大底盘单塔楼层间隔震结构地震响应分析

黄 丹 青

(厦门大学嘉庚学院 土木工程学院, 福建 漳州 363105)

大底盘上塔楼结构体系常见于商业综合体建筑，在使用功能多样性上具有优势。但由于上部塔楼较下部底盘体型缩进，结构竖向不规则，不利于抗震设计，容易在塔楼底部因刚度突变而产生较大震害[1-3]。随着隔震技术的发展和成熟，将隔震层设置在上部塔楼或下部底盘下方，可以有效改善因塔楼体型缩进而引起的复杂受力问题，明显降低此类结构的地震响应[4]。与基础隔震技术相比，层间隔震技术构造简单，造价更省，尤其在场地条件特殊或结构体系复杂而不宜采用基础隔震技术时，层间隔震技术可以发挥更好的效果[5-7]。

已有学者对大底盘上塔楼层间隔震结构的减震效果展开理论研究。申春梅[8]建立某9层大底盘单塔楼结构的非隔震及层间隔震模型，通过有限元分析软件SAP2000进行两种模型的地震反应时程分析，研究该大底盘单塔楼层隔结构的减震效果；王蓉蓉[9]建立大底盘单塔楼框架结构的基础隔震模型与层间隔震模型，借助有限元分析软件SAP2000进行动力时程分析，对比抗震模型结果表明，隔震技术可以有效延长结构自振周期，减小结构地震反应；罗辉[10]利用有限元分析软件SAP2000对平面不规则大底盘单塔楼结构的层间隔震模型和基础隔震模型进行罕遇地震作用下的时程反应分析，数值模拟结果表明，相比抗震结构，隔震结构的减震效果明显且经济效益较好；赵桂峰等[11]采用有限元分析软件SAP2000对大底盘多裙房基础隔震结构设置不同层间质量、层间刚度和隔震层刚度，研究参数变化对隔震效果的影响，同时指出，隔震结构顶层加速度、层间位移、底层剪力等地震响应均有显著减小；李清等[12]运用有限元分析软件SAP2000分析大底盘双塔层间隔震结构的抗震性能，对比非隔震结构的结果表明，结构变形主要由隔震层承担，加速度幅值和层间位移等地震响应均大幅减小；吴应雄等[13]对塔楼偏置的大底盘层间隔震结构进行双向振动台模拟试验和PERFORM3D有限元软件分析，地震响应对比结果表明，塔楼减震效果显著而底盘减震效果较差，采用层间隔震技术可以有效降低结构的扭转效应。

本文在上述研究的基础上，设计具有典型工程应用意义的缩尺比例大底盘单塔楼层隔结构模型，采用专业有限元软件ETABS进行结构建模和数值分析，总结该结构模型的地震响应规律，为大底盘单塔楼层隔结构的抗震设计提供一定参考。

1 结构模型概况

1.1 隔震分析模型

设计一个符合大底盘上塔楼结构受力特征、典型、具有工程应用意义的大底盘单塔楼结构模型。采用现浇钢筋混凝土框架结构，柱网尺寸7 m×7 m，框架柱尺寸500 mm×500 mm～700 mm×700 mm，框架梁尺寸300 mm×700 mm～300 mm×800 mm，楼板厚度110 mm；下部2层商用大底盘长方向(X方向)为3跨，短方向(Y方向)为1跨，层高5 m；上部6层办公塔楼双向均为1跨，层高3.5 m；塔楼宽高比为1∶3，与底盘的平面面积比为1∶3。

考虑课题后续将进行模拟振动台试验，需满足台面尺寸和最大有效荷载等要求，取长度相似比1∶7对模型进行缩尺寸简化。简化后的大底盘长方向(X方向)跨距为1 m+1 m+1 m，短方向向(Y方向)跨距为1 m，共2层，层高0.714 m；塔楼每两层简化为一层，共3层，层高1 m。底盘柱与梁采用GB-L80×5横撑角钢，塔楼柱采用GB-L100×8立柱角钢、梁采用GB-L80×5横撑角钢。为了简化振动台试验步骤并使楼板平面刚度足够大，以现浇楼板加配重块方式添加配重量，结构框架质量1.35 t，整个结构模型质量为8.85 t。

在塔楼与底盘间设置隔震层得到层间隔震分析模型，如图1所示。

图1 隔震分析模型(单位:mm)

1.2 隔震支座性能

隔震层采用4个普通叠层无铅芯橡胶支座，有效直径100 mm，有效高度42 mm，剪切模量0.392 MPa，竖向压缩刚度199.8 kN/mm，水平等效刚度0.17 kN/mm。隔震层与隔震支座示意如图2所示。

图2 隔震设计(单位：mm)

1.3 地震动选取

根据《建筑抗震设计规范》[14](GB 50011—2010)，选取天然波El Centro、Taft和人工波Rgbtongan(厦门同安波)，各地震动加速度时程曲线见图3，参数见表1。

表1 地震动参数

图3 地震动加速度时程曲线

地震动持续时间按相似比0.267进行压缩，加速度峰值均有0.2g、0.4g和0.6g三种，进行单向(X向)输入，共有18组工况。

2 数值分析模型

2.1 分析模型建立

利用有限元分析软件ETABS建立上述大底盘塔楼结构的数值分析模型以进行地震响应时程分析，如图4所示。隔震支座通过连接单元Isolator1的线性分析单元进行模拟，框架柱和框架梁通过梁单元进行模拟，楼板假定为刚性并通过壳单元进行模拟。

图4 有限元分析模型

2.2 模型合理性验证

通过数值模型模态分析得到抗震模型(塔楼与底盘间固接)和层间隔震模型的自振周期，同时进行振动台模拟试验，输入白噪声(0.1g)测试两种结构的自振特性。表2为试验与数值分析结果对比，并参考地震动的卓越周期。表中误差为(试验值-数值值)/试验值。

表2 模型结构自振周期与卓越周期

从表2可知：抗震结构的自振周期与各地震动的卓越周期相接近，可引起共振效应；层间隔震结构自振周期延长至抗震模型的3.42倍，避开各地震动卓越周期，减震效果较好；两种结构自振周期的试验与数值误差均在10%以内，表明数值分析模型合理，可进行后续分析。

2.3 隔震参数引入

引入地震反应减震率参数θ[15]比较不同结构的隔震效果，考察楼层加速度和层间位移两个重要指标，定义为：

(1)

式中:θ为减震率;Δi为隔震模型的地震响应;Δ为对应的抗震模型的地震响应。

3 数值分析结果

3.1 加速度响应

图5为抗震模型与层间隔震模型在0.2g、0.4g、0.6g加速度峰值作用下的加速度响应直观对比，表3列出了各个楼层的加速度值及减震率。图表中的楼层“隔”代表层间隔震模型的隔震层。

图5 加速度响应

由图5和表3可知，相比抗震模型，层间隔震模型上部塔楼的加速度响应显著减小，减震率达66.31%～81.45%；相比抗震模型，层间隔震模型下部底盘的加速度响应反而有26.06%～34.23%的放大；层间隔震模型的上部塔楼近似平动，下部底盘为抗震结构，与抗震模型呈现的规律一致，加速度变化幅度随楼层明显增大。

表3 加速度与减震率

3.2 位移响应

图6为抗震模型与层间隔震模型在0.2g、0.4g、0.6g加速度峰值作用下的层间位移响应直观对比，表4列出了各个楼层的层间位移值及减震率。

图6 层间位移响应

由图6和表4可知，相比抗震模型，层间隔震模型上部塔楼的层间位移响应大幅减小，减震率达69.23%～79.81%；相比抗震模型，层间隔震模型下部底盘层间位移响应的减震率仅有2.45%～10.11%，减震效果不显著；抗震模型层间位移的最大值发生在竖向刚度突变层(第4层)，相比之下，层间隔震模型层间位移变化平缓，近似平动。

表4 层间位移与减震率

进一步求得抗震模型与层间隔震模型的层间位移角，对比列于表5。由表5可知，在0.4g加速度峰值地震作用下抗震模型的下部底盘进入弹塑性状态，在0.6g加速度峰值地震作用下其层间位移角最大值为1/270，满足《建筑抗震设计规范》[14](GB 50011—2010)要求，仍处于弹塑性阶段；在0.6g加速度峰值地震作用下层间隔震模型整体仍为弹性状态，减震效果显著。

表5 层间位移角

3.3 层间剪力响应

图7为抗震模型与层间隔震模型在0.2g、0.4g、0.6g加速度峰值作用下的层间剪力响应直观对比，表6列出了各个楼层的层间剪力值及减震率。

由图7和表6可知，相比抗震模型，层间隔震模型上部塔楼层间剪力响应的减震率达69.98%～78.93%，减震效果明显；相比抗震模型，层间隔震模型下部底盘层间剪力响应的减震率为9.00%～16.79%，抗震性能改善不多；层间隔震模型的层间剪力在隔震层处发生突变，上部塔楼变化放缓，近似平动。

图7 层间剪力响应

表6 层间剪力与减震率

4 结 论

本文采用有限元分析软件ETABS对结构模型进行地震响应的动力时程分析，研究大底盘单塔楼层间隔震结构的减震效果，得出如下结论：

(1) 层间隔震体系相比非隔震结构延长自振周期至3.5倍左右，达到减震目标。

(2) 隔震体系上部塔楼的加速度、层间位移和层间剪力响应均有显著减小，达65%～80%以上，减震效果较好。

(3) 隔震体系下部底盘的加速度响应反而有25%～35%左右放大，而层间位移和层间剪力响应有一定的减震效果，但减震效果相比上部结构差。

(4) 层间隔震结构在0.6g加速度峰值地震作用下整体仍然处于弹性状态，安全度较高。