双塔高层建筑基础及顶部连廊隔震结构设计*

刘大路 周立超 潘文 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)

*基金项目：云南省教育厅基金项目(2020J0061)。

0 引言

某大底盘双塔高层建筑位于高烈度地区，左右两侧为8层主体结构，中间部分为一层大底盘，结构顶层存在连通两侧主楼的连廊，高度5.7 m，地震发生时，空中连廊与塔楼连接部位受力复杂会造成塔楼刚度突变，若不采取有效措施，结构很容易破坏。根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，该结构在X方向偶然偏心规定水平力作用下最大层间位移与平均层间位移比为1.24(位于3层1号塔楼)，大于规定的1.2限值，应考虑扭转不规则；同时双塔结构应考虑尺寸突变，故该结构属于一般不规则结构[1]。针对上述问题，本文提出采用基础及顶部连廊组合隔震方案，采用ETABS软件建立有限元模型并对其在8度(0.2g)多遇、设防、罕遇地震作用下的地震反应进行了分析。

1 工程概况

本工程地上8层,地下1层，高度45.90 m，建筑面积17 337 m2，采用框架剪力墙结构。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)及《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)，本工程所属区域抗震设防烈度为8度，主体结构框架、剪力墙抗震等级分别为二级和一级，设计基本地震加速度0.2g，设计地震分组为第三组，建筑场地为III类，场地特征周期0.65 s，水平地震影响系数最大值为0.16，属于重点设防类，乙类建筑[2-3]。结构三维模型图见图1。

图1 结构三维模型

2 隔震设计及分析

2.1 隔震措施

本文提出基础及顶部连廊组合隔震方案进行隔震设计。对两侧主体与大底盘采取整体隔震，有利于两侧主体的变形协调能力，避免大底盘与主楼相接位置有较大的隔震沟。为减小连廊对两侧主楼的不利影响，在与主楼相接位置设置摩擦摆支座，FPS自带限复位装置以防止坠落；为避免连廊与主体的碰撞，设置350 mm缝宽。结构顶部连廊采用钢桁架结构，上下弦杆采用H型钢，其余构件采用箱型截面。

2.2 隔震支座布置方案

结合本工程实例，基础选用橡胶隔震支座，在抉择隔震支座直径、个数和布置时，主要考虑以下因素：①橡胶隔震支座在重力荷载代表值下的竖向压应力不应大于12 MPa；②橡胶隔震支座在罕遇地震水平和竖向同时作用下，其拉应力不应大于1 MPa；③橡胶隔震支座在罕遇地震作用下的极限水平位移应小于其0.55倍有效直径和支座橡胶层总厚度3倍二者的较小值[4]。

综合考虑，基础拟采用80个支座，104个隔震垫，考虑到隔震层抗扭转效应，将LRB对称布置在隔震层外围，如图2所示。结构顶部采用8个摩擦摆支座(FPS3000)对称布置在两个连廊连接处，如图3、图4所示。各类型支座数量及力学性能详见表1。

图2 隔震支座布置

图3 连廊结构平面(单位：mm)

图4 摩擦摆支座布置

2.3 周期对比

EATBS非隔震、隔震模型周期对比结果如表2所示，采用隔震技术后，结构周期明显延长，且满足《叠层橡胶支座隔震技术规程》(简称《技术规程》)中隔震房屋两个方向的基本周期相差不宜超过较小值30%的要求[5]。

表1 隔震支座力学性能

表2 结构周期对比

2.4 时程分析2.4.1 地震波及模拟单元选取

依据《建筑抗震设计规范》5.1.2条，采用时程分析法时，应根据地震分组和场地类别情况选取地震波。其中天然波不应小于总数2/3，且平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线应在统计意义上相符。本工程选取了实际5条天然波和2条人工波，其时程信息、曲线见表3、图5，时程反应谱和规范设计反应谱见图6。经计算各时程平均反应谱与规范反应谱较接近，每条时程计算的底部剪力最小占振型分解反应谱法计算结果的86.46%；7条时程的底部剪力平均值与振型分解反应谱法计算的差值在2%左右，均满足选波要求。

模型的LRB、LNR采用单元库中Isolator1进行模拟，FPS采用Isolator2进行模拟。

表3 时程信息

图5 时程曲线

图6 时程反应谱和规范设计反应谱

2.4.2 隔震分析

基于ETABS软件平台分别对1号塔楼、2号塔楼及整体模型共3种模型进行分析，得到7条地震波作用下的结构X、Y向层间剪力比及倾覆弯矩比，并提取其平均值的最大值。如表4所示，隔震前与隔震后上部结构的层间剪力比和倾覆弯矩比均值最大值为0.376。根据橡胶隔震支座剪切性能偏差分类，取φ=0.85；8度设防下αmax=0.16，故隔震后水平地震影响系数最大值为：

amax1=β×amax/φ=0.376×0.16/0.85=0.071其中：β为水平向减震系数；αmax为非隔震水平地震影响系数最大值；φ为调整系数。

综上所述，水平地震影响系数最大值取0.08，上部结构水平地震作用可以按降低1度设计。

表4 3种模型层间剪力比和倾覆弯矩比最大值

2.4.3 结构层间位移角

在8度罕遇地震作用下X、Y方向各楼层层间位移角如图7、图8所示。

图7 X方向层间位移角

图8 Y方向层间位移角

本工程为框架剪力墙结构，依据《建筑抗震设计规范》5.5.5条，弹塑性层间位移角限值为1/100。该结构X、Y方向最大层间位移角均出现在第5层，分别为1/242、1/212，由于顶层局部突出导致Y方向层间位移角出现异常，但仍有足够安全储备。

2.5 隔震层水平位移验算

隔震层的各隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移应小于0.55d=440 mm(本工程采用隔震支座最小直径为800 mm)及3tr=447 mm(本工程采用橡胶隔震支座最小橡胶层总厚度为149 mm)中的较小值。

隔震层水平位移计算采用荷载组合为:1.0×(1.0×恒载+0.5×活载)+1.0×水平地震

=1.0D+0.50L+1.0Fek，算出罕遇地震作用下隔震支座最大水平位移为272 mm，小于440 mm，满足要求。

2.6 基础隔震支座拉应力验算

橡胶隔震支座在罕遇水平和竖向地震同时作用下的拉应力不应大于1.0 MPa。橡胶隔震支座拉应力验算采用的荷载组合为：1.0×恒载±1.0×水平地震-0.5×竖向地震=0.9D-0.05L±1.0Fek，当荷载组合为：0.9D-0.05L+1.0Fek时，最大拉应力为0.60 MPa；当荷载组合为0.9D-0.05L-1.0Fek时，最大拉应力为0.62 MPa，均满足要求。

2.7 补充三向地震动分析(罕遇地震)

(1) 输入说明。由于本结构复杂，有多项不规则，故本节补充了三向地震动作用下的隔震分析。主方向地震波为2.4.1节中使用的地震波，次方向和竖向地震波为其对应时程的垂直方向和竖向地震波。进行罕遇地震分析时输入加速度峰值为400g，次方向和竖向峰值加速度分别取主方向峰值加速度的0.85倍和0.65倍。因此，三向地震动峰值加速度分别为主方向：400g；次方向：340g；竖向方向：260g。

(2) 隔震效果。验算得到隔震层最大水平位移为293 mm，小于0.55D及3tr中的较小值，满足要求。当荷载为1.0Fek时，隔震支座最大拉应力为0.67 MPa；当荷载为-1.0Fek时，隔震支座最大拉应力为0.59 MPa，满足规范中小于1.0 MPa的要求。

提取7条罕遇三向地震波作用下FPS支座位移，如表5所示。该表格对结构顶部连廊抗震缝取值具有指导性意义。

表5 FPS支座位移 mm

3 温度应力分析

该结构最大长度为53.250 m，属于超长结构，温度应力较明显，设计时采取以下针对性技术措施：结构设计时在主楼竖向区域设置温度膨胀带，温度膨胀带宽度为2 000 mm；加强长方向两端抗侧力构件的截面及配筋；加强的最小板厚取120 mm，屋面板筋及山墙内一跨最小配筋率取0.25%，且双层双向拉通设置。在楼层四大角及外墙转角处增设抗裂钢筋；加强长方向框架梁的腰筋，间距按150 mm进行设置。

为了研究混凝土收缩对隔震支座的影响且考虑到高层结构顶部受温度应力影响较大，建立考虑温度应力的隔震模型进行对比分析。根据结构所在地区气温情况，设置合拢时温度15 ℃。温度应力升降温差按15 ℃考虑[6-7]。ETABS对隔震层楼板及部分楼层楼板的±15 ℃温度应力分析如图9、图10所示。

图9 隔震层、顶层升温15 ℃楼板应力分布

图10 隔震层、顶层降温15 ℃楼板应力分布

在升温和降温作用下，支座最大变形为5.76 mm，即使在罕遇地震作用下，支座最大变形也远远小于限值。楼板拉应力最大为0.50 MPa，出现在隔震层范围内，远小于C40混凝土抗拉强度标准值2.39 MPa，满足要求。

4 结论

经过对该大底盘双塔高层顶部连廊结构进行抗震分析，得出以下结论：

(1)采用本文提出的基础及顶部连廊组合隔震方案后，结构周期明显延长，在三向罕遇地震动和温度应力作用下各项指标均满足要求，通过本文方案设计的结构隔震效果显著。

(2)通过对1号塔楼、2号塔楼及整体模型对比分析得到结构在设防地震作用下隔震前、后水平层间剪力比及倾覆弯矩比平均值的最大值为0.376。根据规范得出地震影响系数最大值为0.08，上部结构水平地震作用可以按降低一度设计。

(3)在8度罕遇地震作用下结构最大层间位移角出现在第5层，其值为1/212，只达到限值的47%；最大隔震层位移是272 mm，为限值的61%。有较大的地震安全储备。