计使用年限50年，抗震设防烈度为8度设计基本加速度为0.2g，大底盘为框剪结构，上部结构为剪力墙结构。大底盘共两层高15.5m，上部共四个塔楼，其中A、C塔楼共19层高55.10m，两个塔楼建筑方案相同；B、D塔楼共13层高37.70m，两个塔楼建筑方案相同；首层层高均为10.05m，2层层高均为5.00m，其余楼层层高均为2.90m。大底盘结构长125.20m，宽101.80m，上部塔楼结构均长28.20m，宽16.80m。结构的三维模型及塔楼号见图1。

图1　结构三维模型及塔楼号

设计地震分组为第二组，基本风压0.55KN/m2，地面粗糙度类别为B类，风荷载体型系数1.3。

3　隔震层和隔震装置的选择

3.1隔震装置的选择

隔震方案采用大底盘层间隔震，新增一层隔震层设置在每栋塔楼的底部。隔震层柱子和剪力墙需进行水平隔断，因此剪力墙结构应设置转换梁并在下部设置支墩柱，拟选用三种不同型号的隔震支座，粘滞阻尼器对称设置于隔震层，取所有隔震支座的顶标高相同。普通橡胶支座和粘滞阻尼器实物图片分别见图2和图3。

3.2隔震装置的选型和布置

图2　普通橡胶支座

图3　粘滞阻尼器

设防烈度为8度（0.2g），软土地基上的高层剪力墙结构如只采用普通隔震橡胶支座组成的常规隔震层，隔震层刚度较小，罕遇地震作用下的隔震支座位移过大易产生失稳破坏；如采用较大直径隔震支座，隔震效果不明显且经济性较差。因此，为了保证建筑隔震效果及经济性，采用合适直径的隔震支座的同时，在隔震层增设粘滞阻尼器，在几乎不增加隔震层的刚度前提下能有效控制隔震层的位移。根据《建筑抗震设计规范》规定，本工程为丙类建筑，保证支座的平均压应力小于15MPa，粘滞阻尼器参数在时程动力分析确定。隔震装置的选型、数量和设计面压见表1。隔震层橡胶支座和粘滞阻尼器的平面布置图见图4，布置方法采用一柱一隔震支座。

图4　隔震层支座和阻尼器平面布置图

表1　隔震支座压应力设计值

4　隔震效果分析

建模分析软件采用三维空间弹塑性有限元设计及分析软件ETABS，上部结构及隔震层采用三维模型，上部梁、柱和楼板只考虑弹性，隔震支座则采用非线性计算模型，有限元三维模型见图1，采用时程分析法计算。本工程共选用了适用于Ⅳ类场地的7条地震波，包括5组实际强震记录（southeasternalaska-90、IMPVALLH-EMO0-00、IMPVALLH-E06-230、宁河天津波地震记录的东西向和南北向，分别简写ALAK90、IEMO00、ILE230、TJEW、TJNS）和2组人工波（简写分别为RGB1、RGB2），进行结构地震反应分析。

输入三个方向地震波进行时程分析，三个方向地震波峰值按水平主方向×1：水平次方向×0.85：竖直方向进行×0.65比例调整输入，将7条地震波作用下结构响应取平均值作为本工程分析结果。

4.1水平向减震系数计算

设防地震作用下的地震波按8度设防地震0.20g调整峰值。对抗震结构与隔震结构分别输入X向、Y向和竖向地震波进行时程动力分析。各个塔楼的层间剪力对比值见表2，建筑在采用隔震以后，下部结构层剪力略有减少，最大层剪力比为0.97；上部结构层间剪力明显减少；A塔/C塔楼：最大剪力比为0.32；B塔/D塔楼：最大剪力比为0.27。各个塔楼层间弯矩对比值见表2，建筑在采用隔震以后，下部结构层弯矩明显较少，最大层倾覆弯矩比为0.72；上部结构层间倾覆弯矩明显减少；A塔/C塔楼：最大倾覆弯矩比为0.38；B塔/D塔楼：最大倾覆弯矩比为0.31。

表2　非隔震与隔震结构层间剪力和层间弯矩比值

图5　 A塔/C塔楼主方向为X向位移角倒数（1/θ）

图6　 A塔/C塔楼主方向为Y向位移角倒数（1/θ）

图7　 B塔/D塔楼主方向为X向位移角倒数（1/θ）

图8　 B塔/D塔楼主方向为Y向位移角倒数（1/θ）

综合上述比值结果，整体结构的水平向减震系数取层间剪力比值和倾覆弯矩比值的最大值0.38，根据《建筑抗震设计规范》[1]中表12.2.5条文规定，结构设计时设防烈度及抗震措施可按降低一度即7度（0.1g）进行设计。

表3　隔震层最大位移校核

表4　罕遇地震下粘滞阻尼器最大出力

4.2层间位移角分析

4.3隔震层最大水平位移校核

根据《建筑抗震设计规范》规定隔震层最大位移应小于支座有效直径的0.55倍和支座内部橡胶总厚度的3倍二者的较小值。由表4可知，满足支座最大容许位移的要求。

5　罕遇地震下阻尼器出力

粘滞阻尼器对称布置于隔震层外围四周，通过粘滞阻尼器的滞回耗能来控制隔震层在罕遇地震下的位移。各个塔楼粘滞阻尼器的最大位移与罕遇大震作用下的隔震层位移相同，见表3，最大出力见表4所示。

6结论

⑴采用普通橡胶支座和粘滞阻尼器的大底盘多塔高层结构的隔震效果良好，能有效控制软土地基上结构的水平位移，防止隔震支座的失稳和破坏。

⑵大底盘多塔高层结构采用隔震技术，上部结构的地震响应大大减小，同时下部大底盘结构的地震响应相应减小，对整个结构的抗震性能和经济性具有积极的意义。

⑶采用粘滞阻尼器控制隔震层的位移，可大大增强隔震上部结构的抗倾覆能力。

⑷罕遇地震作用下，隔震层的最大位移和上部结构层间位移角等各项指标均满足规范要求，上部结构基本处于弹性状态。●

[1]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范（2010年版）[S].

[2]CECS 126:2001，叠层橡胶支座隔震技术规程[S].

[3]JGJ297-2013，建筑消能减震技术规程[S].

[4]JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[5]GB20688.5-2014，橡胶支座第5部分：建筑隔震弹性滑板支座[S].

[6]GB20688.3-2006，橡胶支座第3部分：建筑隔震橡胶支座[S].

[7]GB 50223-2008，建筑抗震设防分类标准[S].

8度罕遇地震作用下（输入加速度峰值为0.4g）。根据《建筑抗震设计规范》12.2.9条文规定，钢筋混凝土框架-抗震墙隔震层以下、地面以上结构罕遇地震作用下层间弹塑性位移角限值为1/200。罕遇地震作用下各塔楼层间位移角倒数见图5～图8，隔震层下部结构最大层间位移角为1/401；上部结构A塔/C塔楼最大层间位移角为1/535；B塔/D塔楼隔震层上部结构最大层间位移角为1/823；均符合规范要求。