高层框架结构层间隔震性能研究

冯子超 兰文改

（华北水利水电大学土木与交通学院，河南 郑州 450045）

0 引言

地震是不可避免的一种自然灾害，地震所造成的人员伤亡和经济损失大多数是源于建筑物倒塌。因此世界各个国家都在研究工程的抗震减灾技术，其中建筑隔震技术就是减轻地震灾害的重要技术之一。随着社会的发展，越来越多的高层建筑出现在大众视野，但是随着建筑物楼层的增加，其支座拉应力也会随之出现，这便导致现有技术难以解决高层建筑中的抗震难题。由于框架结构能够抵抗非常大的竖向力和水平力的作用，且具有较高的性价比，故而被广泛应用于高层建筑的建设，但是在地震作用下高层建筑所受到的损害更大，所以对框架结构的研究更具有代表性，然而目前大部分的隔震技术主要是基础隔震，对层间隔震的研究及应用相对较为缺乏［1］。因此笔者就层间隔震在高层建筑的应用进行研究，首先运用SAP2000有限元分析软件建立数值模型，根据设防烈度的要求，选取相应的地震波，对不同隔震层的建筑模型进行时程分析，将分析所得到的基本周期、层间剪力以及层间位移与非隔震模型进行对比分析，探究其变化规律。

1 建筑结构隔震设计

1.1 工程概况与数值模型

本工程为一栋地上24 层框架结构的办公楼，无地下室。没有平面与竖向不规则的超限情况发生，每层高度为3 m，则总高度为72 m。建筑物的基本结构布局为：X、Y方向均为5 跨，其中X向为每跨6 m，Y向为每跨4 m。梁的尺寸为700 mm×300 mm，立柱的尺寸为700 mm×700 mm。混凝土强度等级采用C30，纵向受力钢筋采用HRB335，箍筋采用HPB300。外部填充墙及其他构件的自重按均布荷载作用于外部框架梁，其线荷载取20 kN/m。其抗震设计方案的抗震设防烈度为8 度，其设计基本加速度为0.3g，最大高宽比为3.6＜4，场地类别为Ⅱ类场地，设计地震分组为第二组，场地特征周期为0.4 s。根据上述描述的相关模型参数，运用SAP2000 有限元软件建立高层框架的模型，如图1所示，其后续的隔震支座布置都在此模型基础上完成。

图1 三维模型图

1.2 隔震支座选取及布置

在隔震层的设计中，隔震支座的选取和布置方案是一个重要的环节，需要经过多次分析计算才能得出较为合理的方案［2］。根据《建筑抗震设计规范》中的要求，再结合本工程处于地震设防区，且为乙类建筑，所以竖向压应力σ不应超过12 MPa。由此可运用公式A=F/σ计算出隔震支座的直径大小为1 000 mm 和1 200 mm。其隔震支座的布置平面图如图2所示，隔震支座的参数如表1所示。

图2 隔震支座平面布置图

表1 隔震支座参数表

1.3 地震波的选取

根据规范规定：每条时程曲线计算所得的结构底部剪力均超过振型分解反应谱法计算结果的65%，3 条时程曲线计算所得的结构底部剪力平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%［3］。依据上述规定，需要对所选取的地震波TRI_TREASURE ISLAND_90（TRI90）、TRI_ TREASURE ISLAND_00（TRI00）、人工波（REN）进行验算。通过SAP2000运用时程分析法和振型分解反应谱法对三条地震波下的基底剪力进行计算，其结果如表2 所示，由表2中数据可知基底剪力均满足规范要求。

表2 地震波下基底剪力的验算

2 隔震结构与非隔震结构下的时程分析

2.1 基本周期对比

由于本工程结构是规则结构，故选取前5 阶振型进行对比分析。为研究不同隔震层对结构抗震性能的影响，于是在1～24 层中的不同楼层设置隔震层，得到5 种隔震方案进行模态分析。最终得到的周期数据如图3 所示。根据图3 中数据可以看出，各种方案隔震结构的基本周期都要比非隔震结构的周期长，其中隔震层在基础位置时，出现拐点，周期最长，随着隔震层的上移，基本周期也在随之缩短，最终在隔震层接近顶层时，22 层隔震结构的基本周期与非隔震结构的基本周期非常相近。

图3 建筑结构基本周期对比图

对比结果显示：设置隔震层可以增加结构的基本周期，减小地震作用；其中基础隔震的隔震效果最好，随着隔震层高度的增加，隔震效果逐渐降低。

2.2 层间位移对比

为避免结构在地震作用下产生的位移过大而影响到结构的安全性能，故需要对结构在发生地震时产生的位移情况进行研究［4］，本研究对不同隔震层结构下的层间位移情况进行了整理分析，如图3所示。

根据图4 中层间位移的对比可以表明：①非隔震结构和隔震结构的层间位移随着楼层的增加逐渐增大；②隔震结构的层间位移普遍比非隔震结构的层间位移小，说明加入隔震支座后结构具有明显的减震效果，其中基础隔震的最大层间位移最小，随着隔震层高度的增加，最大层间位移也逐渐增大，减震效果逐渐减弱；③从图4 中可以看出，在隔震层的位置有明显的突起点，这是因为在隔震层的位置水平刚度会相对较小。

图4 TRI00地震波下的层间位移对比

2.3 层间剪力对比

《建筑抗震设计规范》中规定隔震结构应进行大震下的时程分析，因此本研究对非隔震结构以及不同隔震层的隔震结构进行大震下的时程分析，分析结果如表3 所示，表中数据显示在非隔震结构的底层最大剪力的平均值约为68 000 kN，而基础隔震结构的底层最大剪力的平均值约为31 000 kN，减震率达到了54.04%，说明基础隔震的减震效果明显。随着隔震层高度的增加，隔震结构的底层最大剪力随之增大，其中在22 层隔震结构的底层最大剪力的平均值约为66 000 kN，减震率仅为3.22%，说明隔震层越高，减震效果越差。

表3 不同结构类型的最大剪力值

为避免建筑结构在3条地震波作用下计算结果离散较大，笔者对3 条波下的最大剪力分析结果进行对比，不同结构体系下3 条地震波层间剪力计算结果对比情况如图5所示。图5表明在基础隔震结构时，最大剪力值出现最低点，显示出在隔震层位于基础时，隔震效果最为显著；而非隔震结构和22 层隔震结构的最大剪力值几乎出现在同一水平线上，表明隔震层在结构顶部时，隔震效果最为微弱。

图5 不同结构类型的最大剪力对比图

3 结论

隔震技术在实际的抗震结构中运用越来越广泛，但是随着高层建筑逐渐增加，隔震技术还能不能起到显著的效果，需要大量的研究来证明［5］。本研究针对高层框架结构的隔震分析，得到以下结论。

①高层层间隔震结构与非隔震结构相比，前三阶基本周期值增大。其中基础隔震结构的基本周期增幅最大，增加了40.4%，而随着隔震层高度的上升，其基本周期的增幅在逐渐变小，当达到22 层隔震结构时，只增加了5.21%。

②与非隔震结构相比，隔震结构的层间位移减小。当隔震层位于基础时，层间位移减小了46.49%；当隔震层位于12 层时，层间位移减小了27.08%；当隔震层位于22 层时，层间位移减小了8.36%。由此可得，随着隔震层的上移，减震效果逐渐变差。层间最大剪力与层间位移的变化规律相似，在罕遇地震下减震效果与常遇地震相似。