9度區(qū)某復(fù)雜高層隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳小賓， 彭志楨， 曹 莉， 韓克良

(中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司， 成都 610042)

1 工程概況

川投西昌綜合醫(yī)院位于西昌北城新區(qū)，建筑面積17.05萬(wàn)m2，地下2層，地上16層，另有1層屋架； 塔樓建筑高度70.5m，為Z字形平面，長(zhǎng)度134.4m，單肢寬度23.9m； 裙房地上4層，建筑高度21.3m，為矩形平面，裙房長(zhǎng)度193.2m，寬度109.9m； 塔樓與裙房不設(shè)置防震縫。本項(xiàng)目建筑效果見(jiàn)圖1，典型建筑剖面見(jiàn)圖2，結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖3。

圖1 建筑效果圖

圖2 建筑剖面示意圖

本工程位于9度區(qū)近斷層，建筑體型復(fù)雜，上部結(jié)構(gòu)豎向及平面不規(guī)則，采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，提高結(jié)構(gòu)抗震性能。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和使用年限為50年，基礎(chǔ)、框架柱、剪力墻、隔震層構(gòu)件安全等級(jí)一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1； 其余構(gòu)件安全等級(jí)二級(jí)。建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為9度，設(shè)計(jì)地震作用考慮1.5的近場(chǎng)地震增大系數(shù)，故設(shè)計(jì)采用的小震峰值加速度為210cm/s2，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期Tg為0.45s。基本風(fēng)壓(50年一遇)為0.30kN/m2，進(jìn)行承載力計(jì)算時(shí)，取50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓的1.1倍。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為特一級(jí)。

圖3 結(jié)構(gòu)模型圖

圖4 塔樓結(jié)構(gòu)平面圖

2.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隔震層位于基礎(chǔ)頂部，隔震層以上采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。由于塔樓平面在Y向?qū)挾冗h(yuǎn)小于X向長(zhǎng)度，Y向抗側(cè)剛度相對(duì)較小，故裙房以上塔樓Y向設(shè)置了4榀屈曲約束支撐(BRB)，BRB的平面位置見(jiàn)圖4，BRB主要參數(shù)見(jiàn)表1。

塔樓剪力墻厚度600mm，裙房剪力墻厚度500mm，因抗震性能需要，部分剪力墻采用鋼板混凝土剪力墻，鋼板厚度16～40mm。塔樓主要框架柱截面尺寸為1 200×1 200，部分框架柱采用型鋼混凝土柱，內(nèi)含十字形鋼骨，鋼骨截面尺寸為600×250×30×30； 裙房主要框架柱截面尺寸為800×800～1 200×1 200。主樓框支轉(zhuǎn)換梁截面尺寸為1 400×2 100，內(nèi)設(shè)雙鋼骨，鋼骨截面為H1 600×250×50×50，裙房框支轉(zhuǎn)換梁截面尺寸為1 400×1 700，內(nèi)設(shè)雙鋼骨，鋼骨截面為H1 200×200×50×50，雙鋼骨間均通過(guò)綴板連接。墻柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60～C40,隔震層支墩和轉(zhuǎn)換梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60，其余梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30～C35。鋼材強(qiáng)度等級(jí)Q355B。型鋼柱及鋼板剪力墻現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖5。

BRB主要參數(shù) 表1

2.2 基礎(chǔ)與隔震溝擋土墻設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)采用整體性能較好的筏板+下柱墩的型式，以稍密～密實(shí)卵石為持力層。隔震溝擋土墻為懸臂式擋土墻，擋土高度11.70m； 擋土墻需在罕遇地震作用下保持彈性，設(shè)計(jì)采用肋板式擋土墻，底部擋土墻厚度為800mm，肋板間距5m，肋板式擋土墻詳圖見(jiàn)圖6，其現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖7。

3 隔震設(shè)計(jì)

3.1 隔震層布置

基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)采用組合隔震，由鉛芯橡膠支座(LRB)、無(wú)鉛芯橡膠支座(LNR)、黏滯阻尼器(VFD)和彈性滑板支座(ESB)組成，隔震層布置如圖8所示。

隔震層共布置517個(gè)隔震支座，共7種類型； 其中LRB1400支座77個(gè)，LRB1300支座41個(gè)，LRB1100支座123個(gè)； LNR1400支座29個(gè)，LNR1300支座27個(gè)，LNR1100支座205個(gè)，ESB600為15個(gè)，隔震支座參數(shù)見(jiàn)表2。

圖5 型鋼柱及鋼板剪力墻現(xiàn)場(chǎng)照片

圖6 肋板式擋土墻詳圖

圖7 肋板式擋土墻現(xiàn)場(chǎng)照片

圖8 隔震層布置

圖9為隔震支座現(xiàn)場(chǎng)照片。隔震層的屈重比即總屈服力與結(jié)構(gòu)總重力的比值約為2%。

隔震層共設(shè)置了80個(gè)黏滯阻尼器，其中X向和Y向各40個(gè)。黏滯阻尼器采用非線性，最大輸出力2 000kN，速度指數(shù)0.3，設(shè)計(jì)允許位移720mm。

隔震支座主要參數(shù) 表2

設(shè)置黏滯阻尼器可顯著減小隔震層水平位移，罕遇地震時(shí)程分析下隔震支座最大位移由無(wú)黏滯阻尼器時(shí)的765mm減小到586.4mm，小于隔震支座位移限值Min(0.55D=605mm,3r=696mm)[1]=605mm，滿足抗規(guī)[1]要求，其中最小隔震支座LRB1100有效直徑D為1.1m,其內(nèi)部橡膠總厚度r=232mm。而在隔震層平面下部軸設(shè)置了剛度相對(duì)較小的彈性滑板支座，有助于減小隔震層剛度中心與上部結(jié)構(gòu)質(zhì)心的偏心； 最終隔震層X(jué)向偏心率為0.364%，Y向偏心率為0.241%，均小于3%[2]，滿足要求。

3.2 減震系數(shù)及減震目標(biāo)

本工程減震目標(biāo)為將水平地震作用降低一度； 7條地震波設(shè)防地震下的隔震模型與非隔震模型各樓層的層剪力比值的最大值為0.354，隔震模型與非隔震模型各樓層的層傾覆力矩比值的最大值為0.367，最終得到水平向減震系數(shù)β為0.367<0.38，滿足水平地震作用降低一度計(jì)算的要求，但豎向地震及相關(guān)構(gòu)造不降低。

圖9 隔震支座現(xiàn)場(chǎng)照片

隔震后上部結(jié)構(gòu)水平地震影響系數(shù)最大值αmax1=β×αmax/ψ=0.367×0.32/(0.85-0.05)=0.147≤0.16，其中αmax為非隔震水平地震影響系數(shù)最大值，ψ為調(diào)整系數(shù)； 考慮1.5的近場(chǎng)地震增大系數(shù)后，上部結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)最大值可取0.147×1.5=0.22，實(shí)際取0.24，即按8度(0.3g)地震輸入。

3.3 隔震支座極大壓應(yīng)力及極小壓應(yīng)力計(jì)算

3.4 隔震層抗風(fēng)承載力及彈性恢復(fù)力驗(yàn)算

隔震層必須具備足夠的屈服前剛度和屈服承載力，以滿足風(fēng)荷載和微振動(dòng)及彈性恢復(fù)力要求。

在罕遇地震作用下隔震支座的屈服荷載與風(fēng)荷載作用下隔震層的水平剪力標(biāo)準(zhǔn)值之比為4.94，大于1.4，滿足要求； 其總水平彈性恢復(fù)力與總水平摩阻力之比2.18，大于1.2，滿足要求。

3.5 隔震層抗傾覆驗(yàn)算

對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要避免上部結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生過(guò)大的傾覆力矩而使結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆破壞。三向罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表可知，結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向的抗傾覆力矩與傾覆力矩比值均大于1.2，說(shuō)明本工程大底盤(pán)隔震有較大的抗傾覆能力，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生傾覆破壞。

罕遇地震作用下隔震層抗傾覆驗(yàn)算 表3

3.6 隔震層溫度作用驗(yàn)算

本工程隔震層長(zhǎng)約200m,寬約124.3m，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了季節(jié)性溫差下的溫度效應(yīng)。結(jié)合隔震層混凝土澆筑成型時(shí)間及項(xiàng)目當(dāng)?shù)貧庀笄闆r。隔震層考慮室內(nèi)升溫15℃及降溫-15℃的等效溫差。

隔震層剛度較小，使得結(jié)構(gòu)的底端約束在隔震層大大釋放，有利于減小隔震層樓板的溫度應(yīng)力[4]。降溫工況下，隔震層中間部分拉應(yīng)力為1.14～1.78MPa，外圍大部分樓板主拉應(yīng)力為0.73～1.2MPa左右，均小于樓板C35混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.2MPa。僅中間剪力墻角部及樓板轉(zhuǎn)角處存在應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力約2.49 MPa，見(jiàn)圖10。

圖10 降溫工況下隔震層溫度應(yīng)力/MPa

由于隔震層較柔，溫度作用使得隔震支座易產(chǎn)生一定的相對(duì)變形，且兩端邊緣處支座變形相對(duì)較大，越往中間，支座變形越小[5]。以Y向①軸交～軸的隔震支座為例(①軸交軸支座編號(hào)為1，其余支座編號(hào)依次從下往上遞增)，溫度作用下，隔震支座Y向位移如圖11所示。可知溫度作用下,隔震支座最大位移為8.2mm，僅為支座位移限值605mm的1.3%，變形最大隔震支座位于隔震層左下角的角部1號(hào)支座。為減少溫度作用對(duì)隔震層及隔震支座的影響，隔震層設(shè)置間隔不大于40m的溫度后澆帶。綜上所述，本工程溫度作用對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的影響可控。

圖11 溫度作用下隔震支座Y向位移

4 性能化設(shè)計(jì)

4.1 性能目標(biāo)

本工程性能目標(biāo)為C類[6]，其中層間位移角限值參考抗規(guī)[1]確定，各地震水準(zhǔn)的具體性能目標(biāo)見(jiàn)表4。

性能目標(biāo) 表4

4.2 性能分析

4.2.1 典型耗能構(gòu)件滯回曲線及能量圖

罕遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)的典型能量耗散分布見(jiàn)圖12。地震輸入隔震結(jié)構(gòu)的能量主要由位移型阻尼器即鉛芯橡膠支座、速度型阻尼器即黏滯阻尼器以及結(jié)構(gòu)的阻尼耗能來(lái)消耗，而應(yīng)變能耗能比例十分小； 由統(tǒng)計(jì)可知，黏滯阻尼器提供約5%的附加阻尼比，而隔震支座約提供了4.7%的附加阻尼比，上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行彈塑性耗能而提供的附加阻尼比僅為0.7%，說(shuō)明上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性耗能相對(duì)較少。罕遇地震下作用下典型耗能構(gòu)件滯回曲線見(jiàn)圖13。可知，隔震層的黏滯阻尼器及鉛芯橡膠支座在罕遇地震下充分發(fā)揮耗能作用，而上部結(jié)構(gòu)BRB在下部樓層部分屈服，典型BRB滯回曲線見(jiàn)圖13(d)。

圖12 結(jié)構(gòu)能量耗散分布

圖13 罕遇地震典型耗能構(gòu)件滯回曲線

4.2.2 層間位移角及位移

罕遇地震下上部結(jié)構(gòu)7條波計(jì)算的層間位移角平均值如圖14所示。X，Y向的最大層間位移角分別為1/179(8層)，1/184(6層)，均小于層間位移角限值1/111。

圖14 罕遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移角

罕遇地震下頂層位移時(shí)程曲線見(jiàn)圖15。相比于彈性時(shí)程分析，彈塑性時(shí)程分析的位移有所變小，位移也呈收斂趨勢(shì)。結(jié)構(gòu)頂部最大位移在0.5～1.0m左右。

圖15 罕遇地震下頂層位移時(shí)程曲線

4.2.3 構(gòu)件損傷

圖16 罕遇地震下隔震層框支轉(zhuǎn)換梁鋼材塑性應(yīng)變圖

圖17 罕遇地震剪力墻損傷圖

圖18 罕遇地震作用下框架柱性能水平

5 隔震溝擋土墻計(jì)算分析

隔震溝擋土墻直接關(guān)系到隔震層變形能否實(shí)現(xiàn)，是整個(gè)隔震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位之一，在遭受罕遇地震影響時(shí)，擋土墻應(yīng)保持彈性工作階段。

擋土墻抗震設(shè)計(jì)方法借鑒軌道交通抗震規(guī)范[7]中的反應(yīng)位移法，見(jiàn)圖19。以一維土層地震反應(yīng)計(jì)算為基礎(chǔ)，認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的反應(yīng)主要取決于周圍土層的變形。將土層在地震時(shí)產(chǎn)生的最大變形通過(guò)地基彈簧以靜荷載的形式作用在結(jié)構(gòu)上，以此計(jì)算結(jié)構(gòu)反應(yīng)。

圖19 反應(yīng)位移法抗震計(jì)算示意圖

地基彈簧是為了考慮結(jié)構(gòu)剛度與土層剛度的不同，定量表示兩者相互作用時(shí)引入的單元。地基彈簧剛度取值以地基反力系數(shù)為依據(jù)。對(duì)側(cè)壁回填土采用合理的柔性設(shè)計(jì)，采用粉質(zhì)黏土或黏土進(jìn)行側(cè)壁回填，回填土與側(cè)壁接觸面采用擠塑板等柔性材料填充。罕遇地震的地震動(dòng)峰值位移的取值根據(jù)軌道交通抗震規(guī)范[7]中5.2.4條確定。

圖20 擋土墻在罕遇地震作用下內(nèi)力圖

將每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的地基彈簧力作用于擋土墻平面上，基于SAP2000軟件分析的擋土墻在罕遇地震下的剪力和彎矩如圖20所示。將地震作用下的內(nèi)力與恒載+活載作用下內(nèi)力進(jìn)行組合后用于擋土墻截面設(shè)計(jì)，保證擋土墻在遭受罕遇地震時(shí)保持彈性。

6 結(jié)論

(1)高烈度區(qū)復(fù)雜醫(yī)療建筑中使用隔震技術(shù)，可提高結(jié)構(gòu)抗震性能，同時(shí)又較好地滿足建筑功能需求。

(2)本工程的基礎(chǔ)隔震采用組合隔震設(shè)計(jì)，減震系數(shù)能控制在0.38以內(nèi)，滿足水平地震作用降低一度計(jì)算的要求，豎向地震及相關(guān)構(gòu)造不降低。考慮1.5的近場(chǎng)地震增大系數(shù)不變，隔震后上部結(jié)構(gòu)小震計(jì)算時(shí)的地震影響系數(shù)可取0.24。采用隔震后，性能化分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)整體能達(dá)到性能目標(biāo)C級(jí)。

(3)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)，應(yīng)重視隔震溝擋土墻的設(shè)計(jì)，確保罕遇地震下?lián)跬翂Ρ３謴椥怨ぷ麟A段，避免影響隔震層運(yùn)動(dòng)，保證隔震設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。