某高烈度地區高層住宅設計方法淺析

王書明

上海市園林設計研究總院有限公司 上海 200031

1 前言

隔震是一種合理、有效、安全、經濟的被動控制減震方式[1]，隔震設計采用在基礎頂或地下室頂板設置水平阻尼器等柔性隔震裝置，使上部減震結構特征周期延長，阻尼增大，減少上部隔震結構的地震作用，從而達到整個隔震裝置和上部結構達到抗震的三水準目標:“小震不壞、中震可修、大震不倒”。

國內外有很多學者對隔震技術進行了研究，我國住房和城鄉建設部新發布的《建筑隔震設計標準》GBT51408-2021已實施，隔震設計標準的出爐將給建筑抗震設計帶來革命性變化。

目前國內9度區隔震建筑實例偏少，本文介紹了云南昆明市東川區一個帶大底盤地庫的高層住宅樓小區隔震設計，下面對基礎設計、下部結構設計、支座布置、支座設計、上部設計等進行了介紹。

2 概括

2.1 建筑概括

本工程位于云南省昆明市東川區，住宅小區，地上16層，地下1層（底部為大底盤地庫），主要功能為住宅，采用隔震技術，上部結構與地下室頂板之間設置隔震層，隔震層高為3.45m, 隔震層設置粘滯阻尼器和抗拉裝置，建筑高度為48.3m，層高3m，采用現澆鋼筋混凝土剪力墻結構形式。

地下室位于隔震層以下，層數為1層，地下室層高為4.2m~4.3m，為全埋地下室，功能為機動車庫，抗滲等級為P6。本工程為標準設防類建筑。本次隔震設計采用抗規的分步式設計。

2.2 場地概況

本小區位于大緩坡上，擬建建筑西側有12m~14的高差，距離125m左右，坡比為1：8.9，坡角約為6.5°，根據《建筑與市政工程抗震通用規范》GB55002-2021第4.1.1條，可不進行地震作用放大。特征周期取值根據《建筑與市政工程抗震通用規范》GB55002-2021第3.1.3條和地勘資料提供，場地土層等效剪切波速為250m/s，覆蓋層厚度為35m，不在場地類別分界線15%的范圍內，特征周期無需插值，特征周期取值為0.45s。本小區結構按抗震規范需考慮扭轉耦連和多遇地震作用下的內力和變形分析。

蒙姑-東川斷裂（F4），距離擬建場地約1.5km；小江西支主干斷裂（F7），距離場地約為8.5km。根據《建筑抗震設計規范》GB50011-2010（2016年版）第12.2.2條，設計時考慮1.5倍的進行效應系數。小區場地類別為Ⅱ類，地震分組為第三組，設防烈度九度，加速度為0.4g。

3 地基基礎及地下室設計

3.1 地基基礎設計

根據巖土工程勘察報告以及建筑結構布置進行基礎設計。地基基礎等級為乙級，基礎的抗震驗算按本地設防烈度進行。基礎為平板式筏板基礎，筏板厚度為900mm，局部加厚，最大厚度為1200mm，持力層為④-1角礫層，地基承載能力特征值為240kpa。地庫地下室部分基礎形式為獨立基礎+防水板，防水板厚250mm，持力層為③含角礫粉質黏土和④-1角礫層，承載力特征值為220kpa和240kpa。場地屬不均勻地基，整體筏板增強基礎整體性，可減少上部建筑結構的不均勻沉降帶來的不利影響。經基礎分析計算，地基變形沉降值72mm，滿足規范要求。

3.2 地下室設計

本工程有一層全埋地下室，無人防，地下室抗震等級為三級，塔樓及相鄰兩跨范圍內抗震等級為二級，框架梁、板混凝土強度等級為C35，框架柱、墻混凝土強度等級為C40~C50。根據地勘報告，擬建地下室地下水埋深較大，可不考慮地下水的抗浮問題，但施工期間和后期地表水的大量下滲，同樣會影響地下室的安全，充分考慮排水、截水措施，故在基底及地下室周邊設置盲溝，坑底置水井等措施進行抽排，以減少地下水位的抬升的影響。

上部建筑嵌固端為地下室頂板，上部建筑地下室頂板厚度為180mm，塔樓外地下室頂板為厚板+框架結構布置，厚度為300mm，控制內外高差不大于0.9m，加腋坡度小于1：2，確保嵌固的有效性,和地震作用的有效傳遞。根據《建筑抗震設計規范》GB50011-2010（2016年版）第6.1.14條，地下室層側向剛度需要滿足大于地下室頂板上一層的側向剛度的2倍，方可作為嵌固端。

4 上部結構設計

4.1 上部結構概況及選型

本工程地上16層，建筑高度48.30m，層高為3.0m，結構平面尺寸42.4×12.9m，結構形式為現澆鋼筋混凝土剪力墻結構。嵌固端為下支墩頂、地下室頂板與0.00m標高之間設置隔震層，隔震層設置粘滯阻尼器和抗拉裝置，隔震層高3.45m。丙類建筑，本工程按抗震設防丙類建筑采用。上部結構采用隔震技術，剪力墻抗震等級為二級，抗震構造措施為二級。隔震層轉換梁和支墩抗震等級為提高一級，為一級，抗震構造措施為一級。

4.2 上部結構計算分析軟件及主要參數取值

采用隔震設計，上部結構計算分析采用北京盈建科軟件股份有限公司的盈建科YJK4.3版本計算。并用ETABS進行多遇地震下的復核、彈性時程分析以及彈塑性時程分析。

4.3 上部結構計算分析結果

4.3.1 結構動力特性分析

計算振型數：17個，YJK計算模型的有效質量系數為X向90.52%，Y向93.48%。滿足規范不小于90%的要求。YJK模型第一扭轉周期與第一平動周期之比0.64，滿足規范要求，見表1。

表1 計算振型數

4.3.2 位移和扭轉位移比分析

在小震作用下按彈性方法計算的樓層最大位移與層高之比限值，在考慮地震作用下，X向最大層間位移角為1/1706（8層）；Y向最大層間位移角為1/ 1450（10層），滿足規范要求。

其它剪力和剪重比分析(CQC)、樓層承載力對比、樓層剛度比分析滿足規范要求。

軸壓比分析顯示剪力墻最大軸壓比為0.18，小于剪力墻一級抗震等級軸壓比限值0.4，滿足規范要求。

4.4 轉換構件設計

本工程上部為剪力墻結構，采用隔震設計，在隔震層頂板對剪力墻進行轉換，為增加隔震層的剛度，隔震層樓板厚度為180mm，鋼筋雙層雙向拉通，隔震層樓板設置為彈性膜，考慮樓板實際剛度的影響，轉換梁控制在二級轉換之內，轉換構件抗震等級提高一級，為一級。

5 隔震設計

5.1 隔震設計原則

為了建筑功能和結構抗震安全性考慮，隔震支座均設置在±0.00m樓板以下-2.3m處，隔震層高度為3.45m，隔震層設置粘滯阻尼器和抗拉裝置。結構設計保證隔震層（隔震支座）水平剛度遠小于上層結構樓層水平剛度，并遠小于隔震層以下結構水平剛度，隔震支座以上混凝土隔震支墩及梁板水平剛度遠大于上層結構樓層水平剛度。同時要求隔震層以下的墻柱梁的等構件滿足上下嵌固剛度比的要求，并按罕見遇地震進行抗剪承載力驗算。

隔震房屋周邊以及相鄰隔震建筑之間應設置隔離縫，其縫寬按照《抗規》12.2.7條第1款規定來確定。

采用ETABS NonlinearC軟件進行隔震計算分析。計算前對計算模型進行了驗證（與YJK模型對比）。隔震設計采用的時程分析法，地震波加速度時程按照抗規5.1.2規定選取。

隔震層的柱墩在罕遇地震下的豎向力、水平力和力矩的承載力要滿足規范要求。根據抗規12.2.6原則，隔震層上下支墩按罕遇地震下的懸臂柱設計，計算模型按黨育，杜永峰《基礎隔震結構結構設計及施工指南》[2]第3章4節、5節分析。

5.2 隔震計算

17#作為丙類建筑，采用LRB900-II、LRB1000-II、LNR900-II類型的隔震支座，依據抗規要求橡膠隔震支座在重力荷載代表值的豎向壓應力應控制在15Mpa內。隔震支座及阻尼器、抗拉裝置分別見圖1。

圖1 隔震層隔震支座、阻尼器編號及布置圖

5.3 減震系數

隔震層以上結構隔震前后計算結果顯示，結構層間剪力比值的平均值和結構傾覆力矩比值的平均值的最大值為0.232。根據《抗規》12.2.2條規定，處于發震斷裂帶5km以內時，應考慮近場影響系數1.5，根據《抗規》4.1.8條規定，處于邊坡邊緣等不利地段時，應考慮不利地段對設計地震動參數產生的放大作用，本項目無邊坡放大，根據《抗規》第12.條，確定隔震后水平地震影響系數最大值αmax1＝1.5*β*αmax/ψ=1.5*0.232*0.32/0.8=0.140。

綜合考慮后，上部結構設計隔震后水平地震影響系數最大值為0.17。

隔震層以上抗震措施按降一度（8度）設計，與豎向地震有關的抗震措施（墻軸壓比）不予降低[3]。

5.4 隔震層位移及支墩設計

根據《抗規》12.2.9條規定，需要核算罕遇地震下隔震層的位移，隔震層計算的軸力、剪力用于支墩設計。計算支墩內力配筋時，荷載組合取：1.3（1.0*恒荷＋0.5*活荷）＋1.4*水平地震+0.5*豎向地震力，計算支墩位移時，荷載組合：1.0（1.0*恒荷＋0.5*活荷）＋1.0*水平地震。

通過計算，隔震層加粘滯阻尼器最大水平位移416*1.15=479mm(考慮邊支座扭轉效應)，同時按構造隔震層最大位移479mm要小于0.55D=495mm及3Tr=498mm中的較小值，滿足要求。

5.5 罕遇地震下支座拉應力和壓應力

在罕遇地震作用下，考慮荷載組合：①1.0*恒荷+1.0×水平地震－0.5*豎向地震和①1.0*恒荷+1.0*水平地震－0.5×豎向地震，部分支座出現拉應力，最大拉應力為0.90Mpa。滿足《抗規》12.2.4條規定，隔震橡膠支座拉應力不應大于1.0Mpa。同時控制同一時刻支座受拉個數，如T1Y波在12.67S時刻支座受拉個數達到最大值，共6個支座受拉，未超過支座總數的23%。

罕遇地震作用下壓應力應考慮如下組合：1.0*恒荷+0.5活荷+1.0×水平地震+0.5×豎向地震和1.0×恒荷+0.5活荷+0.5×水平地震+1.0×豎向地震，計算的最大壓應力為28.56Mpa,小于30Mpa。

5.6 風荷載作用下隔震層驗算

本結構風荷載的產生的總水平力為1449kN，總重力為148120kN，風荷載作用下產生的總水平力占結構總重力的0.9%，滿足《建筑抗震設計規范》12.1.3條要求[4]。

5.7 下支墩剛度

結構以±0.000m樓板層做為上部結構的崁固端，以下支墩頂作為隔震層以上結構的崁固端。結構±0.000m樓板層以下直接支承隔震層以上結構的相關結構（上支墩結構）與地面一層樓層側向剛度比滿足大于2的要求；隔震層以下結構中直接支承隔震層以上結構的的相關結構（下支墩結構）與上部一層樓層側向剛度比滿足大于2的要求，（抗規12.2.9條、6.1.14條、高規5.3.7條）見表2。

表2 剛度比

經驗算罕遇地震作用下粘滯阻尼器的出力和位移均滿足廠家參數要求。罕遇地震作用下抗拉裝置的初始變形和最大出力均滿足廠家參數要求。

6 結論

本文對高烈度地區建筑在地基基礎及地下室設計、隔震層上部結構設計、隔震設計等方面進行了介紹，得出如下結論：（1）隔震設計基礎既要滿足承載力也要滿足規范對沉降的要求。（2）地下室頂板作為上部主樓嵌固端時，要滿足嵌固端上下的剛度比和隔震后嵌固端以上結構的抗震設防承載力要求，同時考慮罕遇地震下墻柱豎向構件的抗剪承載力要求。合理布置隔震層轉換構件，轉換梁和支墩的抗震等級要比上部構件抗震等級提高一級[5]。（3）隔震層要提高整體剛度，隔震層樓板厚度為180mm，局部電梯同周邊樓板板厚為200mm，鋼筋雙層雙向拉通，配筋率不小于0.25%。（4）上部結構設計隔震后水平地震影響系數最大值既要滿足隔震計算，也要根據現場和當地實際合理選取。（5）隔震層與阻尼器相連的框架梁、吊住和支墩，均按子結構進行設計，滿足罕遇地震作用下極限承載能力的要求。