軟土地基上某大底盤多塔高層剪力墻結(jié)構(gòu)層間隔震應(yīng)用

陳國平 庾光忠 周函宇 朱　賀

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司）

軟土地基上某大底盤多塔高層剪力墻結(jié)構(gòu)層間隔震應(yīng)用

陳國平 庾光忠 周函宇 朱賀

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司）

軟土地基上某大底盤多塔高層剪力墻結(jié)構(gòu)隔震裝置采用普通橡膠支座和粘滯阻尼器的組合裝置形式，分別在每個(gè)塔樓的首層設(shè)置隔震層，分析結(jié)果表明，本隔震結(jié)構(gòu)隔震效果良好，地震設(shè)防烈度可降低一度，且采用粘滯阻尼器裝置能夠有效降低隔震層的水平位移。

軟土地基；大底盤多塔；組合裝置；隔震層；設(shè)防烈度

1　引言

隔震結(jié)構(gòu)是指在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震層，以延長整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的自振周期、增大阻尼、減小輸入上部結(jié)構(gòu)的地震作用，從而大大減小傳遞到上部結(jié)構(gòu)的地震力和能量，達(dá)到預(yù)期防震要求。

根據(jù)GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中12.1.3條文規(guī)定：建筑場地宜為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，并應(yīng)選用穩(wěn)定性較好的基礎(chǔ)類型，因此隔震技術(shù)在軟土地基上特別是Ⅳ類場地建筑上的應(yīng)用少之又少，而大底盤多塔高層結(jié)構(gòu)國內(nèi)暫無相應(yīng)工程案例。由于軟土容易過濾地震波的中、高頻成分，且同時(shí)會(huì)放大低頻成分，而普通隔震橡膠支座組成的隔震層剛度較小，隔震層在強(qiáng)地震作用下將發(fā)生較大的水平向位移，易導(dǎo)致隔震支座甚至是上部結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)甚至倒塌。近幾年，我國的建筑隔震產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，建成或在建隔震建筑已達(dá)幾千棟之多，隔震技術(shù)的應(yīng)用得到了更加廣泛的發(fā)展且已趨于成熟，針對(duì)上述情況采用粘滯阻尼器與普通橡膠支座的組合裝置組成的隔震層對(duì)軟土地基的高層結(jié)構(gòu)的抗震性能具有積極的意義。

本文通過對(duì)采用普通橡膠支座和粘滯阻尼器組合裝置的軟土地基上大底盤多塔高層剪力墻的隔震工程實(shí)際案例進(jìn)行分析，為類似的隔震工程提供相應(yīng)的技術(shù)參考。

2　結(jié)構(gòu)的基本信息

某大底盤多塔高層剪力墻結(jié)構(gòu)為重點(diǎn)設(shè)防類建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，抗震設(shè)防烈度為8度設(shè)計(jì)基本加速度為0.2g，大底盤為框剪結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)。大底盤共兩層高15.5m，上部共四個(gè)塔樓，其中A、C塔樓共19層高55.10m，兩個(gè)塔樓建筑方案相同；B、D塔樓共13層高37.70m，兩個(gè)塔樓建筑方案相同；首層層高均為10.05m，2層層高均為5.00m，其余樓層層高均為2.90m。大底盤結(jié)構(gòu)長125.20m，寬101.80m，上部塔樓結(jié)構(gòu)均長28.20m，寬16.80m。結(jié)構(gòu)的三維模型及塔樓號(hào)見圖1。

圖1　結(jié)構(gòu)三維模型及塔樓號(hào)

設(shè)計(jì)地震分組為第二組，基本風(fēng)壓0.55KN/m2，地面粗糙度類別為B類，風(fēng)荷載體型系數(shù)1.3。

3　隔震層和隔震裝置的選擇

3.1隔震裝置的選擇

隔震方案采用大底盤層間隔震，新增一層隔震層設(shè)置在每棟塔樓的底部。隔震層柱子和剪力墻需進(jìn)行水平隔斷，因此剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置轉(zhuǎn)換梁并在下部設(shè)置支墩柱，擬選用三種不同型號(hào)的隔震支座，粘滯阻尼器對(duì)稱設(shè)置于隔震層，取所有隔震支座的頂標(biāo)高相同。普通橡膠支座和粘滯阻尼器實(shí)物圖片分別見圖2和圖3。

3.2隔震裝置的選型和布置

圖2　普通橡膠支座

圖3　粘滯阻尼器

設(shè)防烈度為8度（0.2g），軟土地基上的高層剪力墻結(jié)構(gòu)如只采用普通隔震橡膠支座組成的常規(guī)隔震層，隔震層剛度較小，罕遇地震作用下的隔震支座位移過大易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞；如采用較大直徑隔震支座，隔震效果不明顯且經(jīng)濟(jì)性較差。因此，為了保證建筑隔震效果及經(jīng)濟(jì)性，采用合適直徑的隔震支座的同時(shí)，在隔震層增設(shè)粘滯阻尼器，在幾乎不增加隔震層的剛度前提下能有效控制隔震層的位移。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，本工程為丙類建筑，保證支座的平均壓應(yīng)力小于15MPa，粘滯阻尼器參數(shù)在時(shí)程動(dòng)力分析確定。隔震裝置的選型、數(shù)量和設(shè)計(jì)面壓見表1。隔震層橡膠支座和粘滯阻尼器的平面布置圖見圖4，布置方法采用一柱一隔震支座。

圖4　隔震層支座和阻尼器平面布置圖

表1　隔震支座壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值

4　隔震效果分析

建模分析軟件采用三維空間彈塑性有限元設(shè)計(jì)及分析軟件ETABS，上部結(jié)構(gòu)及隔震層采用三維模型，上部梁、柱和樓板只考慮彈性，隔震支座則采用非線性計(jì)算模型，有限元三維模型見圖1，采用時(shí)程分析法計(jì)算。本工程共選用了適用于Ⅳ類場地的7條地震波，包括5組實(shí)際強(qiáng)震記錄（southeasternalaska-90、IMPVALLH-EMO0-00、IMPVALLH-E06-230、寧河天津波地震記錄的東西向和南北向，分別簡寫ALAK90、IEMO00、ILE230、TJEW、TJNS）和2組人工波（簡寫分別為RGB1、RGB2），進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析。

輸入三個(gè)方向地震波進(jìn)行時(shí)程分析，三個(gè)方向地震波峰值按水平主方向×1：水平次方向×0.85：豎直方向進(jìn)行×0.65比例調(diào)整輸入，將7條地震波作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)取平均值作為本工程分析結(jié)果。

4.1水平向減震系數(shù)計(jì)算

設(shè)防地震作用下的地震波按8度設(shè)防地震0.20g調(diào)整峰值。對(duì)抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)分別輸入X向、Y向和豎向地震波進(jìn)行時(shí)程動(dòng)力分析。各個(gè)塔樓的層間剪力對(duì)比值見表2，建筑在采用隔震以后，下部結(jié)構(gòu)層剪力略有減少，最大層剪力比為0.97；上部結(jié)構(gòu)層間剪力明顯減少；A塔/C塔樓：最大剪力比為0.32；B塔/D塔樓：最大剪力比為0.27。各個(gè)塔樓層間彎矩對(duì)比值見表2，建筑在采用隔震以后，下部結(jié)構(gòu)層彎矩明顯較少，最大層傾覆彎矩比為0.72；上部結(jié)構(gòu)層間傾覆彎矩明顯減少；A塔/C塔樓：最大傾覆彎矩比為0.38；B塔/D塔樓：最大傾覆彎矩比為0.31。

表2　非隔震與隔震結(jié)構(gòu)層間剪力和層間彎矩比值

圖5　 A塔/C塔樓主方向?yàn)閄向位移角倒數(shù)（1/θ）

圖6　 A塔/C塔樓主方向?yàn)閅向位移角倒數(shù)（1/θ）

圖7　 B塔/D塔樓主方向?yàn)閄向位移角倒數(shù)（1/θ）

圖8　 B塔/D塔樓主方向?yàn)閅向位移角倒數(shù)（1/θ）

綜合上述比值結(jié)果，整體結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)取層間剪力比值和傾覆彎矩比值的最大值0.38，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中表12.2.5條文規(guī)定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)防烈度及抗震措施可按降低一度即7度（0.1g）進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表3　隔震層最大位移校核

表4　罕遇地震下粘滯阻尼器最大出力

4.2層間位移角分析

4.3隔震層最大水平位移校核

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定隔震層最大位移應(yīng)小于支座有效直徑的0.55倍和支座內(nèi)部橡膠總厚度的3倍二者的較小值。由表4可知，滿足支座最大容許位移的要求。

5　罕遇地震下阻尼器出力

粘滯阻尼器對(duì)稱布置于隔震層外圍四周，通過粘滯阻尼器的滯回耗能來控制隔震層在罕遇地震下的位移。各個(gè)塔樓粘滯阻尼器的最大位移與罕遇大震作用下的隔震層位移相同，見表3，最大出力見表4所示。

6結(jié)論

⑴采用普通橡膠支座和粘滯阻尼器的大底盤多塔高層結(jié)構(gòu)的隔震效果良好，能有效控制軟土地基上結(jié)構(gòu)的水平位移，防止隔震支座的失穩(wěn)和破壞。

⑵大底盤多塔高層結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)，上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)大大減小，同時(shí)下部大底盤結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)相應(yīng)減小，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能和經(jīng)濟(jì)性具有積極的意義。

⑶采用粘滯阻尼器控制隔震層的位移，可大大增強(qiáng)隔震上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力。

⑷罕遇地震作用下，隔震層的最大位移和上部結(jié)構(gòu)層間位移角等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，上部結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)。●

[1]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2010年版）[S].

[2]CECS 126:2001，疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程[S].

[3]JGJ297-2013，建筑消能減震技術(shù)規(guī)程[S].

[4]JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[5]GB20688.5-2014，橡膠支座第5部分：建筑隔震彈性滑板支座[S].

[6]GB20688.3-2006，橡膠支座第3部分：建筑隔震橡膠支座[S].

[7]GB 50223-2008，建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].

8度罕遇地震作用下（輸入加速度峰值為0.4g）。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》12.2.9條文規(guī)定，鋼筋混凝土框架-抗震墻隔震層以下、地面以上結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下層間彈塑性位移角限值為1/200。罕遇地震作用下各塔樓層間位移角倒數(shù)見圖5～圖8，隔震層下部結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/401；上部結(jié)構(gòu)A塔/C塔樓最大層間位移角為1/535；B塔/D塔樓隔震層上部結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/823；均符合規(guī)范要求。