高烈度區(qū)高層隔震結(jié)構(gòu)研究新進(jìn)展與應(yīng)用

文/李愛(ài)群 解琳琳 曾德民 楊參天 劉立德

近年來(lái)，功能可恢復(fù)已逐漸成為地震工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隔震技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高烈度區(qū)高層結(jié)構(gòu)震后功能可恢復(fù)的重要手段。研究團(tuán)隊(duì)完成了高烈度區(qū)高層隔震建筑群的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，并以此為基礎(chǔ)，針對(duì)高烈度區(qū)高層隔震結(jié)構(gòu)相關(guān)的關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)展了系列研究。

該高層建筑群位于高烈度近斷層地區(qū)，設(shè)計(jì)中需引入近斷層系數(shù)以考慮近斷層影響，若采用傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)難度大，且經(jīng)濟(jì)性難以滿足建設(shè)單位的需求。為了提升建筑群的安全性能和經(jīng)濟(jì)性，研究團(tuán)隊(duì)完成了該建筑群的隔震設(shè)計(jì)。這一研究對(duì)高層隔震工程應(yīng)用和后續(xù)相關(guān)研究具有重要的參考價(jià)值。

1 高烈度區(qū)高層隔震建筑群設(shè)計(jì)

該建筑群抗震設(shè)防烈度為8度（0.30g），場(chǎng)地類別為Ⅲ類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，斷層距7.5km，考慮近斷層影響，專家委員會(huì)建議近場(chǎng)影響系數(shù)為1.25。建筑群包括29棟RC高層隔震結(jié)構(gòu)，其中10棟采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，13棟采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，6棟采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)地上部分層數(shù)為17～22層，高度為61.5～79.2m，地下部分層數(shù)為3～5層，深度為10.4～19.6m。高寬比為1.91～3.69。

圖1 高烈度區(qū)高層隔震建筑群

對(duì)于該建筑群的高層隔震結(jié)構(gòu)，若采用傳統(tǒng)的±0隔震方案，難以滿足建筑使用功能需求；若整體結(jié)構(gòu)在地下室基礎(chǔ)底部隔震，由于設(shè)計(jì)地震力較大，控制支座拉應(yīng)力不超過(guò)1MPa較難，設(shè)計(jì)難度大。因此，本研究團(tuán)隊(duì)提出了“局部地下室下沉隔震”方案并獲得專家委員會(huì)認(rèn)可。具體而言，剪力墻或核心筒部分下沉至地下室底部隔震，而框架在±0處隔震。典型案例C1、B1和D6的隔震布置方案如圖2所示。

經(jīng)設(shè)計(jì)，各高層隔震結(jié)構(gòu)均通過(guò)了隔震層恢復(fù)力、抗風(fēng)、偏心率驗(yàn)算和罕遇地震下結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算，支座長(zhǎng)期面壓、減震系數(shù)罕遇地震下支座位移和極值面壓均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2 高層隔震建筑地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)

2.1 分析關(guān)鍵內(nèi)容簡(jiǎn)介

基于實(shí)際工程案例，考慮2種常見(jiàn)的高層結(jié)構(gòu)體系（包括框架-核心筒結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)）、2個(gè)不同的結(jié)構(gòu)高度、2種常見(jiàn)的隔震設(shè)計(jì)方案和6種屈重比，形成了48個(gè)高層隔震結(jié)構(gòu)案例，用于研究適用于該類結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)。

選取了59條脈沖型地震動(dòng)和80條非脈沖型地震動(dòng)，采用云分析方法研究適用于該類結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)。本研究評(píng)估了25個(gè)已有地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)與4個(gè)關(guān)鍵工程需求參數(shù)（MIDR、MRD、MFA和MBD）的相關(guān)性。

2.2 地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)相關(guān)性評(píng)價(jià)

工程需求參數(shù)（EDP）與地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)（IM）之間近似滿足指數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式形式如式（1）所示。

式中：a和b是目標(biāo)回歸系數(shù)。對(duì)上式做自然對(duì)數(shù)變換，可變換成式（2）所示的對(duì)數(shù)線性關(guān)系式。

圖2 典型樓型隔震方案

由于式（2）滿足古典的線性回歸模型，可采用最小二乘原理對(duì)云分析獲得的n個(gè)離散點(diǎn)（EDPi，IMi）進(jìn)行回歸分析，進(jìn)而獲得ln（EDP）與ln（IM）的相關(guān)性系數(shù)ρ。

圖3 框架-核心筒高層隔震結(jié)構(gòu)各IM與EDP相關(guān)性系數(shù)范圍

圖4 框架-剪力墻高層隔震結(jié)構(gòu)各IM與EDP相關(guān)性系數(shù)范圍

對(duì)建立的48個(gè)高層隔震結(jié)構(gòu)案例進(jìn)行139條地震動(dòng)下的云分析，獲得框架-核心筒高層結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻高層結(jié)構(gòu)各IM與各EDP的相關(guān)性系數(shù)ρ，其范圍分別如圖3和4所示?？梢?jiàn)，綜合考慮不同的高層結(jié)構(gòu)類型、不同的結(jié)構(gòu)高度、不同的隔震設(shè)計(jì)方案和不同的屈重比時(shí)，對(duì)于每一個(gè)工程需求參數(shù)，顯然分別存在與其相關(guān)性良好的地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)。具體而言，（1）MVSI和PGV是與隔震層最大位移和結(jié)構(gòu)頂層最大位移相關(guān)性最佳的兩種地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)；（2）IH、MVSI和PGV是與上部結(jié)構(gòu)最大層間側(cè)移角相關(guān)性最佳的三種地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)；（3）VSI和IH則是與最大樓面加速度相關(guān)性最佳的兩種地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)。

3 基于屈重比的高烈度區(qū)RC框架-核心筒隔震結(jié)構(gòu)高效設(shè)計(jì)方法

3.1 上部結(jié)構(gòu)周期建議取值

高層隔震結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)周期Tf取值直接影響隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。因此，本研究對(duì)13棟框架-核心筒隔震結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)周期Tf和結(jié)構(gòu)高度H進(jìn)行回歸分析（如圖5所示），建議立Tf與H的關(guān)系式（3）。

3.2 支座長(zhǎng)期面壓建議取值

支座長(zhǎng)期面壓σg的取值與支座的型號(hào)和數(shù)量直接相關(guān)。值得注意的是，不同位置的隔震支座（如框架柱底隔震支座和核心筒角部隔震支座）的合理面壓取值并不相同。

框架-核心筒結(jié)構(gòu)在地震作用下會(huì)產(chǎn)生顯著的傾覆效應(yīng)，框架柱底部和核心筒角部隔震支座更容易處于受拉狀態(tài)。因此，位于這些位置的支座的σg取值通常應(yīng)大于其它位置的支座。然而，框架-核心筒隔震結(jié)構(gòu)各類位置支座的σg的相關(guān)研究罕見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究對(duì)13棟框架-核心筒隔震結(jié)構(gòu)的隔震支座長(zhǎng)期面壓進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，建議了外框架柱底支座和核心筒剪力墻角部支座長(zhǎng)期面壓取值范圍，分別為10～12MPa和8～10MPa。

3.3 屈重比合理取值范圍和鉛芯支座布置建議

屈重比是決定隔震層力學(xué)性能、整體減震效果和結(jié)構(gòu)抗震性能的重要參數(shù)，與隔震層中鉛芯支座的數(shù)量直接相關(guān)。本研究以具有不同高度的兩棟設(shè)計(jì)案例為原型結(jié)構(gòu)（高為79.2m和65.8m的C1和C4），考慮不同隔震設(shè)計(jì)方案（核心筒下沉隔震方案和±0隔震方案）的影響，基于精細(xì)模型，研究了屈重比對(duì)該類結(jié)構(gòu)減震系數(shù)和隔震層位移的影響規(guī)律，具有不同屈重比的各案例的減震系數(shù)和MBD在3條地震動(dòng)作用下的包絡(luò)值如圖6～8所示。研究表明：（1）減震系數(shù)的限值要求決定了屈重比上限值，建議取為3%；（2）隔震溝尺寸限值要求決定了屈重比下限值，建議取為2%；（3）結(jié)構(gòu)高度小于80m或采用±0隔震方案，屈重比上限可適當(dāng)提高。

3.4 基于屈重比的高效設(shè)計(jì)方法

圖5 C1下沉隔震方案

圖6 C1±0隔震方案

圖7 C4下沉隔震方案

圖8 C4±0隔震方案

基于上述研究，本研究提出了一種高層框架—核心筒隔震結(jié)構(gòu)的高效設(shè)計(jì)方法及步驟：（1）明確隔震目標(biāo)。根據(jù)實(shí)際工程特點(diǎn)與相關(guān)規(guī)范要求，確定隔震結(jié)構(gòu)的隔震溝寬度和減震系數(shù)限值；（2）確定上部結(jié)構(gòu)周期并設(shè)計(jì)上部結(jié)構(gòu)。根據(jù)建筑高度，采用本文建議的式（3）確定Tf；（3）根據(jù)使用面壓建議值，確定支座直徑和數(shù)量；（4）根據(jù)屈重比推薦值設(shè)置鉛芯支座。建議將鉛芯支座設(shè)置于框架柱底部、核心筒角部；（5）關(guān)鍵指標(biāo)驗(yàn)算；（6）粘滯阻尼器設(shè)計(jì)。若支座位移不滿足要求，可在隔震層中設(shè)置粘滯阻尼器，控制結(jié)構(gòu)位移。通常經(jīng)過(guò)2～3次迭代計(jì)算即可確定粘滯阻尼器的參數(shù)和數(shù)量。本研究采用該方法對(duì)一84.1m的框架-核心筒高層隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了該方法的高效性和合理性。