高层剪力墙住宅的基础隔震结构设计与讨论

陈涛+秦云

摘 要：某高层剪力墙住宅，拟采用地下室顶板上的基础隔震技术。为掌握高层剪力墙住宅基础隔震结构的地震反应特性，分别对基础隔震结构和非隔震结构模型进行了分析和研究，对各自的周期、层间位移角、扭转位移比、楼层剪力和层间倾覆力矩进行了对比。分析结果表明，采用基础隔震技术后，上部结构的层间剪力沿竖向的分布规律有所改变；对于8度（0.2g）设防地区的18层小高层住宅建筑，采用基础隔震在技术上是可行和合理的。最后，本文结合分析过程及结果，对基础隔震设计中的软件、特定参数的选择等细节问题进行了探讨，可供工程研究和实践参考。

关键词：基础隔震； 橡胶隔震支座； 结构分析

中图分类号：TU318 文献标识码：B

Discussion on design of high-rise shear wall housing base-isolated structures

Chen Tao1 ，Qin Yun2

（ 1. Yunnan university， Kunming； 2. Kunming Architectural Design And Research Institute Co ，Ltd， Kunming650011 ，China ）

Abstract： A high-rise shear wall residential building， it is proposed basement roof base isolation technology. In order to know the characteristic of seismic response for the High-rise shear wall housing base-isolated structures well， the structure model of the base isolated structure and the general structure are be analysed and studied ， then some comparison is be had with their period， story drift， torsional displacement ratio，story shear，Interlayer overturning moment . The analysis of the base isolation technique used in this project shows that： the distribution of the upper shear layer structure have changed； It is feasible and reasonable on technology for a18 floor of small high-rise residential buildings in a earthquake of 8degree（0.2g）； at last， this paper probes into some detail including applying specific parameter ， software in the designing process ，and the conclusion can be used for engineering research and practical reference.

Key words： base Isolation；Rubber isolating ；structural analysis；

1.工程概况：

云南梁河某工程，建筑平面如图1所示。抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度峰值为0.2g，设计地震分组第三组，三类场地，特征周期0.65s。采用剪力墙结构形式，丙类建筑，楼层数19层，建筑结构高度57.1m，宽23.7m，高宽比2.41。

近年来，云南省加大了对减隔震技术的推广和应用，受盈江地震的影响，并考虑建筑市场的需求，上述工程拟采用基础隔震技术。隔震装置能够在一定程度上大大减小结构所受的水平地震作用，已被理论分析和国内外强震记录或震害情况所证实。本文以该剪力墙住宅为例，分别采用ETABS和SETWE基础隔震结构和非隔震结构进行了分析和研究，对周期、层间位移角、扭转位移比、楼层剪力和层间倾覆力矩等进行了对比。

2.隔震结构分析：

本项目的地下室层高为3.9m，在规划用地范围内满铺设置，为保证项目的绿地率指标，需将地下室顶板上无建筑的区域作为绿化用地，此时，规划要求覆土厚度不得少于1.5m。根据上述要求，结合结构需要，将隔震装置置于地下室顶板标高处，考虑转换梁高度和检修空间要求，隔震层层高按2.1m确定。隔震单元抗震缝宽度要满足罕遇地震作用下的位移的1.2倍，本工程与其它非隔震建、构筑物的间距按450mm设计。根据结构特点和工程经验，假设减震系数可使上部结构所受水平地震设计作用标准降低一度，且减震系数不小于0.4，此时对于上部结构可不考虑竖向作用的影响。利用SETWE（2010版）软件，采用反应谱分析方法进行上部结构方案设计，使结构各项技术指标（层间位移、周期比等）完全符合现行规范对A级高度高层建筑结构的要求，初步确定用于隔震装置以上的结构的布置方案。

在EATBS软件中，建立与上述结构完全一致的計算模型，采用时程分析方法进行隔震结构分析。根据拟建场地土的设计特征周期，选取7条时程曲线（2条人工波、5条天然波），波谱形状、有效持续时间如图3所示，其中NFN的有效持续时间最短，其值为19.719s；各地震波反应谱与规范反应谱值的对比如图4所示。

在8度（0.20g）基本设防烈度的中震情况下，针对非隔震结构，分别运用反应谱法和时程分析法，计算结构的底部剪力，结果如表1所示。

由表1可见：单条地震波时程分析与振型分解反应谱法得到的结构基底剪力之比在77%～111%之间，7条地震波时程分析基底剪力平均值与反应谱法得到的结构基底剪力之比在94%～97%之间。所选的地震波与设计反应谱具有统计符合性，具有显著的代表性。

在罕遇地震情况下，考虑水平和竖向地震效应影响，采用ETABS软件进行隔震层抗压承载力、最大拉应力和变形验算，合理化所使用的隔震支座布置和相关力学参数，必要时在满足安全的前提下，根据隔震装置的受力要求优化上部结构布置，使结构具有良好的抗扭刚度，保证隔震装置具有足够的抵抗除地震效应以外的水平荷载的刚度和承载力。经优化，最终确定本工程共使用50个橡胶隔震支座，其布置和数量及力学参数分别详图5和表2所示。

结构的隔震前后的周期如表3所示。

由此可见，所选7条地震波的最短有效时长为19.17s，与隔震结构的第一周期的比为6>5，满足《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）（以下简称抗规）[1]的要求，所选地震波是可行且有效的。由表3可知，采用基础隔震技术后，结构的周期大大延长，远离了场地设计特征周期，进而大幅度降低了结构所受的水平地震作用。隔震装置的设置，会影响结构的平动和抗扭刚度，可以推论，由于隔震支座对结构的整体刚度具有极大的影响，若隔震支座的选择和布置不尽合理，即使上部结构抗扭刚度较好，也可能导致隔震结构的抗扭刚度的严重退化，对隔震装置的受力和结构的整体抗震能力产生不利的影响。

3.计算结果分析

由于结构在地震作用下的效应在x和y向有基本相同的规律，不失一般性，为简化计，以下讨论均取x向的情况作分析。

3.1 楼层层间位移角：

在非隔震与隔震结构在多遇地震和设防地震情况下，图6和图7中a）及b）表示上部结构x向在7条地震波作用下的层间位移角，从图中可见，非隔震结构的最大层间位移角出现在第7～12层之间，具体位置可能因地震波而异，在部分地震波的作用下，层间变形曲线在局部有明显的突变；隔震结构的最大层间变形主要集中在隔震层，其值约为上部楼层最大值的250%，上部结构的层间位移角较为均匀，最大层间位移角出现的位置较非隔震结构的有所下移，在各地震波情况下均处在第8和第9层间，其值约为非隔震结构的30%。对比两图，显见在非隔震情况下效应较大的地震波，对于非隔震结构的效应不一定更大；同时，隔震装置的介入，可以弱化地震波不同对结构层间效应的差异，使结构整体表现出更好的均匀性。

3.2 楼层剪力：

在非隔震与隔震结构在多遇地震情况下，图8中a）及b）表示上部结构x向在7条地震波作用下的楼层剪力，从图中可见，非隔震结构的楼层剪力时程曲线，会有明显的突变或反弯，而隔震结构的楼层剪力近似为一条直线，反映出因有隔震装置的介入，上部结构产生的地震力沿高度呈矩形分布。隔震装置的介入，明显地改善了楼层剪力分布的均匀性。中震情况下有相同的规律。

3.3 楼层倾覆力矩：

图9中，a）和b）表示设防地震情况下结构楼层X向倾覆力矩沿高度方向的变化曲线，由图可见，对于非隔震结构相对于前述的层间位移和楼层剪力曲线而言，倾覆力矩沿高度的变化曲线较为均匀光滑，隔震结构倾覆力矩自上而下的增长速度较非隔震结构的要大，表明倾覆力矩对隔震结构的影响较非隔震结构的大。

3.4 水平向减震系数和抗震构造措施的确定：

按照《抗规》12.2.5条，在设防地震作用下，按弹性计算隔震与非隔震各层的层间剪力的最大比值和各层倾覆力矩的最大比值，水平向减震系数β取两者的较大值。本工程经对比得最大水平向减震系数为0.397<0.40，隔震后，上部结构的小震情况下的水平地震作用影响系数最大值为 =0.397×0.16/0.8=0.079，实际设计时取为0.08，相当于7度（0.10g），可见假设降低一度进行设计是合理可行的。剪力墙抗震等级按7度（0.10g）确定为三级，因水平向减震系数小于0.40，按《抗规》12.2.7条规定，隔震后上部结构的除与抵抗竖向地震力作用的相关构造措施，主要为轴压比仍然按8度（0.20g）的要求控制外，其它抗震构造措施均按7度（0.10g）采取。

3.5 罕遇地震作用下隔震支座的承载力和变形限值验算：

规范要求，隔震橡胶支座在罕遇地震的水平和竖向地震同时作用下，拉应力不应大于1.0Mpa。本工程的相关验算结果如表4所示，从表中可见，均满足规范要求。

罕遇地震下，竖向地震作用取0.2倍的重力荷载代表值，隔震支座拉应力满足《抗规》要求。隔震层在满足隔震支座压应力限值（≦15MPa）条件下，最大水平位移269mm，小于0.55D=330mm（D为最小隔震支座直径，本工程采用隔震支座最小直径为600mm），满足《抗规》要求。

3.6 隔震装置的抵抗其它水平力作用的验算：

根据《抗震》12.1.3条，采用隔震的结构风荷载的产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%，本结构总重力为142712kN，满足要求。隔震层必须具备足够的屈服前刚度和屈服承载力，以满足风荷载和微振动的要求。《叠层橡胶支座隔震技术规程》（CECS126：2001）[2]4.3.4条规定，抗风装置应按下式进行验算：

，即 ≤3330.4KN（各铅芯支座的屈服力之和），满足要求。

式中： ——抗风装置的水平承载力设计值。当不单独设抗风装置时，取隔震支座的屈服荷载设计值； ——风荷载分项系數，取1.4； ——风荷载作用下隔震层的水平剪力标准值。

4. 结论：

1） 对与8度（0.20g）地区的18层高层剪力墙住宅结构，采用基础隔震在技术是可行的。

2） 隔震结构设计的关键是确定隔震装置的布置方式及隔震支座的参数；隔震支座的应具有合理的水平向抗侧刚度、必要的竖向承载力，隔震支座的布置应使其在罕遇地震作用下的拉应力较低并控制在许可范围内。

3） 隔震装置的介入，可以是结构所受的地震效应沿竖向更为均匀，由此可以期望，对隔震层以上结构的规则性要求可以适当降低。

4） 从力学原理出发，抗扭刚度对于隔震结构依然较为重要，故结构设计时，仍然需要在一定程度上保证结构的周期比。

5.相关讨论：

1）本工程设计过程中发现，现行规范关于隔震结构的设计细节规定存在部分模糊地方；故在实际工程设计中，应注意计算结果合理性的分析。

2）现行工程设计实践中，利用ETABS等通用软件进行隔震分析，用SETWE软件进行设计出图的方式，存在一定的不协调性，例如：隔震结构上支墩所受剪力，实际上取决于相应隔震支座的抗侧刚度，而采用SETWE进行分析时，该支墩下部是按不动铰接处理的，此时，支墩所受剪力是由支墩本身的抗侧刚度决定的，两种方式计算所得的剪力理论上是不同的，甚至可能有很大差别。无疑，采用带隔震装置的整体结构模型分析和设计才是合理的，在目前阶段存在一定的难度、需采用SETWE接力进行施工图设计的情况下，应根据对应支座的抗侧刚度合理确定上支墩的截面尺寸，而不能在SETWE软件中直接使用上支墩的实际构造尺寸进行受力分析，特别是在采用一柱多垫子设计需要将支墩尺寸加大很多的情况下更是如此。

3）目前的隔震結构分析，无论地震烈度处于哪一阶段，均假设上部结构处于弹性状态，这是不十分合理的，事实上，按设计标准，在中、大震情况下，上部结构会产生弹塑性变形，由此影响到结构的整体性能。上部结构产生弹塑性变形对隔震结构的影响，有待进一步加强研究。

4）在隔震层，对于剪力墙下转换梁的分析，SETWE很多情况下不能给出正确的结果。此时，需采用其它软件进行补充分析和校核，考虑墙梁复合作用及梁下隔震支座实际布置情况对剪力墙局部受力状态的影响。

参考文献

[1]建筑抗震设计规范（GB500-2010）[S].中国建筑工业出版社，2010

[2]叠层橡胶支座隔震技术规程[S].北京：中国工程建设标准化协会，2001

[3]崔京浩、党育、杜永峰等.基础隔震结构设计及施工指南[M].北京：水利水电知识产权出版社，2007

[4]苏经宇、曾德民、田杰.隔震建筑概论[M].北京.冶金工业出版社，2012