高烈度区带厚板转换层建筑的隔震性能分析

2019-09-12王林建阿拉塔李丹管庆松唐均

福建建筑 2019年8期

王林建阿拉塔李丹管庆松唐均

(1.云南省地震工程研究院云南昆明 650000； 2.深圳防灾减灾技术研究院广东深圳 518003；3.云南震安减震科技股份有限公司云南昆明 650000)

0 引言

建筑结构形式在向着体型复杂、功能多样的综合性方向发展[1]。转换层在结构上的概念，主要是指在建筑结构中，能够合理地解决平面的连续性和竖向结构的突变性的结构单元。厚板转换层适用于上、下层结构柱或轴线错开较多、难以用梁直接承托时，通过加大楼板的厚度变成厚板，刚度较大，能够承受上部楼层荷载，并传至下部楼层。由于该转换层下层柱网可灵活布置墙柱等构件，不需要与上部结构对齐[2]。

基础隔震技术是近几十年来抗震防灾工程领域最重大的创新技术，现阶段具有显著的优越性，能使建筑受到的地震作用降低50%～80%，使结构安全性成倍提高，并能保护内部设备，使建筑地震后不丧失使用功能。同时设计得当，在地震高烈度区采用隔震技术，基本不增加造价。特别适用于医院、学校、机场、通信、电力等重要工程建筑物和人员密集场所。基础隔震技术能显著降低结构的自振频率，延长结构周期，减少上部结构的地震响应[3]。

文献[4]分析认为，近年来随机性超烈度地震频发，隔震结构在设计时应能通过预留足够的安全储备来抵御可能发生的超烈度地震，建议验算超烈度地震作用下的抗震性能。文献[5]对隔震建筑下部结构为悬臂柱时的P-Δ效应进行了研究，结果表明：当下部结构采用独立悬臂柱时，计算过程应考虑P-Δ效应的影响。文献[6]对隔震结构震损倒塌进行分析，在偶遇大震下，隔震结构有可能因支座水平位移超过限值，导致结构倒塌。

本文对一栋高烈度区厚板转换层建筑的结构隔震性能进行时程分析，具体分析该结构的地震反应和抗震性能。隔震设计与分析采用国际通用的大型结构有限元分析软件ETABS进行三维建模和动力时程分析，研究该结构方案选择、抗震性能目标要求、结构抵抗罕遇地震的能力、隔震层刚心与上部结构质心的偏心率等方面对结构的影响。研究结果供类似工程参考。

1 工程概况

背景工程位于云南省昆明市，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度峰值为0.20g，设计地震分组第三组，Ⅲ类场地。正负零地面以上结构采用钢筋混凝土剪力墙结构形式，建筑功能主要为多层住宅，属于标准设防类(丙类)建筑。其上部结构在地下室顶板覆土高度范围内有一个3m层高的夹层(兼作为隔震检修层)，地上8层，总面积约6000m2(不含地下室)，结构高度为27m，建筑长宽比2.0，高宽比1.2。由于建筑功能需要，地上、地下结构体系分别为剪力墙结构和框剪结构，地下室-1～-3层需要满足停车位的要求，因此地上、地下轴网差异较大。建筑地上二层平面图和主要剖面图如图1所示。整体结构的计算模型如图2所示，建模中地上8层，加上顶上两层塔楼共10层。

2 结构方案选择及性能目标

2.1 结构方案选择

由于建筑地下车位配比的需要，建筑地上、地下结构体系分别为剪力墙结构和框剪结构，且上下部轴网水平错位和存在扭转夹角，无法满足停车位要求，故采用了厚板转换。为了缓和厚板带来的竖向传力和抗震的不规则性，并满足规范要求和高烈度区抗震性能要求，采用建筑隔震技术非常合适。基此，该建筑隔震设计，采用隔震橡胶支座，上部结构自振周期延长，阻尼增大，输入到上部结构的地震能量减少，可以减少构件断面尺寸，降低含钢量，达到建筑平面布置灵活，建筑功能使用方便，经济合理的目的，且使结构的抗震性能得到显著提高。

按照建筑功能布置，上部结构与地下室顶板覆土高度范围内有一个3m层高的夹层，隔震设计时，利用此夹层作为隔震层。同时加强厚板的详细分析与研究，进行专项抗震审查。

2.2 抗震性能目标要求

该项目采用建筑隔震设计的抗震性能目标，总体为：当遭遇多遇地震影响时，将基本不受损坏和影响使用功能；当遭遇到设防地震影响时，不需修理仍可继续使用；当遭受罕遇地震影响时，将不发生危及生命安全和丧失使用价值的破坏。

2.2.1上部结构

当遭遇到本地区多遇地震影响、设防地震影响和罕遇地震影响时，比同类型一般结构至少有高一度设防烈度的抗震安全储备；隔震层以上结构隔震后按降低一度进行设计，水平抗震措施按7度，与抵抗竖向地震作用有关的抗震措施(轴压比)按8度。

2.2.2隔震层及下部结构

(1)橡胶隔震支座在本地区罕遇地震作用时，不损坏；橡胶隔震支座以下的地下室结构在设防地震作用时，仍处于弹性阶段；橡胶隔震支座支墩、地下室直接支承构件的抗剪承载力在罕遇地震作用时，仍处于弹性阶段。

(2)首层剪力墙满足隔震后中震不屈服；适当调整转换厚板范围，避免厚板周边的凹凸局部应力集中，厚板配筋以有限元应力分析为主，复核抗冲切和面内抗剪承载力，应力较大部位可局部附加配筋或设置暗梁。

2.3 分析方法

采用隔震结构的整体计算模型以时程分析为主，振型分解反应谱法设计上部结构。基于ETABS软件具有方便灵活的建模功能和强大的线性和非线性动力分析功能，连接单元能够准确模拟橡胶隔震支座，该设计使用大型有限元软件ETABS建立隔震与非隔震结构模型，并进行计算与分析。剪力墙剖分单元为1m，普通楼板剖分单元为1m，F800C40剖分单元为0.5m。

3 时程选择

隔震设计采用ETABS NonlinearC软件进行计算；隔震设计采用时程分析法，地震波加速度时程按照《建筑抗震设计规范》[7](简称《抗震规范》)的规定选取，隔震支座类型和直径依据抗震规范和隔震规程[8]确定，隔震支座参数经过第三方检测的检测数据确定，详见下文。

该工程选取适合该工程场地的2条人工波和5条天然波，计算结果取7条时程的平均值计算非隔震结构和隔震结构在地震作用下的地震效应及动力特性。时程曲线如图3所示，计算结果如表1所示。

表1 时程平均反应谱与规范反应谱曲线对比

由表1可知，所选时程满足要求，同时由于采用了隔震技术，延长了主体结构周期，减少了结构的地震作用，结构的第一周期延长了4.49倍，大于3倍，达到了隔震目的。

4 结构隔震性能分析

4.1 橡胶隔震支座布置

该工程共使用了28个隔震支座，其中LRB800(铅芯支座)8个，LNR800(无铅芯支座)3个，LRB900(铅芯支座)13个，LNR900(无铅芯支座)4个。隔震支座力学性能参数如表2所示，隔震支座布置如图4所示。该工程隔震构造参照国家和地方规程及文献[9]进行设计。

图4 隔震支座编号及布置图

表2 隔震支座力学性能参数表

4.2 隔震结构偏心率

隔震结构偏心率是隔震层设计中的一个重要指标，日本和台湾规范明确规定隔震系统的偏心率不宜大于3%[10]。该工程在进行隔震层设计时，也对隔震系统的偏心率进行计算。计算结果为：X方向2.80%，Y方向1.97%，两个方向均小于3%，表明上部质量中心和隔震层刚度中心偏心率不大。

4.3 结构水平向减震系数

由于该工程上部结构布置存在夹角，不同方向上输入的水平地震作用对结构的受力情况有影响，因此从0度、49度、58度不同的输入方向进行时程分析[7]，取计算结果中最大值作为计算结果。在输入7条时程地震波时，隔震结构与非隔震结构的X方向和Y方向各层层间剪力比值的最大值如表3所示。

表3 层间剪力比值

同理计算出隔震结构与非隔震结构各层倾覆力矩最大比值为0.188。根据规范[1]规定，该结构的水平向减震系数取层间剪力比值和层间倾覆力矩比值的较大者即0.265(发生在底层)，故，水平向减震系数为0.265，满足上部结构降一度设计的要求，表明了该工程上部结构按照7度(0.10g)设计是可行的，并保留有一定的安全度。

4.4 罕遇地震下层间位移

罕遇地震下，隔震结构的隔震支座最大位移为324mm，小于0.55D=440mm(D为最小隔震支座直径800mm)及3Tr≥444mm(Tr为最小隔震支座的橡胶层总厚度)中的较小值，满足抗震规范要求[7]。

4.5 罕遇地震下层间位移角

罕遇地震下，隔震结构的层间位移角如表4所示。

由表4 可知，罕遇地震作用下结构最大层间位移角为1/1009(发生在第五层的X向)，明显小于规范规定的弹塑性层间位移角限值1/50，具有良好的抗震性能。

表4 罕遇地震作用下层间位移角

4.6 隔震橡胶支座拉压应力

根据《抗震规范》，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。经计算，在罕遇地震作用下，该工程的隔震支座都没有出现拉应力，因此罕遇地震下该隔震支座拉应力满足抗震规范要求；隔震支座满足同一隔震层内各个橡胶隔震支座的竖向平均应力不应超过丙类建筑的限值15MPa，在大变形的情况下支座的竖向压应力不大于30MPa的规定。经计算，在罕遇地震下该隔震支座压应力满足抗震规范要求。

5 下部结构设计与分析

根据《抗震规范》规定，隔震层的支墩、支柱及相连构件，应满足罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩的承载力要求；隔震层以下的地下室，应满足嵌固刚度比和隔震后设防地震的抗震承载力要求，并满足罕遇地震下的抗剪承载力要求。应验算罕遇地震下隔震层的位移，并将验算得到轴力、剪力用于支墩设计。隔震建筑地基基础的抗震验算和地基处理仍应按本地区抗震设防烈度进行。该工程均按以上规定开展具体的设计。计算和分析结果表明，该设计完全满足《抗震规范》规定标准。