喀什農(nóng)商銀行總部大樓隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沈偉宇 丁潔民 吳宏磊 陳長嘉張紅強(qiáng)

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

1 工程概況

喀什農(nóng)商銀行總部大樓（圖1）位于新疆維吾爾自治區(qū)喀什市深喀大道南側(cè)，為高層辦公樓。項(xiàng)目總建筑面積34 481 m2，其中地上部分總建筑面積30 640 m2。

項(xiàng)目由高層主塔樓和裙房組成，其中高層塔樓主體結(jié)構(gòu)地上19層，建筑高度81.8 m，地下1層，層高5.1 m。裙房主體結(jié)構(gòu)地上2層，建筑高度16 m，地下1層，層高5.1 m。高層塔樓采用混凝土框架-混凝土核心筒-基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)體系。裙房采用混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。基礎(chǔ)以上通過設(shè)置抗震縫將高層塔樓與裙房分割開，如圖2所示。

塔樓平面軸線尺寸51.3 m×30.3 m，核心筒居中布置，平面尺寸22.8 m×10 m，核心筒面積占底部標(biāo)準(zhǔn)層面積的14.0%。塔樓標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖如圖3所示。

圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural rendering

圖2 主樓與裙房分縫示意圖Fig.2 Seam layout between the main tower and the podium

圖3 塔樓標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖Fig.3 Tower standard floor plan

本項(xiàng)目所在地區(qū)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為8度（0.3 g），建筑抗震設(shè)防類別為丙類，建筑場地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組第三組，場地特征周期0.45 s。基本風(fēng)壓為0.55 kN∕m2（50年一遇）。

2 結(jié)構(gòu)體系選型研究

本項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)階段，提出了剛性方案與隔震方案：①剛性方案通過增大構(gòu)件截面尺寸、設(shè)置周邊剪力墻等措施增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，從而抵抗地震作用；②隔震方案通過在上部非隔震結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)置隔震層，使上部非隔震結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)處于隔離狀態(tài)，從而有效隔絕地震能量向上傳遞，大幅減小上部結(jié)構(gòu)地震作用。

圖4給出了剛性方案與隔震方案標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置示意。與剛性方案相比，隔震方案去除了南北兩側(cè)6根框架柱以及周邊剪力墻，建筑效果更為通透，建筑功能布置更加靈活。

圖4 結(jié)構(gòu)平面布置Fig.4 Structural layout

表1、表2給出了剛性方案與隔震方案主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸對比。可以看出，隔震方案較剛性方案截面尺寸得到明顯優(yōu)化，建筑使用功能明顯改善。

表3給出了剛性方案與隔震方案主要分析結(jié)果。可以看出，隔震方案上部結(jié)構(gòu)層間變形明顯減小，同時，設(shè)防地震作用下，核心筒剪力墻未出現(xiàn)拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)抗震性能得到大幅改善。

3 隔震設(shè)計(jì)目標(biāo)及布置

3.1 隔震設(shè)計(jì)目標(biāo)

本項(xiàng)目隔震目標(biāo)為隔震層上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用及有關(guān)的抗震措施降低1度，即水平地震的抗震措施按7度（0.15g）設(shè)計(jì)，但與抵抗豎向地震作用有關(guān)的抗震措施仍按8度（0.3g）［1］。

表1 框架柱截面尺寸Table 1 Column sections mm

表2 核心筒剪力墻截面尺寸Table 2 Core wall sections mm

表3 主要分析結(jié)果Table 3 Main analysis results

3.2 隔震層布置

本項(xiàng)目隔震層位于基礎(chǔ)與地下1層之間，層高1.8 m，如圖5、圖6所示。

圖5 隔震層位置Fig.5 Position of isolation layer

圖6 隔震層平面布置Fig.6 Isolation layer layout

本項(xiàng)目隔震層布置主要遵循以下原則［2］：①剛度較大的鉛芯橡膠支座沿外框周邊布置，剛度較小的天然橡膠支座沿內(nèi)部核心筒布置，以增大隔震層扭轉(zhuǎn)剛度；②沿外框周邊布置黏滯阻尼器，以控制隔震層變形，同時耗散地震能量；③隔震支座長期應(yīng)力、短期應(yīng)力及大震下的支座極限變形等均應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）［1］（以下簡稱《抗規(guī)》）相關(guān)要求。

根據(jù)以上布置原則，本項(xiàng)目隔震層共布置鉛芯橡膠支座23個，天然橡膠支座11個，黏滯阻尼器16個。橡膠隔震支座及黏滯阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)如表4、表5所示。

表4 橡膠隔震支座設(shè)計(jì)參數(shù)Table 4 Design parameter of rubber bearings

表6給出了隔震層偏心率計(jì)算結(jié)果。本項(xiàng)目隔震層2個方向的偏心率分別為2.34%（X向），0.98%（Y向），均小于3%［3］，說明隔震層布置規(guī)則，上部結(jié)構(gòu)中心與隔震層剛心基本重合，隔震支座具備足夠的安全性與穩(wěn)定性。

表5 黏滯阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)Table 5 Design parameter of viscous dampers

表6 隔震層偏心率計(jì)算結(jié)果Table 6 Calculatingresultofisolationlayereccentricity

4 計(jì)算參數(shù)

4.1 計(jì)算模型

本項(xiàng)目隔震分析采用ETABS進(jìn)行，非隔震結(jié)構(gòu)模型和隔震結(jié)構(gòu)模型如圖7所示。其中，橡膠隔震支座采用“Isolator 1+Gap”單元模擬，黏滯阻尼器采用“Damper”單元模擬。

部門協(xié)作，合力抗災(zāi)。省軍區(qū)組織現(xiàn)役官兵和民兵預(yù)備役人員1.54萬人次、車輛及工程機(jī)械411輛次、提水機(jī)具505臺次，協(xié)助地方人工增雨375次，疏挖渠道38km，打井26處，送水546t，撲救森林火災(zāi)40起。農(nóng)辦、財(cái)政廳、農(nóng)業(yè)廳、民政廳等省防指有關(guān)成員單位相繼派出137批次工作組趕赴受旱地區(qū)調(diào)查研究，分類指導(dǎo)抗旱救災(zāi)。邵陽、郴州、婁底等市萬名干部下鄉(xiāng)村，帶著資金和技術(shù)深入一線幫助農(nóng)戶抗旱。

4.2 地震波選擇

從Ⅱ類場地土地震波庫中選取7條地震時程波（5條天然波+2條人工波），頻譜分析結(jié)果如圖8所示。經(jīng)驗(yàn)算，所選時程波滿足抗規(guī)“彈性時程分析時，每條時程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%”的要求［1］。

5 隔震分析計(jì)算結(jié)果

5.1 周期與振型

圖7 ETABS結(jié)構(gòu)模型Fig.7 Structure model of ETABS

圖8 地震波頻譜分析圖Fig.8 Seismic wave spectrum analysis

表7給出了隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)的周期對比。可以看出，隔震后結(jié)構(gòu)周期延長約2.46倍，有利于結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離場地特征周期，減小地震作用。

表7 隔震與非隔震結(jié)構(gòu)周期對比Table 7 Comparison of periods between isolated structure and non-isolated structure

5.2 減震系數(shù)

根據(jù)《抗規(guī)》［1］要求，對于高層隔震建筑，應(yīng)該分別計(jì)算設(shè)防地震下隔震與非隔震結(jié)構(gòu)各層層間剪力與層傾覆力矩的最大比值，取二者的較大值作為上部結(jié)構(gòu)的水平減震系數(shù)［1］。對隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行7組中震地震波下的動力時程分析，各層的層剪力平均值和層傾覆力矩平均值如圖9、圖10所示。

在設(shè)防烈度地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)X向?qū)蛹袅ψ畲鬁p震系數(shù)為0.33；Y向?qū)蛹袅ψ畲鬁p震系數(shù)為0.34；X向最大地震彎矩最大減震系數(shù)為0.35；Y向最大地震彎矩最大減震系數(shù)為0.35。采用隔震技術(shù)后，上部結(jié)構(gòu)可按設(shè)防烈度降低1度進(jìn)行設(shè)計(jì)（隔震層采用阻尼器時水平減震系數(shù)小于0.38）。

圖9 非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)層剪力對比Fig.9 Comparison of story shear force between non-isolated structure and isolated structure

圖10 非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)層傾覆力矩對比Fig.10 Comparison of story moment between non-isolated structure and isolated structure

5.3 隔震支座應(yīng)力驗(yàn)算

隔震支座應(yīng)力驗(yàn)算包括長期面壓、短期極大面壓和短期極小面壓。長期面壓驗(yàn)算考慮結(jié)構(gòu)重力荷載代表值的作用，短期面壓驗(yàn)算考慮了結(jié)構(gòu)重力荷載代表值、罕遇地震三向地震作用組合。

表8給出了本項(xiàng)目隔震支座應(yīng)力限值及驗(yàn)算結(jié)果。可見，支座應(yīng)力均滿足規(guī)范限值［3］要求。

表8 隔震支座應(yīng)力驗(yàn)算Table 8 Stress check of bearings

5.4 隔震層變形

圖11給出了罕遇地震作用下，各隔震支座變形分布情況。可以看出，隔震支座水平向最大平均位移為360 mm。對于LNR1000規(guī)格的支座，該水平位移相當(dāng)于183%的剪應(yīng)變，小于0.55D（0.55D=550 mm）和300%的剪應(yīng)變（300%γ=591.6 mm），滿足《抗規(guī)》［1］要求。

圖11 隔震支座變形分布Fig.11 Deformation distribution of isolating bearings

5.5 隔震層抗風(fēng)設(shè)計(jì)

對于隔震結(jié)構(gòu)，隔震層必須具備足夠的屈服前剛度，以滿足風(fēng)荷載和微振動的要求。隔震層的水平恢復(fù)力特性由鉛芯橡膠支座和天然橡膠支座共同組成。

圖12給出了本項(xiàng)目隔震層水平恢復(fù)力特性。可以看出，隔震層屈服力（9 538 kN）大于100年風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下隔震層層剪力的1.4倍（6 802×1.4=9 523 kN），滿足隔震層抗風(fēng)承載力要求［3］。久荷載標(biāo)準(zhǔn)值；rb和ri分別為隔震層和上部結(jié)構(gòu)各層的初始形心位置到最外側(cè)邊緣隔震支座軸線的距離，Δxi為時程分析過程中結(jié)構(gòu)第i層重心相對于隔震層底部形心在水平方向的偏移量（圖13）。

圖12 隔震層水平恢復(fù)力特性Fig.12 Horizontal resilience characteristics of isolation layer

表9給出了本項(xiàng)目隔震結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果。可以看出本結(jié)構(gòu)X向的抗傾覆力矩是罕遇地震作用下傾覆力矩的1.92倍，Y向的抗傾覆力矩是罕遇地震作用下傾覆力矩的3.77倍，抗傾覆安全系數(shù)大于1.2，滿足《新疆維吾爾自治區(qū)建筑隔震技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》［5］6.2.8條抗傾覆驗(yàn)算要求，隔震體系具有良好的抗傾覆能力。

5.6 隔震結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算

高層隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩主要由上部結(jié)構(gòu)自重提供。根據(jù)文獻(xiàn)［4］提供的方法，本結(jié)構(gòu)在計(jì)算時考慮了上部結(jié)構(gòu)各層重心相對于初始位置的偏移（圖13），以結(jié)構(gòu)變形后各層形心到最外側(cè)邊緣隔震支座軸線的距離為相應(yīng)樓層的抗傾覆力矩力臂，則隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩可表示為

式中：Gb和Gi分別為隔震層和上部結(jié)構(gòu)各層的永

圖13 上部結(jié)構(gòu)中心偏移示意圖Fig.13 Upper structure center offset sketch

表9 罕遇地震作用隔震結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算Table 9 Anti-overturning check of isolated structure under rare earthquake

6 結(jié) 論

對喀什農(nóng)商銀行總部大樓隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算和分析，得出以下結(jié)論：

（1）采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)后，上部結(jié)構(gòu)平面布置及主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸得到明顯優(yōu)化，建筑使用功能大幅改善。

（2）采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)后，上部結(jié)構(gòu)自振周期由1.83 s延長至4.51 s，遠(yuǎn)離場地特征周期，地震作用明顯減小。

（3）設(shè)防地震作用下，上部結(jié)構(gòu)最大減震系數(shù)為0.35，隔震后，上部結(jié)構(gòu)可按規(guī)范降1度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（4）罕遇地震作用下，隔震支座最大變形為360 mm，短期極大面壓為26.03 MPa（壓），短期極小面壓為0.56 MPa（拉），滿足規(guī)范相關(guān)要求。

（5）隔震層屈服承載力大于100年一遇風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值，滿足抗風(fēng)承載力要求。

（6）隔震結(jié)構(gòu)抗傾覆安全系數(shù)大于規(guī)范限值，本結(jié)構(gòu)具有良好的抗傾覆能力。