9度区某复杂高层隔震结构设计

吴小宾， 彭志桢， 曹 莉， 韩克良

(中国建筑西南设计研究院有限公司， 成都 610042)

1 工程概况

川投西昌综合医院位于西昌北城新区，建筑面积17.05万m2，地下2层，地上16层，另有1层屋架； 塔楼建筑高度70.5m，为Z字形平面，长度134.4m，单肢宽度23.9m； 裙房地上4层，建筑高度21.3m，为矩形平面，裙房长度193.2m，宽度109.9m； 塔楼与裙房不设置防震缝。本项目建筑效果见图1，典型建筑剖面见图2，结构模型见图3。

图1 建筑效果图

图2 建筑剖面示意图

本工程位于9度区近断层，建筑体型复杂，上部结构竖向及平面不规则，采用基础隔震技术应对结构复杂性，提高结构抗震性能。结构设计基准期和使用年限为50年，基础、框架柱、剪力墙、隔震层构件安全等级一级，结构重要性系数1.1； 其余构件安全等级二级。建筑抗震设防类别为重点设防类，抗震设防烈度为9度，设计地震作用考虑1.5的近场地震增大系数，故设计采用的小震峰值加速度为210cm/s2，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，特征周期Tg为0.45s。基本风压(50年一遇)为0.30kN/m2，进行承载力计算时，取50年重现期基本风压的1.1倍。地基基础设计等级为甲级。结构抗震等级为特一级。

图3 结构模型图

图4 塔楼结构平面图

2.1 上部结构设计

隔震层位于基础顶部，隔震层以上采用框架-剪力墙结构。由于塔楼平面在Y向宽度远小于X向长度，Y向抗侧刚度相对较小，故裙房以上塔楼Y向设置了4榀屈曲约束支撑(BRB)，BRB的平面位置见图4，BRB主要参数见表1。

塔楼剪力墙厚度600mm，裙房剪力墙厚度500mm，因抗震性能需要，部分剪力墙采用钢板混凝土剪力墙，钢板厚度16～40mm。塔楼主要框架柱截面尺寸为1 200×1 200，部分框架柱采用型钢混凝土柱，内含十字形钢骨，钢骨截面尺寸为600×250×30×30； 裙房主要框架柱截面尺寸为800×800～1 200×1 200。主楼框支转换梁截面尺寸为1 400×2 100，内设双钢骨，钢骨截面为H1 600×250×50×50，裙房框支转换梁截面尺寸为1 400×1 700，内设双钢骨，钢骨截面为H1 200×200×50×50，双钢骨间均通过缀板连接。墙柱混凝土强度等级为C60～C40,隔震层支墩和转换梁混凝土强度等级C60，其余梁板混凝土强度等级C30～C35。钢材强度等级Q355B。型钢柱及钢板剪力墙现场照片见图5。

BRB主要参数 表1

2.2 基础与隔震沟挡土墙设计

基础采用整体性能较好的筏板+下柱墩的型式，以稍密～密实卵石为持力层。隔震沟挡土墙为悬臂式挡土墙，挡土高度11.70m； 挡土墙需在罕遇地震作用下保持弹性，设计采用肋板式挡土墙，底部挡土墙厚度为800mm，肋板间距5m，肋板式挡土墙详图见图6，其现场照片见图7。

3 隔震设计

3.1 隔震层布置

基础隔震系统采用组合隔震，由铅芯橡胶支座(LRB)、无铅芯橡胶支座(LNR)、黏滞阻尼器(VFD)和弹性滑板支座(ESB)组成，隔震层布置如图8所示。

隔震层共布置517个隔震支座，共7种类型； 其中LRB1400支座77个，LRB1300支座41个，LRB1100支座123个； LNR1400支座29个，LNR1300支座27个，LNR1100支座205个，ESB600为15个，隔震支座参数见表2。

图5 型钢柱及钢板剪力墙现场照片

图6 肋板式挡土墙详图

图7 肋板式挡土墙现场照片

图8 隔震层布置

图9为隔震支座现场照片。隔震层的屈重比即总屈服力与结构总重力的比值约为2%。

隔震层共设置了80个黏滞阻尼器，其中X向和Y向各40个。黏滞阻尼器采用非线性，最大输出力2 000kN，速度指数0.3，设计允许位移720mm。

隔震支座主要参数 表2

设置黏滞阻尼器可显著减小隔震层水平位移，罕遇地震时程分析下隔震支座最大位移由无黏滞阻尼器时的765mm减小到586.4mm，小于隔震支座位移限值Min(0.55D=605mm,3r=696mm)[1]=605mm，满足抗规[1]要求，其中最小隔震支座LRB1100有效直径D为1.1m,其内部橡胶总厚度r=232mm。而在隔震层平面下部轴设置了刚度相对较小的弹性滑板支座，有助于减小隔震层刚度中心与上部结构质心的偏心； 最终隔震层X向偏心率为0.364%，Y向偏心率为0.241%，均小于3%[2]，满足要求。

3.2 减震系数及减震目标

本工程减震目标为将水平地震作用降低一度； 7条地震波设防地震下的隔震模型与非隔震模型各楼层的层剪力比值的最大值为0.354，隔震模型与非隔震模型各楼层的层倾覆力矩比值的最大值为0.367，最终得到水平向减震系数β为0.367<0.38，满足水平地震作用降低一度计算的要求，但竖向地震及相关构造不降低。

图9 隔震支座现场照片

隔震后上部结构水平地震影响系数最大值αmax1=β×αmax/ψ=0.367×0.32/(0.85-0.05)=0.147≤0.16，其中αmax为非隔震水平地震影响系数最大值，ψ为调整系数； 考虑1.5的近场地震增大系数后，上部结构地震影响系数最大值可取0.147×1.5=0.22，实际取0.24，即按8度(0.3g)地震输入。

3.3 隔震支座极大压应力及极小压应力计算

3.4 隔震层抗风承载力及弹性恢复力验算

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及弹性恢复力要求。

在罕遇地震作用下隔震支座的屈服荷载与风荷载作用下隔震层的水平剪力标准值之比为4.94，大于1.4，满足要求； 其总水平弹性恢复力与总水平摩阻力之比2.18，大于1.2，满足要求。

3.5 隔震层抗倾覆验算

对隔震结构进行设计时，要避免上部结构在地震作用下产生过大的倾覆力矩而使结构发生倾覆破坏。三向罕遇地震作用下结构整体抗倾覆验算结果见表3。由表可知，结构两个方向的抗倾覆力矩与倾覆力矩比值均大于1.2，说明本工程大底盘隔震有较大的抗倾覆能力，结构不会发生倾覆破坏。

罕遇地震作用下隔震层抗倾覆验算 表3

3.6 隔震层温度作用验算

本工程隔震层长约200m,宽约124.3m，设计时考虑了季节性温差下的温度效应。结合隔震层混凝土浇筑成型时间及项目当地气象情况。隔震层考虑室内升温15℃及降温-15℃的等效温差。

隔震层刚度较小，使得结构的底端约束在隔震层大大释放，有利于减小隔震层楼板的温度应力[4]。降温工况下，隔震层中间部分拉应力为1.14～1.78MPa，外围大部分楼板主拉应力为0.73～1.2MPa左右，均小于楼板C35混凝土抗拉强度标准值ftk=2.2MPa。仅中间剪力墙角部及楼板转角处存在应力集中，最大拉应力约2.49 MPa，见图10。

图10 降温工况下隔震层温度应力/MPa

由于隔震层较柔，温度作用使得隔震支座易产生一定的相对变形，且两端边缘处支座变形相对较大，越往中间，支座变形越小[5]。以Y向①轴交～轴的隔震支座为例(①轴交轴支座编号为1，其余支座编号依次从下往上递增)，温度作用下，隔震支座Y向位移如图11所示。可知温度作用下,隔震支座最大位移为8.2mm，仅为支座位移限值605mm的1.3%，变形最大隔震支座位于隔震层左下角的角部1号支座。为减少温度作用对隔震层及隔震支座的影响，隔震层设置间隔不大于40m的温度后浇带。综上所述，本工程温度作用对隔震结构的影响可控。

图11 温度作用下隔震支座Y向位移

4 性能化设计

4.1 性能目标

本工程性能目标为C类[6]，其中层间位移角限值参考抗规[1]确定，各地震水准的具体性能目标见表4。

性能目标 表4

4.2 性能分析

4.2.1 典型耗能构件滞回曲线及能量图

罕遇地震作用下隔震结构的典型能量耗散分布见图12。地震输入隔震结构的能量主要由位移型阻尼器即铅芯橡胶支座、速度型阻尼器即黏滞阻尼器以及结构的阻尼耗能来消耗，而应变能耗能比例十分小； 由统计可知，黏滞阻尼器提供约5%的附加阻尼比，而隔震支座约提供了4.7%的附加阻尼比，上部结构构件进行弹塑性耗能而提供的附加阻尼比仅为0.7%，说明上部结构构件的塑性耗能相对较少。罕遇地震下作用下典型耗能构件滞回曲线见图13。可知，隔震层的黏滞阻尼器及铅芯橡胶支座在罕遇地震下充分发挥耗能作用，而上部结构BRB在下部楼层部分屈服，典型BRB滞回曲线见图13(d)。

图12 结构能量耗散分布

图13 罕遇地震典型耗能构件滞回曲线

4.2.2 层间位移角及位移

罕遇地震下上部结构7条波计算的层间位移角平均值如图14所示。X，Y向的最大层间位移角分别为1/179(8层)，1/184(6层)，均小于层间位移角限值1/111。

图14 罕遇地震下结构层间位移角

罕遇地震下顶层位移时程曲线见图15。相比于弹性时程分析，弹塑性时程分析的位移有所变小，位移也呈收敛趋势。结构顶部最大位移在0.5～1.0m左右。

图15 罕遇地震下顶层位移时程曲线

4.2.3 构件损伤

图16 罕遇地震下隔震层框支转换梁钢材塑性应变图

图17 罕遇地震剪力墙损伤图

图18 罕遇地震作用下框架柱性能水平

5 隔震沟挡土墙计算分析

隔震沟挡土墙直接关系到隔震层变形能否实现，是整个隔震设计的关键部位之一，在遭受罕遇地震影响时，挡土墙应保持弹性工作阶段。

挡土墙抗震设计方法借鉴轨道交通抗震规范[7]中的反应位移法，见图19。以一维土层地震反应计算为基础，认为地下结构在地震时的反应主要取决于周围土层的变形。将土层在地震时产生的最大变形通过地基弹簧以静荷载的形式作用在结构上，以此计算结构反应。

图19 反应位移法抗震计算示意图

地基弹簧是为了考虑结构刚度与土层刚度的不同，定量表示两者相互作用时引入的单元。地基弹簧刚度取值以地基反力系数为依据。对侧壁回填土采用合理的柔性设计，采用粉质黏土或黏土进行侧壁回填，回填土与侧壁接触面采用挤塑板等柔性材料填充。罕遇地震的地震动峰值位移的取值根据轨道交通抗震规范[7]中5.2.4条确定。

图20 挡土墙在罕遇地震作用下内力图

将每个节点处的地基弹簧力作用于挡土墙平面上，基于SAP2000软件分析的挡土墙在罕遇地震下的剪力和弯矩如图20所示。将地震作用下的内力与恒载+活载作用下内力进行组合后用于挡土墙截面设计，保证挡土墙在遭受罕遇地震时保持弹性。

6 结论

(1)高烈度区复杂医疗建筑中使用隔震技术，可提高结构抗震性能，同时又较好地满足建筑功能需求。

(2)本工程的基础隔震采用组合隔震设计，减震系数能控制在0.38以内，满足水平地震作用降低一度计算的要求，竖向地震及相关构造不降低。考虑1.5的近场地震增大系数不变，隔震后上部结构小震计算时的地震影响系数可取0.24。采用隔震后，性能化分析结果表明，结构整体能达到性能目标C级。

(3)对隔震结构，应重视隔震沟挡土墙的设计，确保罕遇地震下挡土墙保持弹性工作阶段，避免影响隔震层运动，保证隔震设计目标的实现。