許楚平

(江蘇省建筑設(shè)計研究院有限公司,江蘇 南京 210019)

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高烈度地震區(qū)結(jié)構(gòu)隔震和消能減震設(shè)計

許楚平

(江蘇省建筑設(shè)計研究院有限公司,江蘇 南京 210019)

以江蘇銀行宿遷分行和宿遷市公共衛(wèi)生服務(wù)中心兩個建筑實(shí)體為例，分析了高烈度地震區(qū)結(jié)構(gòu)隔震與消能減震設(shè)計的過程。首先進(jìn)行了高烈度地震區(qū)結(jié)構(gòu)采用隔震及消能減震技術(shù)的可行性及必要性的分析,其次介紹隔震結(jié)構(gòu)與消能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程,并對隔震結(jié)構(gòu)及消能減震結(jié)構(gòu)整體抗震性能進(jìn)行評價。最后，做出對隔震結(jié)構(gòu)與消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的對比。分析結(jié)果表明：隔震及消能減震結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能,在罕遇地震作用下,抗震性能表現(xiàn)良好。

高烈度地震； 隔震；消能減震

1 概 述

世界兩大地震帶在我國交匯,我國大部分地區(qū)都是地震區(qū),其中不少地區(qū)為高烈度地震區(qū),如江蘇省宿遷市。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB 50011—2010)》(以下簡稱《抗規(guī)》)宿遷市抗震設(shè)防烈度為8度(0.30 g),設(shè)計地震分組為第一組,水平地震影響系數(shù)αmax取值：小震0.24,中震0.68,大震1.20[1]。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,很多高烈度地震區(qū)興建了不少高層建筑。由于高烈度地震區(qū)高層建筑承受的地震作用大,傳統(tǒng)的抗震設(shè)計理論已不能滿足建筑設(shè)計的要求,需采用新的抗震設(shè)計方法來解決問題。

2 隔震及消能減震設(shè)計可行性及必要性分析

通常作為公建的高層建筑一般采用框架剪力墻結(jié)構(gòu),在高烈度地震區(qū)如按傳統(tǒng)方法設(shè)計,需加大框架、剪力墻截面尺寸和數(shù)量,來抵抗較大的地震作用。這樣的設(shè)計,增加了結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量和剛度,地震作用相應(yīng)加大,結(jié)構(gòu)層間剪力及位移將大幅度增加,且很多構(gòu)件有超筋現(xiàn)象發(fā)生,抗震性能不佳,較難滿足規(guī)范要求,也會影響建筑的正常使用功能。 《抗規(guī)》提供的隔震及消能減震(以下簡稱減震)抗震設(shè)計理論,主旨是“柔”——以柔克剛,用隔震減震構(gòu)件的變形來消耗地震作用所產(chǎn)生的能量。這樣,上部結(jié)構(gòu)承受地震作用減小,結(jié)構(gòu)層間剪力及位移也相應(yīng)減少,較易滿足現(xiàn)有規(guī)范要求,抗震性能得到提高,這是抗震設(shè)計理論的新發(fā)展。目前,隔震與減震技術(shù)已在許多地震頻發(fā)的國家與地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用,如日本新建筑幾乎都要采用隔減震技術(shù)。有關(guān)國家對隔減震技術(shù)進(jìn)行了深入的研究,積累了相當(dāng)多的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),并制定了隔減震技術(shù)設(shè)計指南或設(shè)計規(guī)程[2-7]。我國2010版《抗規(guī)》也對隔減震有關(guān)規(guī)定進(jìn)行了修訂,為高烈度地震區(qū)采用隔減震技術(shù)提供了更廣泛的空間。根據(jù)國內(nèi)外隔減震技術(shù)研究和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),可認(rèn)為隔震及減震技術(shù)是減輕建筑物地震災(zāi)害的有效技術(shù)[1]。

下面就筆者在高烈度地震區(qū)宿遷市采用隔減震技術(shù)設(shè)計的工程,簡要介紹隔減震設(shè)計的全過程。

3 隔震設(shè)計

江蘇銀行宿遷分行主體建筑地上16層，地下1層,建筑高度61.2 m,主要功能為營業(yè)、辦公及業(yè)務(wù)用房等,部分樓層建筑平面見圖1、圖2,主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)初步設(shè)計分析,如采用傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法,因?qū)娱g位移較大,需要增設(shè)較多的抗震墻才能滿足規(guī)范要求；這樣勢必影響建筑的正常使用功能,且大部分構(gòu)件超筋,抗震性能不佳。采用隔震技術(shù)：在上部結(jié)構(gòu)與地下室之間設(shè)置由橡膠隔震支座及阻尼器組成的隔震層,以延長主體結(jié)構(gòu)的自振周期。這樣，輸入上部結(jié)構(gòu)的地震作用將大幅度降低[1],也相應(yīng)減小了層間剪力及層間位移角,從而可滿足規(guī)范設(shè)計要求,主體結(jié)構(gòu)的抗震性能也得到提高。江蘇銀行宿遷分行抗震設(shè)計概況等詳見文獻(xiàn)[8]。

圖1 2層平面圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

3.1 建立隔震計算模型

該工程隔震分析采用ETABS軟件,時程計算所需的地震波根據(jù)《抗規(guī)》要求選取,利用ETABS軟件中的連接單元來模擬隔震支座,建立相應(yīng)的隔震結(jié)構(gòu)計算模型,上部結(jié)構(gòu)計算采用SATWE軟件。分別采用SATWE軟件與ETABS軟件對該工程非隔震結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析,兩種軟件分析結(jié)果如質(zhì)量、自振周期、層間剪力及層間位移角誤差率均不大于5%,可認(rèn)為ETABS軟件建立的計算模型準(zhǔn)確可靠,可采用該模型進(jìn)行隔震分析。

3.2 隔震支座的布置

該工程采用隔震結(jié)構(gòu)后預(yù)期抗震目標(biāo)：

1)上部結(jié)構(gòu)按抗震設(shè)防烈度降低一度即7度(0.15 g)設(shè)計；

2)大震時上部結(jié)構(gòu)層間位移角不大于1/100。

依據(jù)上述目標(biāo)設(shè)置隔震層(層高2 m),并在其中布置橡膠隔震支座、阻尼器。布置要點(diǎn)：對稱、控制偏心率,減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；各隔震支座下壓應(yīng)力相差不大,且最大壓應(yīng)力滿足《抗規(guī)》要求；具有足夠的初始剛度,使主體結(jié)構(gòu)在風(fēng)載、微震等水平荷載作用下保持穩(wěn)定；隔震支座屈服后應(yīng)具有相應(yīng)的水平剛度,使主體結(jié)構(gòu)在大震作用下具有抵御地震作用的能力。為達(dá)到預(yù)期抗震目標(biāo),采用ETABS軟件對隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行多輪時程分析及優(yōu)化,最終確定布置隔震支座共38個(鉛芯橡膠支座32個、無鉛芯橡膠支座6個),粘滯阻尼器共7組。隔震裝置平面見圖3、圖4。

圖3 隔震裝置平面

圖4 隔震層實(shí)景圖

3.3 隔震結(jié)構(gòu)減震系數(shù)確定

按設(shè)防地震烈度8度(0.30 g),采用ETABS軟件對該工程非隔震模型和隔震模型進(jìn)行時程分析。結(jié)果顯示,隔震結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下X向及Y向的層間位移角均不大于1/800,滿足《抗規(guī)》的要求。該工程采用隔震前后樓層剪力對比見表1。

表1 隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)地震樓層剪力對比

如表1所示,隔震效果顯著,X、Y向樓層剪力最大比值均小于0.4,水平向減震系數(shù)β<0.4,按《抗規(guī)》規(guī)定,隔震層以上結(jié)構(gòu)可按設(shè)防烈度7度(0.15 g)進(jìn)行設(shè)計,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的抗震設(shè)計目標(biāo)。上部結(jié)構(gòu)采用SATWE軟件進(jìn)行多遇地震分析時,取αmax=0.12,也是可行的。

3.4 隔震結(jié)構(gòu)大震彈塑性分析

按《抗規(guī)》要求對隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下彈塑性時程分析,結(jié)果均滿足《抗規(guī)》相關(guān)要求,且隔震支座也滿足產(chǎn)品性能參數(shù)要求。

3.5 隔震結(jié)構(gòu)支墩及地下結(jié)構(gòu)設(shè)計

按《抗規(guī)》要求,將大震作用下各隔震支座的最大內(nèi)力作用于支墩,用于支墩及地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

4 減震設(shè)計

宿遷市公共衛(wèi)生服務(wù)中心主樓為地上13層,地下1層,建筑高度為54.9 m,主要功能為試驗(yàn)、辦公及業(yè)務(wù)用房等,主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)初步設(shè)計分析,由于結(jié)構(gòu)層間地震剪力較大,按照現(xiàn)有建筑平面布置剪力墻,層間位移不能滿足規(guī)范要求,且大部分構(gòu)件超筋,抗震性能不佳。采用減震技術(shù)：在樓層布置軟鋼阻尼墻(位移相關(guān)型),通過其相對變形給結(jié)構(gòu)提供附加阻尼,以消耗輸入主體結(jié)構(gòu)的地震作用[1],相應(yīng)減小結(jié)構(gòu)的層間剪力,層間位移角可滿足規(guī)范要求,且構(gòu)件配筋合理,提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。宿遷市公共衛(wèi)生服務(wù)中心抗震設(shè)計概況等詳見文獻(xiàn)[9]。

4.1 建立減震計算模型

該工程減震分析采用ETABS軟件,時程計算所需的地震波根據(jù)《抗規(guī)》要求選取。建立減震結(jié)構(gòu)和非減震結(jié)構(gòu)的有限元模型,并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜、動力計算分析,獲取結(jié)構(gòu)在彈性和彈塑性階段真實(shí)的動力響應(yīng),為減震設(shè)計提供依據(jù)。分別采用SATWE軟件與ETABS軟件對該工程非減震模型進(jìn)行分析,兩種軟件分析結(jié)果如質(zhì)量、自振周期、層間剪力及層間位移角誤差率均不大于5%,可認(rèn)為ETABS軟件建立的計算模型準(zhǔn)確可靠,因此采用該模型進(jìn)行減震分析,且SATWE軟件可進(jìn)行簡化的減震結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4.2 減震部件(軟鋼阻尼墻)的布置

該工程采用減震結(jié)構(gòu)后預(yù)期抗震目標(biāo)：

1)在抗震設(shè)防烈度8度(0.30 g)地震作用下,彈性層間位移角不大于1/800;

2)大震時結(jié)構(gòu)層間位移角明顯小于1/100。

依據(jù)上述目標(biāo)布置軟鋼阻尼墻,布置要點(diǎn)：

1)雙向、對稱,使得結(jié)構(gòu)整體在兩個方向都有附加阻尼及剛度,并減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；

2)在滿足建筑使用功能前提下,在變形較大的部位布置,充分發(fā)揮其消能作用[1]。為達(dá)到預(yù)期抗震目標(biāo),采用ETABS軟件對減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行多輪時程分析及優(yōu)化,最終確定了軟鋼阻尼墻數(shù)量及位置,見表2。

表2 軟鋼阻尼墻分布數(shù)量

4.3 減震結(jié)構(gòu)總等效阻尼比的確定

按設(shè)防地震烈度8度(0.30 g),采用ETABS軟件對該工程非減震模型和減震模型進(jìn)行時程分析。結(jié)果顯示：減震結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下X向及Y向的層間位移角均不大于1/800,滿足《抗規(guī)》要求；并可得減震系數(shù)β1=減震結(jié)構(gòu)層間地震剪力/非減震結(jié)構(gòu)層間地震剪力,見表3、表4。

采用SATWE軟件計算非減震結(jié)構(gòu)模型,分別計算阻尼比取12%和5%的層間地震剪力,可得折算減震系數(shù)β2=阻尼比為12%結(jié)構(gòu)層間地震剪力/阻尼比為5%結(jié)構(gòu)層間地震剪力,見表3、表4。

如表3、表4所示,減震效果明顯,且采用SATWE軟件進(jìn)行簡化減震結(jié)構(gòu)設(shè)計時,取12%阻尼比(即結(jié)構(gòu)總等效阻尼比)進(jìn)行多遇地震分析,是安全可靠的。

4.4 減震結(jié)構(gòu)大震分析

《抗規(guī)》要求：與軟鋼阻尼墻(消能部件)相連構(gòu)件在大震作用下應(yīng)在彈性范圍工作。為此,該工程中與軟鋼阻尼墻相連梁柱均采用鋼筋混凝土型鋼構(gòu)件。經(jīng)采用ETABS軟件大震下時程分析,結(jié)果均滿足《抗規(guī)》要求,大震時減震結(jié)構(gòu)的層間位移角明顯小于1/100,且軟鋼阻尼墻也滿足產(chǎn)品性能參數(shù)要求,結(jié)構(gòu)抗震性能良好。

表3 X向ETABS和SATWE模型減震系數(shù)對比

表4 Y向ETABS和SATWE模型減震系數(shù)對比

5 隔震結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較

從以上兩個工程實(shí)例可以看出,隔震與減震技術(shù)都是高烈度地震區(qū)減輕建筑物地震災(zāi)害的有效技術(shù)手段,且設(shè)計方法與過程大致相同,但這兩種技術(shù)減小地震作用的方法有所不同。

隔震結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)是在上部結(jié)構(gòu)與地下室之間設(shè)置由橡膠隔震支座及阻尼器組成的隔震層,延長主體結(jié)構(gòu)的自振周期,減少結(jié)構(gòu)的水平地震作用,可使水平地震作用降低約60%[1],比減震結(jié)構(gòu)降低幅度大；考慮到橡膠隔震支座抗拉強(qiáng)度較差的特性,較適用于高寬比小于4,非地震作用水平荷載較小的工程；由于須設(shè)置隔震層,且上部結(jié)構(gòu)外圍及穿越隔震層的豎向構(gòu)件如電梯井周邊須設(shè)置豎向隔離縫,穿越隔震層的設(shè)備管線應(yīng)采用柔性連接等要求,對建筑的立面、地下部分的平面布置等都有不同程度的影響；但隔震層以上建筑平面可按常規(guī)建筑設(shè)計。

減震結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)是在建筑平面配置一定數(shù)量的消能器(本文采用的軟鋼阻尼墻屬于位移相關(guān)型,另有速度相關(guān)型阻尼器本文暫不論述),通過其相對變形給結(jié)構(gòu)提供足夠的附加阻尼,以消耗地震能量,減少了結(jié)構(gòu)的水平和豎向地震作用[1]。因軟鋼阻尼墻不改變結(jié)構(gòu)的基本形式,且平面布置靈活,結(jié)構(gòu)高度及類型也不受限制,因而適用范圍較廣。由于需在原有建筑平面附加軟鋼阻尼墻,可能會影響建筑的使用功能,且與軟鋼阻尼墻相連的構(gòu)件宜采用型鋼混凝土,因此會增加建設(shè)成本。

6 結(jié) 語

1)隔震與減震技術(shù)都是高烈度地震區(qū)減輕建筑物地震災(zāi)害的有效技術(shù)手段。

2)選用隔震結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)設(shè)計方案時,應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防烈度、場地土類別、建筑平立面使用功能及其經(jīng)濟(jì)性等因素綜合考慮。

3)隔震結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)可采用ETABS軟件,分別計算出隔震結(jié)構(gòu)的減震系數(shù)β，相應(yīng)的水平地震影響系數(shù)最大值αmax及減震結(jié)構(gòu)的總等效阻尼比ζ,將其代入通用軟件SATWE,進(jìn)行多遇地震作用下隔、減震結(jié)構(gòu)的計算分析。

[1] 中國建筑科學(xué)研究院.GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010．

[2] 日本建筑學(xué)會. 隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 劉文廣,譯. 北京 :地震出版社,2006．

[3] 日本免震構(gòu)造協(xié)會. 圖解隔震結(jié)構(gòu)入門[M]. 葉列平,譯. 北京: 科學(xué)出版社,1998．

[4] 蘇鍵,溫留漢·黑沙,周福霖 .高層隔震建筑性能分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2009,39(11): 45-47．

[5] 廣州大學(xué).JGJ 297—2013 建筑消能減震技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2013.

[6] 王桂萱,孫曉艷,趙杰. 不同形式軟鋼阻尼器的研究[J].防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報,2014,30(1): 7-15．

[7] 高承勇,張家華.建筑結(jié)構(gòu)中阻尼器消能減震設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)的探討[J].建筑結(jié)構(gòu),2009,39(5): 18-22．

[8] 杜東升,王曙光,劉偉慶. 江蘇銀行宿遷分行營業(yè)辦公樓基礎(chǔ)隔震分析報告[R]. 南京:南京工業(yè)大學(xué)工程抗震研究中心,2009.

[9] 杜東升,王曙光,劉偉慶. 宿遷市公共衛(wèi)生服務(wù)中心主樓結(jié)構(gòu)消能減震分析報告[R]. 南京:南京工業(yè)大學(xué)工程抗震研究中心,2014.

Design of the Structural Seismic Isolation and Energy Dissipation for the High Intensity Seismic Region

XUChuping

2016-08-02

許楚平(1964—),男,江蘇南京人,高級工程師,從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

TU352.1

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1008-3707(2016)11-0016-05