某高层建筑隔震设计及地震响应探析

黄鹏云

(上海天华建筑设计有限公司厦门分公司 福建厦门 361000)

0 引言

高层结构的固有周期普遍较长，固有周期对应的地震影响系数值通常位于地震影响系数曲线的曲线下降段的末端，对高层结构施加隔震技术后，周期虽有延长，但地震影响系数值减小很少，故一般认为高层隔震结构减震效果不明显。但实际高层隔震结构的动力分析结果表明高层隔震结构具有明显的减震效果[8]。曲哲，叶列平等[8]通过线弹性动力时程分析和反应谱法，分析了高层建筑隔震的减震效果。分析结果表明，高层隔震结构减震效果明显，原因主要有两方面：一方面隔震层的设置改变了原高层抗震结构的动力特性，显著降低了高层隔震结构的高阶振型反应，实现了多振型减震；另一方面是在地震作用下隔震层发生了较大的变形，隔震层的阻尼充分发挥了耗能作用，减震效果明显。下文以一实际高层隔震建筑为例，考察高层建筑应用隔震技术后的隔震效果。同时，下文对高层隔震结构设计的流程和隔震层的验算内容进行了详细分析，分析结果供类似工程的隔震设计提供参考。

1 工程概况

图1 建筑三维效果图

该工程位于新疆喀什，是一栋带一层地下室的五塔商住楼。最高的14#塔楼建筑高度为70.9 m。建筑的三维效果图，如图1所示。抗震设防烈度为8度(0.3 g)，设计基本地震加速度0.30 g；设计地震分组：第三组；场地类别：Ⅱ类；场地特征周期：Tg= 0.45 s；50年一遇的基本风压0.5 kN/m2。

2 隔震层位置选择

目前国内应用较多的隔震技术有基础隔震[4,7]和低位层间隔震[2,3,5]。隔震层初步考虑设置在地下室一层柱顶和地下室顶板顶。

隔震支座设置在地下室一层柱顶，根据《抗规》第12.2.9条的规定，地下室柱子应采用隔震结构罕遇地震下隔震层底部的内力，进行承载力验算。地下一层柱子按照悬臂构件设计，承受上部高层传递下来的力，柱子断面难以满足刚度和承载力要求，首层柱子间需设置拉梁来增加整体刚度和减小柱底弯矩。地下室增设拉梁后，净高降低，地下室层高需提高，造价将大幅提高。同时，隔震层设置在地下一层柱顶，需按照整体多塔计算，受力复杂且不合理。

隔震支座设置在地下室顶板，根据《抗规》第12.2.9条的规定，地下室构件按照隔震后设防地震的抗震承载力验算。隔震层设置在地下室顶板时，地下室一层柱子受到的地震力，将远小于隔震支座设置在地下室一层柱顶。地下室的柱子由地下室顶板、梁共同连接，形成的整体刚度将大于仅靠拉梁连接形成的整体刚度，地下室柱子断面可满足刚度和承载力要求。同时，将隔震层设置在地下室顶板，多塔可按照单塔计算，受力简单且合理。

同时，本工程设有人防地下室。当隔震层设置在地下室一层柱顶时，为保证上部结构有足够的变形，地下室外墙需断缝处理，无法形成密闭空间，不符合人防工程规定，故最终隔震层设置在地下室顶板顶。隔震层设置在地下室顶板，多塔可按照单塔计算，受力简单且合理。下文以14#塔楼为例，介绍高层建筑的隔震层的设计方法。

3 隔震层设计

3.1 14号塔楼工程概况

14号塔楼建筑总高度为70.9 m，地上十九层，标准层层高3.6 m，地下一层。标准层平面图如图2所示。14号塔楼上部结构形式为框架剪力墙结构，所在场地抗震设防烈度为8度(0.3 g)，设计基本地震加速度0.30 g；设计地震分组：第三组；场地类别：Ⅱ类；场地特征周期：Tg= 0.45 s；50年一遇的基本风压0.5 kN/m2。

图2 建筑标准层平面

3.2 隔震结构设计流程

14号塔楼的设计流程如图3所示。

图3 隔震结构设计流程示意图

3.3 隔震目标及上部结构构件的确定

建筑应用隔震技术后，地震周期将大大延长。根据《抗规》规定，减震系数小于0.4时，上部结构可按照降低一度设计[1]。为节省工程造价，初步确定14号塔楼的减震目标为减震系数小于0.4，即上部结构按照7度0.15 g进行抗震设计。

利用YJK软件，建立7度0.15 g下的抗震计算模型，通过计算，确定上部结构的构件截面尺寸。将截面确定后的YJK模型导入etabs软件，用etabs自带的Isolator1单元模拟隔震支座，etabs建立的14号塔楼的隔震计算模型如图4所示，隔震模型中地震力按照8度0.3 g输入。

图4 14号塔楼隔震计算模型

3.4 隔震层验算

3.4.1 竖向承载力验算

根据《抗规》[1]12.2.3条规定：丙类建筑，隔震支座在重力荷载代表值的竖向压应力，不应超过15 MPa。

通过计算，初步选用的支座直径为φ700和φ800和φ900三种。高层建筑隔震层受到的风荷载较大，为满足抗风要求，隔震支座暂定全部采用铅芯橡胶隔震支座。隔震层角部和周边的隔震支座受到的上部结构的竖向荷载较小，在罕遇地震下，周边和角部的隔震支座承受较大的地震产生的附加压力和附加拉力，为避免周边隔震支座在大震下发生受拉和受压破坏，周边和角部的隔震支座选用较大的隔震支座。隔震层支座布置简图，如图5所示。隔震支座的压应力值如图6所示，受压为正。从图6看出，隔震支座在重力荷载代表值下的压应力均小于规范允许值。

图5 隔震支座布置简图

图6 隔震支座压力

3.4.2 偏心率验算

国内的规范规程对偏心率未明确给出限值，日本的“规范”则明确规定了隔震层的偏心率不应大于3%[6]。经验算，本工程隔震层的x方向和y方向的偏心率分别为1.5%和2.0%，满足要求。

3.4.3 隔震层抗风承载力验算

为了避免隔震层在风荷载作用下发生屈服，《隔震规程》第4.3.4条规定：隔震结构需进行抗风验算，抗风承载力应满足式(1)要求：

rwVwk≤VRW

(1)

其中rw=1.4，Vwk为风荷载作用下隔震层的水平剪力标准值，VRW为抗风装置的水平承载力设计值。

验算过程如表1所示。从表1可以看出，该工程隔震层的抗风承载力满足要求。

表1 隔震层抗风验算

3.4.4 隔震系数的计算(中震下)

《抗规》12.2.5条规定：水平向减震系数，高层建筑结构，应取隔震与非隔震各层倾覆力矩的最大比值及层间剪力的最大比值的较大值取值。同时根据注1规定，采用时程分析法时，按照设计地震加速度8度0.3g输入进行计算。选用ELcentro、Taft、唐山波1、tar-TARZANA1 、唐山波2、 tar-TARZANA 2、人工波7条波，输入到抗震结构和隔震结构。7条波作用下抗震结构和隔震结构产生的层间，剪力平均值和倾覆力矩平均值如图7～图10所示。其中临界值表示7条地震波在抗震结构的层间剪力或倾覆力矩平均值的0.4倍。

图7 X向的楼层剪力

图8 Y向的楼层剪力

图9 X向的楼层倾覆力矩

图10 Y向的楼层倾覆力矩

从图7～图10可以看出，隔震结构的减震系数小于0.4，上部结构可以实现降一度设计，减震目标达成。

3.4.5 罕遇地震下位移计算

《抗震规范2010版》第12.2.6条规定：隔震支座在罕遇地震下的水平位移，不应超过0.55倍支座直径和3倍内部橡胶总厚度二者的较小值。

本工程采用隔震支座的最小有效直径为700 mm，位移容许值为min(0.55D，3tr)。因此，隔震层最大容许位移为385 mm。隔震结构罕遇地震下隔震层最大位移为242 mm，小于385 mm，满足要求。同时根据《抗规》第12.2.7条规定，两相邻隔震结构，其缝宽取最大水平位移值之和，且不小于400 mm。14号塔楼和13、15号塔楼之间的缝宽均为600 mm，且13号塔楼的最大水平位移为201 mm和198 mm，满足要求。

3.4.6 罕遇地震下抗倾覆验算

为了保证隔震结构在大震下不发生倾覆，《抗规》第12.2.4条第1款规定：橡胶支座在罕遇地震作用下，拉应力不应大于1 MPa，竖向压应力不大于30 MPa。

计算支座受拉时(极小面压)，重力产生的荷载效应有利，荷载组合为：

S=1.0SGE+1.3SEHK

(2)

计算支座受压时(极大面压)，荷载组合为：

S=1.2SGE+1.3SEHK

(3)

隔震支座在罕遇地震下，隔震支座极小面压和极大面压值如图11～图14所示，受压为正。从图11～图14可以看出，支座应力均在规范允许值范围内。

图11 X向地震下极小面压

图12 Y向地震下极小面压

图13 X向地震下极大面压

图14 Y向地震下极小面压

4 结论

(1)14#塔楼的隔震层进行了竖向承载力、偏心率、抗风承载力和抗倾覆验算。验算表明，14#塔楼的隔震层的布置，符合相关规范要求。

(2)时程分析表明，14#塔楼在8度(0.30g)罕遇地震下隔震层的最大水平位移小于规范规定的限值，表明14#塔楼隔震层具备足够的变形能力。在设防地震下减震系数小于0.4，表明14#塔楼应用隔震技术后，隔震效果明显。