高層住宅隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

甘昱

摘要：建筑物的抗震減震功能直接關(guān)系到建筑物抗擊地震的能力和保護(hù)人們財(cái)產(chǎn)和生命健康的能力。本文結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)其建筑隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探析。

關(guān)鍵詞：高層住宅；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；隔震

1 工程概況

該工程總建筑面積52275.86m2，其中地上建筑面積38756.85m2，地下建筑面積13519.0 m2，本工程為住宅小區(qū)，十四棟住宅合理地布局在地下一層建筑之上；本工程地下室層高4.2m，地面以上6～8層（屋頂帶夾層），標(biāo)準(zhǔn)層層高均為3.0m，地面以上總建筑高度21～27m。根據(jù)當(dāng)時(shí)實(shí)施的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和相關(guān)資料，本工程抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為8度（0.2g），多遇地震影響系數(shù)αmax=0.16；場(chǎng)地類別為Ⅲ類，場(chǎng)地土類型為中軟場(chǎng)地土，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地特征周期Tg =0.55s建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。本文以其中1#棟為例進(jìn)行說(shuō)明，1#樓結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層及隔震支座布置如圖1所示。

2 隔震設(shè)計(jì)

本工程位于地震高烈度區(qū)，并且建筑平面呈不規(guī)則布置，結(jié)構(gòu)選型按照傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法和建筑功能的使用要求而采用剪力墻結(jié)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)剛心和質(zhì)心相距較遠(yuǎn)，且結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的截面尺寸將會(huì)很大，墻長(zhǎng)和墻厚都需要加大，構(gòu)件配筋率很高。這樣，不僅帶來(lái)工程造價(jià)大幅度提高，建筑使用功能受到限制，而且在可能發(fā)生的大震時(shí)，主結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈塑性變形耗能，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重。同時(shí)，由于建筑平面布置及使用要求限制了消能支撐布置數(shù)量及位置，而且外墻不合適布置消能支撐，若采用減震技術(shù)，其減震效果將十分不理想。

同時(shí)，由于本工程高寬比小于2，上部剪力墻結(jié)構(gòu)剛度較大，考慮到大底盤地下室、建筑平面布置及功能使用要求，以上這些因素為該項(xiàng)目采用隔震技術(shù)提供了有利的條件。采用隔震技術(shù)后，上部結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)預(yù)期將達(dá)到0.45左右，即上部結(jié)構(gòu)至少可按降低1度地震烈度設(shè)計(jì)，這樣在大幅度提高結(jié)構(gòu)抗震安全性的同時(shí)，還可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。綜合多方面的因素，決定在本工程中采用隔震技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁板全埋式地下室（地庫(kù)），設(shè)計(jì)時(shí)作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，上部剪力墻現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)落至地下室基礎(chǔ)，隔震層設(shè)置在地下室頂板處，即隔震層位于上部結(jié)構(gòu)和地下室頂板結(jié)構(gòu)之間。

2.1 隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及隔震支座布置

隔 震 設(shè) 計(jì) 主 要 依 據(jù) 當(dāng) 時(shí) 實(shí) 施 的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2001）和《疊層橡膠墊隔震技術(shù)規(guī)程》（GECS126：2001）中的有關(guān)規(guī)定，采用時(shí)程分析法進(jìn)行隔震分析。時(shí)程分析采用層間剪切模型，上部結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力特性采用線彈性模型，隔震層的恢復(fù)力特性按修正的雙線性模型來(lái)模擬（表1）。

隔震支座初步布置（圖1），其中橡膠支座共41個(gè)，鉛芯支座共18個(gè)。隔震支座的規(guī)格及設(shè)計(jì)參數(shù)如下（表2～3）。根據(jù)隔震支座的布置情況，按規(guī)范要求得到隔震后的隔震層等效水平剛度以及等效阻尼，如表4所示。

2.2 地震波選取

根據(jù)當(dāng)時(shí)實(shí)施的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2001）中地震作用和結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算中的規(guī)定，采用時(shí)程分析法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用不少于兩組的實(shí)際強(qiáng)震記錄和一組人工模擬的加速度時(shí)程曲線，其平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。分析中選用El-Centro波（南北向）和TAFT波兩種自然波，人工波地震動(dòng)參數(shù)依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》及《地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》取值。將EL波和TAFT波（加速度峰值取為：多遇70.0cm/s2，罕遇400.0cm/ s2）進(jìn)行調(diào)幅，與人工波的加速度反應(yīng)譜及規(guī)范加速度反應(yīng)譜比較（圖2），結(jié)果說(shuō)明地震波初步選取是比較合適的。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

Etabs軟件具有強(qiáng)大的建模分析功能，可以很好地模擬橡膠支座及結(jié)構(gòu)構(gòu)件，具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)隔震時(shí)程分析功能。主體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)，梁、柱構(gòu)件采用空間梁柱單元，混凝土樓板采用可同時(shí)考慮平面內(nèi)、平面外剛度的空間板單元，剪力墻采用專門的墻體單元。

合理布置隔震支座，可有效改變結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能，本建筑在隔震前、后三個(gè)振型周期如表5。無(wú)論隔震前、后，結(jié)構(gòu)的兩個(gè)方向周期僅相差5%左右，滿足《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》4.1.3條“隔震房屋兩個(gè)方向的基本周期相差不宜超過(guò)較小值30%”的規(guī)定。隔震前結(jié)構(gòu)的基本周期為0.7915s<1s，風(fēng)荷載產(chǎn)生的總水平力427.2kN，小于結(jié)構(gòu)總重力的10%，且結(jié)構(gòu)體型基本規(guī)則，因此，該建筑可采用隔震技術(shù)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)多遇地震下隔震（Etabs）和非隔震（Etabs）情況下，得到結(jié)構(gòu)在各條地震波作用下的層間剪力及層間剪力比及非隔震（Satwe）情況下的層間剪力。由最大層間剪力比0.234，接近于0.26，根據(jù)抗震規(guī)范（2010）12.2.5，得到結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)為0.38，說(shuō)明前面可降低1度地震烈度的方案是可行的。且每條地震波時(shí)程分析計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)層間剪力均不小于按反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，每條地震波時(shí)程分析計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)層間剪力平均值不小于按反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，說(shuō)明本工程所選擇的地震波是合適的，計(jì)算結(jié)果是可信的。

在兩個(gè)主軸方向，隔震層以上結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與隔震層剛度中心如表6所示；在罕遇地震情況下，考慮雙向地震作用的扭轉(zhuǎn)后，計(jì)算得隔震支座的最大水平位移如表7所示，表8列出了房屋各個(gè)角點(diǎn)的位移。由表格數(shù)據(jù)可以看出，各支座均滿足位移限制要求，說(shuō)明隔震支座布置和上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理。

同時(shí)為了檢驗(yàn)隔震支座在罕遇地震作用下是否存在軸向拉力，本工程還對(duì)隔震層中最邊緣位置的支座進(jìn)行了拉力校核，隔震支座在幾條地震波作用下產(chǎn)生的最大軸向拉力值，均小于其重力荷載代表值所引起的軸向壓力值，因此，隔震支座在罕遇地震作用下均處于受壓的狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生拉力；在風(fēng)荷載或罕遇地震情況下，根據(jù)隔震層的水平剛度和各支座水平剛度，確定的各支座的剪力均小于橡膠支座的抗剪承載力要求。

3 結(jié)語(yǔ)

①Etabs具有強(qiáng)大的建模分析功能，可以較好地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔震動(dòng)力時(shí)程分析，結(jié)果表明該工程上部結(jié)構(gòu)可按降低1度要求（7度0.15g）進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

②隔震詳細(xì)分析結(jié)果表明，在本工程中采用隔震技術(shù)，能使結(jié)構(gòu)在大震作用下仍處于彈性工作狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的抗震性能；地震作用減小，不僅可以減小構(gòu)件截面、減少配筋，降低造價(jià)（隔震層雖會(huì)增加一部分造價(jià)），而且更容易滿足建筑布局要求，增加居住舒適度與安全度等優(yōu)點(diǎn)。