陳啟冬，許立英，劉陽，吳應(yīng)雄

(1.華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010；3.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

基礎(chǔ)隔震是指在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震層，通過不同類型的隔震支座連接基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)，從而阻斷地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞[1-2]。由于隔震技術(shù)對于上部結(jié)構(gòu)具有良好的減震效果和保護作用，近年來得到越來越多的重視。特別是在汶川地震和蘆山地震后，隔震技術(shù)在建筑工程中得到大量應(yīng)用[3]。從2016年開始，四川省西昌市計劃開展棚戶區(qū)改造工作，需要修建大量高層住宅，同時由于西昌市為9度設(shè)防區(qū)，故如何保障高烈度區(qū)居民住宅抗震安全是至關(guān)重要的問題。

隨著隔震技術(shù)的成熟，對9度區(qū)高層隔震結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用也越來越多。孫柏峰等[4]以9度設(shè)防區(qū)某小區(qū)高層為例進行隔震設(shè)計，結(jié)果表明上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)明顯降低，抗震性能得到提高。周穎等[5]對位于9度區(qū)的框架核心筒結(jié)構(gòu)進行隔震設(shè)計并進行了隔震和非隔震結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性比較，結(jié)果表明采用隔震技術(shù)后不僅增加了商業(yè)使用面積，還在一定程度上減少了造價。邢玨蕙等[6]對9度設(shè)防區(qū)某靠近斷層的高層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)進行隔震設(shè)計，結(jié)果表明該隔震結(jié)構(gòu)能夠滿足規(guī)范抗震設(shè)防要求。Calugaru等[7]對近斷層區(qū)隔震和非隔震結(jié)構(gòu)進行地震響應(yīng)對比，結(jié)果表明隔震結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)于非隔震結(jié)構(gòu)。周寧娜等[8]對某8度設(shè)防區(qū)鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)，提高其抗震設(shè)防烈度到9度，結(jié)果表明隔震效果良好滿足規(guī)范要求。綜上所述，在高烈度區(qū)特別是9度地區(qū)，對高層建筑進行隔震設(shè)計有利于減小地震響應(yīng)，保障建筑結(jié)構(gòu)安全，且具有較好的經(jīng)濟效應(yīng)。

本文對9度設(shè)防區(qū)西昌市某高層住宅進行基礎(chǔ)隔震設(shè)計，對比結(jié)構(gòu)隔震前后的響應(yīng)，以期對相關(guān)工程隔震設(shè)計提供參考和借鑒。

1 工程概況

該項目位于四川省西昌市，設(shè)防烈度為9度(0.4g)，設(shè)計地震分組為第3組，Ⅱ類場地，特征周期為0.45 s，地面粗糙類別為B類，基本風壓為0.3 kN·m-2。本項目距離地震斷裂帶小于5 km，由于近斷層地震動具有長周期成分，而長周期成分會加大高層建筑結(jié)構(gòu)響應(yīng)[9]，在多遇地震、設(shè)防烈度地震和罕遇地震作用計算時，考慮地震近場增大系數(shù)1.5。

建筑作為居民住宅使用，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，主體結(jié)構(gòu)體系為剪力墻結(jié)構(gòu)，其中地上20層，地下2層。結(jié)構(gòu)總建筑面積為11 356 m2，建筑總高度為58.40 m，建筑標準層平面如圖1。結(jié)構(gòu)主體剪力墻混凝土強度等級為C40～C60，其中，5層以下的梁采用混凝土強度等級為C60，5～11層為C50，11層以上為C40；地下室板采用C40等級混凝土，其余上部結(jié)構(gòu)樓層板混凝土強度等級均為C30。

圖1 標準層平面布置圖(單位：mm)Fig.1 Layout plan of standard floor

2 數(shù)值模型的建立

結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計中，在Midas-Gen中分別建立隔震與非隔震模型，其中圖2所示為隔震模型，其包含隔震層和上部結(jié)構(gòu)兩部分。模型主要采用梁單元與墻單元分別模擬梁和剪力墻，底部采用固接。

圖2 結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 Structural finite element model

隔震支座抗拉剛度為抗壓剛度的1/10～1/5[10]，故通過橡膠支座單元和僅受壓的彈簧單元聯(lián)合模擬隔震支座，其中橡膠支座單元可以模擬隔震支座的非線性水平剛度和豎向拉、壓剛度，受壓彈簧僅具有豎向抗壓剛度。天然橡膠支座和鉛芯橡膠支座的水平滯回模型分別采用等效線性模型和雙折線模型，如圖3所示。其中F為支座力，X為支座位移，F(xiàn)y為支座屈服力，keq為等效剛度，Xy為屈服位移。

(a) 天然橡膠支座

(b) 鉛芯橡膠支座圖3 橡膠支座滯回模型Fig.3 Hysteretic model of rubber bearing

3 地震動的選取

根據(jù)GB 5011—2010《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》[11](以下簡稱《抗震規(guī)范》)選取地震動的原則，依照建筑所在場地和設(shè)計地震分組等選擇5條實際地震動記錄和2條人工地震動，地震動信息如表1所示。其中，規(guī)范反應(yīng)譜和所選7條地震動反應(yīng)譜對比，如圖4所示。

表1 地震動信息Tab.1 Ground motion information

t/s圖4 地震動加速度反應(yīng)譜對比Fig.4 Comparison of ground motion acceleration response spectrum

4 隔震設(shè)計與分析

4.1 隔震支座布置

綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)要求，隔震層設(shè)置于地下室的頂部，隔震層高2.8 m。隔震層布置如圖5所示，隔震支座規(guī)格尺寸和力學(xué)參數(shù)見表2。

圖5 隔震支座布置圖(單位：mm)Fig.5 Layout of isolation bearings

表2 隔震支座力學(xué)性能參數(shù)Tab.2 Mechanical performance parameters of isolation bearings

《抗震規(guī)范》規(guī)定：當隔震層剛度中心與隔震層以上結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心不重合時，應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。我國規(guī)范目前對偏心率并無明確要求，日本規(guī)范規(guī)定偏心率不得大于3.0%，隔震層的偏心率按照如下公式計算：

ex=|Yg-Yk|ey=|Xg-Xk|

(1)

(2)

(3)

式中：Xg、Yg為上部結(jié)構(gòu)重心的X向、Y向坐標；Xk、Yk為隔震層剛度中心X、Y向坐標值；Kt為結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度；Rx、Ry為結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)半徑。

計算結(jié)果如表3所示，可知X、Y方向的偏心率分別為0.05%和0.65%。

表3 隔震層偏心率Tab.3 Eccentricity of isolation layer

4.2 隔震前后模態(tài)對比

對隔震模型和非隔震模型進行模態(tài)分析，其主要自振周期對比如表4所示?？芍?，增加隔震支座后，顯著地延長了結(jié)構(gòu)自振周期。兩個平動方向的周期分別延長了2.55倍和2.74倍。同時，根據(jù)CECS126:2001《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》[12]，兩個基本周期相差不宜超過較小值的30%，否則將會影響不同方向的隔震效果，本項目隔震過后相差僅7.45%，滿足要求。

表4 隔震與非隔震模型主要周期對比Tab.4 Comparison of main periods between models with or without isolation

4.3 水平向減震系數(shù)計算

由于本項目建筑為高層建筑，計算水平向減震系數(shù)時，按《抗震規(guī)范》規(guī)定：對于高層建筑，除了計算結(jié)構(gòu)隔震與非隔震層剪力的比值外，還需要計算隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)各層傾覆力矩比值，取其中較大值，由此確定水平向減震系數(shù)。隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)X、Y向的各層剪力和傾覆力矩如圖6所示。

圖6 樓層層間剪力與傾覆力矩Fig.6 Story shear and floor overturning moment

隔震前后結(jié)構(gòu)底部剪力和傾覆力矩變化如表5所示?？芍?，隔震支座能夠有效地減少地震能量向結(jié)構(gòu)上部傳遞。通過對比隔震前后各層剪力值和傾覆力矩值，得到結(jié)構(gòu)各層的水平向減震系數(shù)，如表6所示。

表5 隔震前后底部剪力和傾覆力矩變化Tab.5 Variation of base shear and overturning moment before and after isolation

表6 水平向減震系數(shù)Tab.6 Reduction factor of horizontal seismic response

由表6可知，水平向減震系數(shù)最大值為0.351(0.27<0.351<0.4)，隔震后結(jié)構(gòu)的層間剪力和傾覆彎矩大幅度減少。由此計算水平向地震影響系數(shù)最大值αmax1=βαmax/ψ=0.207，取0.21，相對于隔震前水平地震影響系數(shù)0.32，水平向地震作用減少(0.32-0.21)/0.32=34.4%。上部結(jié)構(gòu)抗震等級可按降低一度考慮，及按照8度(0.2g)，而所選隔震支座不能降低豎向地震作用，故與豎向有關(guān)的地震作用計算不降低[13]。

4.4 隔震層驗算

4.4.1 隔震層抗風驗算

根據(jù)《抗震規(guī)范》規(guī)定，當采用隔震設(shè)計時結(jié)構(gòu)風荷載產(chǎn)生的總水平力不宜超過結(jié)構(gòu)總自重的10%。本結(jié)構(gòu)風荷載產(chǎn)生的總水平力為2 023.8 kN，結(jié)構(gòu)總自重為233 153.5 kN，故風荷載作用下結(jié)構(gòu)的總水平力為結(jié)構(gòu)總自重荷載的0.86%，滿足規(guī)范要求，同時按照CECS126:2001《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》[12]規(guī)定，抗風裝置應(yīng)當按式(4)計算。

γwVwk≤VRw

(4)

式中：VRw為隔震支座的水平屈服荷載設(shè)計值；Vwk為風荷載作用下隔震層的水平剪力標準值。本結(jié)構(gòu)風荷載作用下隔震層的水平剪力標準值2 023.8 kN，支座水平屈服力為6 931 kN，經(jīng)計算滿足規(guī)范要求。

4.4.2 支座位移驗算

根據(jù)《抗震規(guī)范》要求，隔震支座的水平位移限值取橡膠支座厚度的3倍和隔震支座有效直徑的0.55倍的較小值。本項目采用了兩種類型的隔震支座LRB1200、LNR1000，經(jīng)計算兩隔震支座水平變形限制分別為660、550 mm。圖7為結(jié)構(gòu)在中震下隔震支座計算結(jié)果，采用的荷載組合為自重荷載代表值加上水平地震作用(1.0恒荷載+0.5活荷載+1.0水平地震作用)，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下采用同樣荷載組合，結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在設(shè)防和罕遇地震下支座變形均滿足要求。

支座編號圖7 設(shè)防地震下隔震支座水平位移Fig.7 Horizontal displacement of isolation bearings under design earthquake

支座編號圖8 罕遇地震下隔震支座水平位移Fig.8 Horizontal displacement of isolated bearings under rare earthquake

4.4.3 隔震支座應(yīng)力計算

正常使用和罕遇地震下隔震支座應(yīng)力見表7、表8。

表7 正常使用下隔震支座應(yīng)力Tab.7 Stress of isolation bearings under service condition

表8 罕遇地震下隔震支座應(yīng)力Tab.8 Stress of isolated bearings under rare earthquake

為了使支座在正常使用和地震作用下發(fā)生剪切變形過后仍然具有一定的穩(wěn)定性和強度，需要驗算支座在地震荷載作用下的應(yīng)力。在罕遇地震作用下，采用1.0恒荷載+0.5活荷載+0.5豎向地震作用，驗算支座面豎向壓應(yīng)力，結(jié)果如表7。34號支座出現(xiàn)最大壓應(yīng)力25.77 MPa，小于30 MPa，滿足規(guī)范要求。同時罕遇地震作用下，采用1.0恒荷載±0.5活荷載-0.5豎向地震作用荷載工況即1.0D±1.0FEk-0.5×0.4(1.0D+0.5L)，驗算結(jié)構(gòu)軸向拉應(yīng)力，結(jié)果如表8，其中，20號支座出現(xiàn)最大拉應(yīng)力為0.91 MPa，小于1.0 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.4.4 上部結(jié)構(gòu)變形驗算

在多遇地震作用下(PGA=1.5×140 cm·s-2=210 cm·s-2)，驗算結(jié)構(gòu)層間位移角。非隔震模型層間位移角不滿足規(guī)范要求，隔震后滿足規(guī)范限值1/1000。隔震與非隔震結(jié)構(gòu)平均層間位移角如圖9，可知，非隔震結(jié)構(gòu)X、Y向平均層間位移角分別為1/589、1/543，隔震結(jié)構(gòu)X、Y向平均層間位移角分別為1/1852、1/1306，分別降低了68.2%和58.4%。

層間位移角圖9 層間位移角對比Fig.9 Comparison of interlayer displacement angles

5 結(jié)論

1) 對9度區(qū)高層住宅進行隔震后，結(jié)構(gòu)水平向減震系數(shù)達到0.351，減震效果較好。

2) 通過隔震設(shè)計，結(jié)構(gòu)X、Y兩個方向平動周期分別延長至原結(jié)構(gòu)周期2.55和2.74倍，避開了場地卓越周期，減少了地震輸入。

3) 隔震前結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下層間位移角不滿足要求，隔震后X、Y向平均層間位移角分別降低了68.2%和58.4%，滿足抗震規(guī)范要求。

4) 位于9度區(qū)高層住宅，通過合理的基礎(chǔ)隔震設(shè)計，可以明顯降低上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足規(guī)范要求，因此這類建筑適合采用隔震技術(shù)。