高烈度区某特别不规则高层框架剪力墙结构基础隔震设计*

吴俊超 周立超 白羽 赖正聪 李永春 张田庆

(1.昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500； 2.云南省建筑工程设计院 昆明 650041； 3.中国建筑第二工程局有限公司 昆明 650501)

0 引言

特别不规则结构是包含多个超出指定参考指标的不规则或某一不规则超出指定参考指标较多的结构[1]。随着科技的发展以及人们对建筑物功能性和安全性要求的提高，特别不规则框剪结构逐渐被运用到实验楼、综合楼、办公楼中。在高烈度区某特别不规则高层框架剪力墙结构中，为了妥善处理好结构的安全可靠性与经济实用性的矛盾，决定采用基础隔震技术。

基础隔震技术是在某一建筑的上部结构和地基间设置隔震层，以减少该建筑隔震层以上的结构受地震反应的影响[2-5]。近些年来,不少国内外的研究人员对不规则结构的基础隔震进行了研究，葛家琪等[6]对不规则的成都博物馆的隔震层进行了抗拉性能的设计和研究；崔文韬[7]就某不规则框剪结构的基础组合隔震的振动进行了研究；马小明等[8]对某8度区不规则塔楼的抗震性能进行了分析；CANCELLARA D等[9]研究了基础隔震多层结构在设计上高度不规则的动力特性；MEHIRKIAN B等[10]研究了磁流变阻尼器半主动概念模糊控制在对非规则隔震基准建筑结构中的应用。

当前，对特别不规则框剪结构的基础隔震设计的研究和分析还比较少。本文对高烈度区某特别不规则高层框剪基础隔震结构进行了设计和研究,阐述了如何使用钢板叠层橡胶隔震支座(LNR、LRB)进行基础隔震结构设计的方法，针对不规则项及结构薄弱部位提出了加强措施。在设防烈度为8度(0.2g)的地震作用下，对该建筑的隔震和非隔震结构进行了的动力时程分析；在罕遇的地震作用下，对隔震结构的层间位移角和隔震支座的水平剪切位移、轴向拉应力、抗风承载力根据规范的要求进行了时程分析验算，旨在为研究特别不规则的结构的基础隔震设计提供参考。

1 工程概况

该建筑为高烈度区某特别不规则高层框剪结构，本建筑共有七层，其中地下有1层，地上有6层，高度为34.5 m，面积为7 952 m2，烈度为8度，设计基本地震的加速度峰值为0.2g，设计地震分组为第3组，3类场地,场地特征周期为0.65 s，属于重点设防类，乙类建筑[11]。图1为该建筑的一层平面图。

图1 一层平面

根据国家住建部2015年67号文，该综合实验楼有4项超限，为特别不规则结构。针对各项不规则项的程度具体分析如下：

1)扭转不规则：该建筑只有少数几层楼超过1.20的位移比限值，其中楼层的最大位移比为1.44。

2)凹凸不规则：本栋建筑的平面凹进的长度为21.6 m，而相应的投影方向的总尺寸为50.6 m。凹进比21.6/50.6=42.7%>30%。

3)楼板局部不连续：本栋建筑第三层开洞面积为830 m2，而该层楼面面积为1 130 m2。开洞面积百分率为73.5%>30%。

4)尺寸突变：该建筑收进后的水平尺寸为17 m，而下部楼层的水平尺寸为45.8 m。竖向收进的百分率为17/45.8=37 .1%<75%。

2 隔震层设计

2.1 隔震设计目标

本项目的抗震目标是将上部结构的水平地震影响达到降低1度的效果，即按7度(0.15g)的要求来设计该建筑水平地震的抗震措施，但与该建筑承受竖向的地震作用相关的抗震措施仍按8度(0.2g)的设计要求来设计[12]。

2.2 隔震层支座选择与布置

叠层橡胶支座具有非常出色的竖直方向的支承力和水平方向的弹性变形能力[13]。该项目的隔震设计采用的是钢板叠层橡胶隔震支座(LNR、LRB)。该建筑的隔震结构的隔震层一共使用了58个隔震支座、71个隔震垫，LRB800、LRB900、LNR800交错布置。根据《叠层橡胶支座隔震技术规程》[14]中对橡胶隔震支座的平均压应力限值的规定，在该建筑的13根大柱下面各布置了2个支座，其余的大柱下各布置了1个支座。该建筑采用的各隔震支座(LNR、LRB)的数量及相关力学性能的参数详见表1，采用的各类型的隔震支座(LNR、LRB)的平面布置见图2。

表1 有铅芯的隔震支座的力学性能参数

图2 隔震支座编号及布置示意

3 上部结构设计

运用ETABS创建该建筑的模型，并对该建筑的隔震及非隔震结构的模型进行动力时程分析，见表2。ETABS模型如图3所示。

表2 地震波信息

图3 结构三维模型

3.1 地震动的输入

根据《建筑抗震设计规范》(以下简称《抗规》)的要求，选定了5条实际强震的记录和2条人工模拟加速度的时程，其反应谱如图4所示。

由图4可以得出，规范的反应谱和各时程的平均反应谱间存在细微的差异。

图4 反应谱

3.2 结构措施

针对高烈度区某特别不规则高层框架剪力墙结构的各不规则及薄弱部位采取的加强措施如下：

(1)对该建筑的各不规则及薄弱部位使用抗震性能设计的方法进行进一步分析和论证。将设防烈度地震的第3性能水准作为该建筑的具体抗震性能目标，针对该建筑的扭转不规则特点，在双向地震的作用下，补充考虑了该建筑的计算模型；针对该建筑的凹凸不规则的特点，在该建筑的楼板平面内，采用满足实际刚度变化的计算模型；针对该建筑的楼板不连续的特点，将大开洞的楼层以及其上下相邻层的板的厚度增厚至150 mm，板筋双层双向拉通设置；针对该建筑的尺寸突变的特点，提高体型收进的部位的上下各2层的周边竖向构件的抗震等级。

(2)设计中将托墙梁抗震等级提高一级，采用将隔震层板增厚为180 mm的加强措施，提高其亢余度。此外，按照设防地震第3性能水准的要求对该建筑的托墙梁进行性能分析。

(3)隔震缝宽度取600 mm。

4 隔震分析计算结果

本文使用ETABS对该建筑进行建模及模态分析，见表3。

表3 隔震前后结构的周期

由表3可以看出，相对于该建筑的非隔震结构，该建筑的隔震结构运用隔震技术后，结构的周期显著变长。

4.1 减震系数分析

根据《抗规》要求，对于高层隔震建筑，应分别计算设防地震作用下结构隔震前后各层的层间剪力及层倾覆力矩的最大比值，取二者的较大值，见表4。

由表4可得，在隔震前后，上部结构最大的层间剪力比平均值为0.373。根据《抗规》第12.2.5条，得到隔震结构的水平地震影响系数的最大值为0.070。分析得该建筑的上部结构计算用的水平地震影响系数的最大值应取0.08。该建筑的上部结构的水平地震作用可以根据降低一度的要求来设计。

表4 设防地震作用下该建筑的隔震前后的层间剪力比、倾覆力矩比

4.2 层间位移角分析

如图5所示，相较于该建筑隔震前的上部结构层间位移角，该建筑隔震后的上部结构层间位移角显著降低。在罕遇地震作用下，该建筑隔震后的上部结构的X、Y向位移角均小于弹塑性位移角限值1/100，满足规范的要求。

(a)X向

4.3 隔震层水平位移计算

在罕遇地震的作用下，该建筑隔震结构的隔震层水平位移计算采取的荷载组合为：1.0(1.0×恒荷载+0.5×活荷载)+1.0×水平地震；其荷载组合为：1.0(1.0D+0.5L)+1.0Fek=1.0D+0.50L+1.0Fek，其中D为恒荷载、L为活荷载、Fek为水平地震。分析得：隔震支座的水平方向的位移最大值为280 mm。根据《叠层橡胶支座隔震技术规程》[14]规定，隔震层中各隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移应满足下列要求：

Umax≤0.55D

(1)

Umax≤3Tr

(2)

式中,Umax为罕遇地震作用下考虑扭转影响时隔震支座最大水平位移；D为隔震支座直径；Tr为隔震支座橡胶层总厚度。经计算得：0.55D= 440 mm，3Tr= 447 mm，故Umax= 280 mm满足规范要求[14]。

4.4 隔震支座拉应力验算

根据《抗规》规定：在罕遇地震的水平和竖向地震同时作用下，隔震橡胶支座的拉应力不应超过1.0 MPa。分析表明，在罕遇地震的作用下，该建筑的隔震结构的隔震支座最大拉应力为0.76 MPa<1.0 MPa，符合规范的要求。

4.5 隔震层的抗风承载力的验算

该建筑的隔震结构的隔震层的风荷载产生的总水平力的标准值为1 066.8 kN。根据《抗规》12.1.3条，采用隔震的结构风荷载产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%。该建筑的总重力为268 130 kN，268 130×10%>1 066.8,满足要求。

5 结论

本文对高烈度区的某特别不规则的高层的框剪基础隔震结构进行了研究,阐述了采用钢板叠层橡胶隔震支座(LNR、LRB)进行基础隔震结构设计的方法，针对不规则项及结构薄弱部位提出了加强措施。在设防烈度为8度(0.2g)的地震作用下，对该建筑的隔震和非隔震结构进行了的动力时程分析；在罕遇地震下，对隔震结构的层间位移角、隔震支座的水平剪切位移、轴向拉应力、抗风承载力进行了时程分析验算。综合分析后，得到以下结论：

1)运用ETABS创建该建筑的非隔震和隔震模型并对模型进行时程分析，得到该建筑的隔震前后的上部结构最大的层间剪力比平均值为0.373。根据《抗规》，确定上部结构计算用的水平地震影响系数的最大值为0.08。该建筑的上部结构的水平地震作用可以根据降低一度的要求来设计。

2)高烈度区某特别不规则高层框架剪力墙结构采用基础隔震技术和针对不规则项及结构薄弱部位提出的加强措施后，该建筑隔震结构的隔震效果比较明显，且在设防及罕遇地震作用下，各指标均符合规范要求，且有较大的地震安全储备。

3)在8度罕遇地震的作用下，该建筑的隔震结构的位移角最大值为1/279，占规范限值的35.8%；其隔震层的最大位移值为280 mm，占规范限值的63.6%，隔震效果非常显著。