高层框剪建筑层间隔震技术研究

2019-08-07中铁十八局集团第五工程有限公司张晨光

中国勘察设计 2019年7期

■ 中铁十八局集团第五工程有限公司张晨光

1.引言

建筑隔震技术是减轻地震灾害的重要手段之一。长期以来，由于高层建筑支座容易出现拉应力等原因，导致技术难以在高层建筑中更深入地推广应用。目前，大部分国家对隔震技术的运用主要集中在建筑物的基础部分，在建筑物的基础和其上结构之间设置隔震层，并且通过隔震层来消耗地震能量，减小地震对结构的破坏，提高建筑结构的安全性[1]-[2]。由于缺少相应的技术支持，隔震技术没有能够在很多不便在基础设置隔震层的复杂的或者不规则的建筑中推广应用。

2.工程抗震技术

2.1 工程概况

图1 工程三维轴测图

某高层结构为22层办公楼，高度为69.2m，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，场地类别为II类型。底部为两层框架大底盘，层高分别为10.5m和5.0m；底盘上托框架剪力墙核心筒结构，层高均为2.9m，风荷载标准值为0.5kN/m2，地面粗糙类别为A类。因受使用功能限制，剪力墙部分不能落地，工程三维轴测图如图1所示。为了解决大底盘与上部结构刚度突变带来的地震力放大问题，减少地震反应需要采取隔震措施。

2.2 抗震技术选择

传统的抗震设计中能量通过大地直接传递给建筑物的基础部分，再传递给建筑物。为应对地震，往往采取加大建筑物的强度、刚度等措施，通过“硬抗”实现抗震目的，而隔震技术从根本上改变了这种思想。建筑隔震是通过各种措施减弱地震对建筑物的影响，建筑基础隔震一般会把隔震层设在基础的顶面，这就把一栋建筑物从上到下分为三个部分：上部结构、隔震层、基础。对于竖向不规则的结构、地理位置特殊的建筑、已有建筑的加固改造等几种常见的建筑结构，采用基础隔震是行不通的，如果将隔震层上移，移动到建筑结构的中间层，对隔震技术的发展、推广是十分有利的[3]。

2.3 层间隔震体系

层间隔震技术的隔震层位于结构中间层，是将隔震层设于建筑上部结构和下部结构之间的一种隔震形式；是在基础隔震的理论上，在大量的工程实践中逐渐发展起来的一种新型隔震结构技术。层间隔震技术解决了结构竖向不规则等情况下基础隔震建筑不便于应用的限制，突破了隔震层只能设置在结构底层的限制，可以根据建筑结构自身的功能、要求和特点灵活布置，推动了隔震技术的发展，使隔震技术多了一个新的发展方向[4]。

图2 隔震层的不同布置位置

层间隔震技术可以根据建筑结构自身的特点，把隔震层设置在以下部位：结构竖向刚度突变部位（图2A）；结构形式突变部位（图2B）；结构一层顶部（图2C）；结构中间层（图2D）；结构顶层（图2E）等。

3.隔震层布置分析

3.1 隔震层的建立

工程采用有限元软件YJK研究，单独建立一个隔震层，这样既可以使隔震层的高度模拟更加接近实际情况，又能在模型调试阶段，方便调换隔震层的位置，而不用改变隔震支座的参数，可以根据需要和实际工程情况，灵活布置隔震支座。工程隔震层布置如图3所示。

图3 全楼模型下的隔震层

3.2 隔震层不同位置隔震效果分析

对于该工程，可以考虑在三个位置布置隔震层：底框部分（筏板顶部，一层顶部）；底框顶部（二层顶部，三层顶部）；中间层（八层顶部，13层顶部，18层顶部）七个位置。在其他参数都不变的情况下，仅仅改变隔震层的位置。这里仅用影响隔震效果好坏最主要的两个指标周期和层间剪力来评价隔震层的抗震效果。对于周期，每次计算取前10阶周期；对于楼层剪力，每次分别计算出各楼层的剪力。

（1）不布置隔震层时的隔震效果

先不考虑隔震，通过计算周期、剪力等，再和隔震措施后的结果进行对比，以此来评价隔震效果。通过计算所得的周期和楼层间的剪力见表1和图4。

表1 不隔震时周期

图4 不采取隔震措施时的楼层剪力曲线图

通过表1和图4可知，不采取隔震措施时建筑物的第一阶和第二阶周期分别为1.25s和 0.93s。楼层剪力顶层分别为84kN和87kN，底层剪力接近20000kN。图4中，楼层剪力从上到下逐层增大，由于底部层为大底盘结构，结构刚度增大，而剪力分配主要是依据刚度大小，刚度大，分配的剪力也较大，因而底部大底盘分到的剪力较多，故剪力在此处突变。

（2）隔震层布置在大底盘隔震效果

将隔震层布置在筏板的顶部和一层顶部，研究隔震效果；把隔震层算作一个自然层，布置了隔震层后，楼层变为23层，周期和楼层间的剪力见表2和图5。

表2 隔震层位于大底盘的周期

由表2可知，采取大底盘隔震时和不采取隔震措施相比，周期均有所延长，但是延长的不多，说明隔震层起到了一定的隔震作用，隔震层位于一层顶部要比位于筏板顶部的隔震效果好。

图5 隔震层布置在大底盘时的楼层剪力曲线图

由图5可知，采取大底盘隔震时和不采取隔震措施相比，楼层剪力一般会有所降低，但是降低幅度不会太大。这说明隔震层起到了一定的隔震作用，隔震层位于一层顶部要比位于筏板顶部的隔震效果好，所得规律基本与周期规律相一致。

（3）隔震层位于大底盘顶部以上楼层时的隔震效果

现将隔震层往上布置，将其布置在大底盘以上楼层中。选择和大底盘比较接近的第二层和第三层，便于和隔震层布置在大底盘位置和更高楼层位置的隔震效果作比较。再将隔震层往上布置，将其布置在第三层、八层顶部、13层顶部和18层顶部，可以得到如下结果（表3）。

表3 隔震层位于大底盘顶部以上时的周期

从表3可知，隔震层位于大底盘以上楼层时周期均要比不隔震时以及隔震层布置在大底盘时有所延长，从周期来说取得了较好的隔震效果。但是隔震层位于三层至第18层顶部时大部分周期逐渐减小，说明楼层越高隔震效果逐次下降。

从图6可知，隔震层以上各楼层剪力要比不隔震时和隔震层布置在大底盘时有所降低，隔震层位于二层、三层剪力大小基本相同。隔震层位于八层至第18层顶部时，各楼层剪力增加从楼层剪力来说，隔震效果不如布置在二层顶部时、三层顶部时的隔震效果好。综上所述，隔震层布置在大底盘和一栋或者多栋塔楼之间时隔震效果最好。对该工程来说，将隔震层布置在二层顶部时隔震效果最好。