低烈度区超限高层结构的隔震研究

2020-10-23刘辉，李娇

有色金属设计 2020年3期

刘辉，李娇

(1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南昆明 650051；2.云南建投第四公司，云南昆明 650051)

0 引言

隔震技术能显著地减小上部结构的地震作用，大大提高结构的安全性，但是《建筑抗震设计规范》中规定了采用隔震技术时的种种限制条件，极大地限制了隔震技术的推广及应用。文章探讨在低烈度区高宽比超4时的高层结构采用隔震技术的可行性，并通过计算分析验证其可行性。

1 工程概况

该工程抗震设防烈度为7度(0.15 g)，特征周期0.45 s。结构形式为剪力墙结构，地上34层，建筑结构主体高度99.70 m，宽20.28 m，高宽比4.92。见图1。

2 隔震模型建立以及准确性验证

由于ETABS具有强大的非线性分析能力，同时也能较准确地建立模型隔震装置，工程采用ETABS进行计算与分析。本结构模型依据PKPM建模得到。ETABS模型见图2。

为了验证隔震模型的准确性，将有限元模型和PKPM模型计算得到的结构总质量、结构的前3周期和层间剪力3个方面进行对比。表中差值为：(|ETABS-SATWE|/SATWE)×100%。

由表1可知，2种软件模型的质量非常接近，误差在5 %以内。

表1 非隔震结构质量对比

由表2可知，3种软件模型的前三阶阶模态的自振周期也非常接近，误差在5 %以内。由图3可知，2种软件模型的各层剪力非常接近(底层剪力除外)。

表2 非隔震结构周期对比

综上所述，有限元分析模型与原来的结构模型在主要指标上误差较小，可认为采用有限元模型进行结构隔震的计算和分析是可行的。

3 地震动输入

该工程依据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)5.1.2条的规定选取了实际5组三向强震记录的天然时程和2组人工模拟加速度时程，7条时程主方向拟合的反应谱曲线和规范反应谱曲见图4。

根据《抗规》条文说明，当地震波按三向输入时，其加速度最大值按：1(水平1)：0.85(水平2)：0.65(竖向)的比例进行调整。该工程按1(主方向)：0.85(次方向)：0.65(竖向)的系数对加速度峰值进行调整，分别以结构的X、Y向为主方向输入地震波，结构的基底剪力见表3。

表3 非隔震结构基底剪力

单向地震动如下：

R1：2 特征周期0.45s人工波

R2：ACC2特征周期0.45s人工波

T1：NGA_1190CHICHI.CHY019_FN

T2：NGA_1191CHICHI.CHY022_FN

T3：NGA_2990CHICHI05.CHY107_FN

T4：LOMAPHCH090

T5：NGA_1291CHICHI.HWA044_FN

《抗规》规定：在结构主要的周期点上，多组时程波的平均地震影响系数与振型分解反应谱法的地震影响系数曲线相比相差不大于20 %。详细情况见表4～5。

表4 隔震前地震影响系数

表5 隔震后地震影响系数

综上所述，此计算选取的7组地震波符合规范要求。

4 隔震支座布置

4.1 布置方案

(1)根据《建筑抗震设计规范》12.2.3条规定：橡胶隔震支座应设置在结构竖向力较大的位置，总体上满足均匀分散的要求；各个支座的竖向压应力相差不宜过大，重力荷载代表值下的压应力不应超过丙类建筑的限值15 MPa。

(2)在罕遇地震作用下，隔震支座的最大拉应力不应大于1 MPa。该工程中的隔震支座在各种工况下的的最大拉应力为0.56 MPa，见图5。

(3)在罕遇地震作用下，隔震支座的水平位移应小于其有效直径的0.55倍(0.55D=440 mm)，且小于内部橡胶层总厚度3倍(3Tr=447 mm)。罕遇地震下，隔震层中支座的最大位移264 mm，小于规范440 mm的限值要求。

根据《抗规》12.1.3条，风荷载产生的水平荷载宜小于隔震结构总重力的10 %，本工程风荷载的产生的总水平荷载为2 203.5 kN，结构的总重力为244 431.5 kN，满足规范要求；隔震层屈服力与结构在风荷载下产生的水平力的比值为1.8>1.4，满足要求。

4.2 隔震支座压应力验算

各隔震支座在重力荷载代表值下的压应力见图6，由图6可知，各隔震支座均小于15 Mpa的限值，且各隔震支座有足够的安全储备；同时各隔震支座的压应力较均匀，支座布置的较为合理。

4.3 支座水平恢复力特性

为了避免结构在隔震支座屈服前不必要的位移和振动，隔震层必需具备足够的屈服前刚度，将铅芯橡胶支座和天然橡胶支座的水平刚度简化为双线性，隔震层的水平恢复力特性有铅芯橡胶支座和天然橡胶支座共同组成，见图7。隔震层屈服前刚度：K1=19×19.67+4×21.67+4×17.35=529.81 kN/mm；隔震层屈服后刚度：K2=19×1.51+4×1.67+4×1.33=40.69 kN/mm。

5 地震分析

5.1 设防地震分析

5.1.1 基本要求

《叠层橡胶支座隔震技术规程》4.1.3规定：采用隔震技术后，为了使结构各个方向受力均匀，结构在2个方向的相差宜小于较小周期的30 %。由表6可知，采用隔震技术后，结构2个方向的基本周期满足规范要求。

表6 隔震后结构主要周期对比

5.1.2 减震系数

由图8分析得到隔震层以上结构，隔震前后结构层间剪力比值(隔震结构与非隔震结构)和层间倾覆力矩比值(隔震结构与非隔震结构)平均值的最大值为0.455，说明结构采用隔震技术后，隔震层以上结构的地震作用明显减小，结构的安全性显著提高。

5.1.3结构层间位移角

由图9可知，在设防地震作用下，结构采用基础隔震后，隔震层上部结构的地震作用明显减小，楼层位移角远小于规范要求的限值。同时各楼层的层间位移角相差较小，整个隔震层以上结构可近似的看做是一整个刚体的平动，大大减小了地震时上部人员的不适感。

5.2 罕遇地震分析

5.2.1 支座面压

罕遇地震作用下验算隔震支座面压的竖向力采用的荷载组合：1.0×恒荷载+0.5×活荷载+1.0×地震作用，地震作用为：1.0主+0.85次+0.65竖向，见图10。

5.2.2 支座拉应力

罕遇地震下隔震支座验算隔震支座拉应力的竖向力的荷载组合：1.0×恒荷载±1.0×水平地震作用，地震作用组合为：1.0主方向+0.85次方向+0.65竖向地震。见图11～12。

由图10～12可知，罕遇地震作用下，隔震支座的最大压应力均满足规范要求；正向地震作用下，各橡胶隔震支座最大拉应力为0.48 MPa，小于1.0 MPa，出现在1号支座，支座类型为LRB900；橡胶支座负向地震作用下，最大拉应力为0.56 MPa，小于1.0 MPa，出现在1号支座，支座类型为LRB900，满足规范规定1.0 Mpa的限值。

5.2.3结构抗倾覆验算

由于该隔震房屋的高宽比4.92，超过《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)的规定的隔震结构高宽比不宜大于4的要求，所以补充验算了该结构的抗倾覆性。计算倾覆力矩时按罕遇地震作用下的倾覆力矩，计算抗倾覆力矩按上部结构重力代表值计算得来。

该工程的上部结构重力代表值为：259 129 kN，结构X方向宽度为20.28 m，Y方向宽度为：22.38 m，故该结构的抗倾覆力矩为：X方向2 735 189 kN·m，Y方向为2 478 536 kN·m。罕遇地震作用下结构底部的最大倾覆力矩为：X方向1 049 845 kN·m，Y方向为1 037 281 kN·m。则抗倾覆安全系数为：X方向2 735 189/1 049 845=2.60>1.20；Y方向=2 478 536/1 037 281=2.38>1.20，满足要求。