高烈度區某特別不規則高層框架剪力墻結構基礎隔震設計*

吳俊超 周立超 白羽 賴正聰 李永春 張田慶

(1.昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500； 2.云南省建筑工程設計院 昆明 650041； 3.中國建筑第二工程局有限公司 昆明 650501)

0 引言

特別不規則結構是包含多個超出指定參考指標的不規則或某一不規則超出指定參考指標較多的結構[1]。隨著科技的發展以及人們對建筑物功能性和安全性要求的提高，特別不規則框剪結構逐漸被運用到實驗樓、綜合樓、辦公樓中。在高烈度區某特別不規則高層框架剪力墻結構中，為了妥善處理好結構的安全可靠性與經濟實用性的矛盾，決定采用基礎隔震技術。

基礎隔震技術是在某一建筑的上部結構和地基間設置隔震層，以減少該建筑隔震層以上的結構受地震反應的影響[2-5]。近些年來,不少國內外的研究人員對不規則結構的基礎隔震進行了研究，葛家琪等[6]對不規則的成都博物館的隔震層進行了抗拉性能的設計和研究；崔文韜[7]就某不規則框剪結構的基礎組合隔震的振動進行了研究；馬小明等[8]對某8度區不規則塔樓的抗震性能進行了分析；CANCELLARA D等[9]研究了基礎隔震多層結構在設計上高度不規則的動力特性；MEHIRKIAN B等[10]研究了磁流變阻尼器半主動概念模糊控制在對非規則隔震基準建筑結構中的應用。

當前，對特別不規則框剪結構的基礎隔震設計的研究和分析還比較少。本文對高烈度區某特別不規則高層框剪基礎隔震結構進行了設計和研究,闡述了如何使用鋼板疊層橡膠隔震支座(LNR、LRB)進行基礎隔震結構設計的方法，針對不規則項及結構薄弱部位提出了加強措施。在設防烈度為8度(0.2g)的地震作用下，對該建筑的隔震和非隔震結構進行了的動力時程分析；在罕遇的地震作用下，對隔震結構的層間位移角和隔震支座的水平剪切位移、軸向拉應力、抗風承載力根據規范的要求進行了時程分析驗算，旨在為研究特別不規則的結構的基礎隔震設計提供參考。

1 工程概況

該建筑為高烈度區某特別不規則高層框剪結構，本建筑共有七層，其中地下有1層，地上有6層，高度為34.5 m，面積為7 952 m2，烈度為8度，設計基本地震的加速度峰值為0.2g，設計地震分組為第3組，3類場地,場地特征周期為0.65 s，屬于重點設防類，乙類建筑[11]。圖1為該建筑的一層平面圖。

圖1 一層平面

根據國家住建部2015年67號文，該綜合實驗樓有4項超限，為特別不規則結構。針對各項不規則項的程度具體分析如下：

1)扭轉不規則：該建筑只有少數幾層樓超過1.20的位移比限值，其中樓層的最大位移比為1.44。

2)凹凸不規則：本棟建筑的平面凹進的長度為21.6 m，而相應的投影方向的總尺寸為50.6 m。凹進比21.6/50.6=42.7%>30%。

3)樓板局部不連續：本棟建筑第三層開洞面積為830 m2，而該層樓面面積為1 130 m2。開洞面積百分率為73.5%>30%。

4)尺寸突變：該建筑收進后的水平尺寸為17 m，而下部樓層的水平尺寸為45.8 m。豎向收進的百分率為17/45.8=37 .1%<75%。

2 隔震層設計

2.1 隔震設計目標

本項目的抗震目標是將上部結構的水平地震影響達到降低1度的效果，即按7度(0.15g)的要求來設計該建筑水平地震的抗震措施，但與該建筑承受豎向的地震作用相關的抗震措施仍按8度(0.2g)的設計要求來設計[12]。

2.2 隔震層支座選擇與布置

疊層橡膠支座具有非常出色的豎直方向的支承力和水平方向的彈性變形能力[13]。該項目的隔震設計采用的是鋼板疊層橡膠隔震支座(LNR、LRB)。該建筑的隔震結構的隔震層一共使用了58個隔震支座、71個隔震墊，LRB800、LRB900、LNR800交錯布置。根據《疊層橡膠支座隔震技術規程》[14]中對橡膠隔震支座的平均壓應力限值的規定，在該建筑的13根大柱下面各布置了2個支座，其余的大柱下各布置了1個支座。該建筑采用的各隔震支座(LNR、LRB)的數量及相關力學性能的參數詳見表1，采用的各類型的隔震支座(LNR、LRB)的平面布置見圖2。

表1 有鉛芯的隔震支座的力學性能參數

圖2 隔震支座編號及布置示意

3 上部結構設計

運用ETABS創建該建筑的模型，并對該建筑的隔震及非隔震結構的模型進行動力時程分析，見表2。ETABS模型如圖3所示。

表2 地震波信息

圖3 結構三維模型

3.1 地震動的輸入

根據《建筑抗震設計規范》(以下簡稱《抗規》)的要求，選定了5條實際強震的記錄和2條人工模擬加速度的時程，其反應譜如圖4所示。

由圖4可以得出，規范的反應譜和各時程的平均反應譜間存在細微的差異。

圖4 反應譜

3.2 結構措施

針對高烈度區某特別不規則高層框架剪力墻結構的各不規則及薄弱部位采取的加強措施如下：

(1)對該建筑的各不規則及薄弱部位使用抗震性能設計的方法進行進一步分析和論證。將設防烈度地震的第3性能水準作為該建筑的具體抗震性能目標，針對該建筑的扭轉不規則特點，在雙向地震的作用下，補充考慮了該建筑的計算模型；針對該建筑的凹凸不規則的特點，在該建筑的樓板平面內，采用滿足實際剛度變化的計算模型；針對該建筑的樓板不連續的特點，將大開洞的樓層以及其上下相鄰層的板的厚度增厚至150 mm，板筋雙層雙向拉通設置；針對該建筑的尺寸突變的特點，提高體型收進的部位的上下各2層的周邊豎向構件的抗震等級。

(2)設計中將托墻梁抗震等級提高一級，采用將隔震層板增厚為180 mm的加強措施，提高其亢余度。此外，按照設防地震第3性能水準的要求對該建筑的托墻梁進行性能分析。

(3)隔震縫寬度取600 mm。

4 隔震分析計算結果

本文使用ETABS對該建筑進行建模及模態分析，見表3。

表3 隔震前后結構的周期

由表3可以看出，相對于該建筑的非隔震結構，該建筑的隔震結構運用隔震技術后，結構的周期顯著變長。

4.1 減震系數分析

根據《抗規》要求，對于高層隔震建筑，應分別計算設防地震作用下結構隔震前后各層的層間剪力及層傾覆力矩的最大比值，取二者的較大值，見表4。

由表4可得，在隔震前后，上部結構最大的層間剪力比平均值為0.373。根據《抗規》第12.2.5條，得到隔震結構的水平地震影響系數的最大值為0.070。分析得該建筑的上部結構計算用的水平地震影響系數的最大值應取0.08。該建筑的上部結構的水平地震作用可以根據降低一度的要求來設計。

表4 設防地震作用下該建筑的隔震前后的層間剪力比、傾覆力矩比

4.2 層間位移角分析

如圖5所示，相較于該建筑隔震前的上部結構層間位移角，該建筑隔震后的上部結構層間位移角顯著降低。在罕遇地震作用下，該建筑隔震后的上部結構的X、Y向位移角均小于彈塑性位移角限值1/100，滿足規范的要求。

(a)X向

4.3 隔震層水平位移計算

在罕遇地震的作用下，該建筑隔震結構的隔震層水平位移計算采取的荷載組合為：1.0(1.0×恒荷載+0.5×活荷載)+1.0×水平地震；其荷載組合為：1.0(1.0D+0.5L)+1.0Fek=1.0D+0.50L+1.0Fek，其中D為恒荷載、L為活荷載、Fek為水平地震。分析得：隔震支座的水平方向的位移最大值為280 mm。根據《疊層橡膠支座隔震技術規程》[14]規定，隔震層中各隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移應滿足下列要求：

Umax≤0.55D

(1)

Umax≤3Tr

(2)

式中,Umax為罕遇地震作用下考慮扭轉影響時隔震支座最大水平位移；D為隔震支座直徑；Tr為隔震支座橡膠層總厚度。經計算得：0.55D= 440 mm，3Tr= 447 mm，故Umax= 280 mm滿足規范要求[14]。

4.4 隔震支座拉應力驗算

根據《抗規》規定：在罕遇地震的水平和豎向地震同時作用下，隔震橡膠支座的拉應力不應超過1.0 MPa。分析表明，在罕遇地震的作用下，該建筑的隔震結構的隔震支座最大拉應力為0.76 MPa<1.0 MPa，符合規范的要求。

4.5 隔震層的抗風承載力的驗算

該建筑的隔震結構的隔震層的風荷載產生的總水平力的標準值為1 066.8 kN。根據《抗規》12.1.3條，采用隔震的結構風荷載產生的總水平力不宜超過結構總重力的10%。該建筑的總重力為268 130 kN，268 130×10%>1 066.8,滿足要求。

5 結論

本文對高烈度區的某特別不規則的高層的框剪基礎隔震結構進行了研究,闡述了采用鋼板疊層橡膠隔震支座(LNR、LRB)進行基礎隔震結構設計的方法，針對不規則項及結構薄弱部位提出了加強措施。在設防烈度為8度(0.2g)的地震作用下，對該建筑的隔震和非隔震結構進行了的動力時程分析；在罕遇地震下，對隔震結構的層間位移角、隔震支座的水平剪切位移、軸向拉應力、抗風承載力進行了時程分析驗算。綜合分析后，得到以下結論：

1)運用ETABS創建該建筑的非隔震和隔震模型并對模型進行時程分析，得到該建筑的隔震前后的上部結構最大的層間剪力比平均值為0.373。根據《抗規》，確定上部結構計算用的水平地震影響系數的最大值為0.08。該建筑的上部結構的水平地震作用可以根據降低一度的要求來設計。

2)高烈度區某特別不規則高層框架剪力墻結構采用基礎隔震技術和針對不規則項及結構薄弱部位提出的加強措施后，該建筑隔震結構的隔震效果比較明顯，且在設防及罕遇地震作用下，各指標均符合規范要求，且有較大的地震安全儲備。

3)在8度罕遇地震的作用下，該建筑的隔震結構的位移角最大值為1/279，占規范限值的35.8%；其隔震層的最大位移值為280 mm，占規范限值的63.6%，隔震效果非常顯著。