劉 輝，李 嬌

(1.中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.云南建投第四公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

隔震技術(shù)能顯著地減小上部結(jié)構(gòu)的地震作用，大大提高結(jié)構(gòu)的安全性，但是《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了采用隔震技術(shù)時(shí)的種種限制條件，極大地限制了隔震技術(shù)的推廣及應(yīng)用。文章探討在低烈度區(qū)高寬比超4時(shí)的高層結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)的可行性，并通過(guò)計(jì)算分析驗(yàn)證其可行性。

1 工程概況

該工程抗震設(shè)防烈度為7度(0.15 g)，特征周期0.45 s。結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，地上34層，建筑結(jié)構(gòu)主體高度99.70 m，寬20.28 m，高寬比4.92。見(jiàn)圖1。

2 隔震模型建立以及準(zhǔn)確性驗(yàn)證

由于ETABS具有強(qiáng)大的非線(xiàn)性分析能力，同時(shí)也能較準(zhǔn)確地建立模型隔震裝置，工程采用ETABS進(jìn)行計(jì)算與分析。本結(jié)構(gòu)模型依據(jù)PKPM建模得到。ETABS模型見(jiàn)圖2。

為了驗(yàn)證隔震模型的準(zhǔn)確性，將有限元模型和PKPM模型計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、結(jié)構(gòu)的前3周期和層間剪力3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比。表中差值為：(|ETABS-SATWE|/SATWE)×100%。

由表1可知，2種軟件模型的質(zhì)量非常接近，誤差在5 %以?xún)?nèi)。

表1 非隔震結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)比

由表2可知，3種軟件模型的前三階階模態(tài)的自振周期也非常接近，誤差在5 %以?xún)?nèi)。由圖3可知，2種軟件模型的各層剪力非常接近(底層剪力除外)。

表2 非隔震結(jié)構(gòu)周期對(duì)比

綜上所述，有限元分析模型與原來(lái)的結(jié)構(gòu)模型在主要指標(biāo)上誤差較小，可認(rèn)為采用有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)隔震的計(jì)算和分析是可行的。

3 地震動(dòng)輸入

該工程依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)5.1.2條的規(guī)定選取了實(shí)際5組三向強(qiáng)震記錄的天然時(shí)程和2組人工模擬加速度時(shí)程，7條時(shí)程主方向擬合的反應(yīng)譜曲線(xiàn)和規(guī)范反應(yīng)譜曲見(jiàn)圖4。

根據(jù)《抗規(guī)》條文說(shuō)明，當(dāng)?shù)卣鸩ò慈蜉斎霑r(shí)，其加速度最大值按：1(水平1)：0.85(水平2)：0.65(豎向)的比例進(jìn)行調(diào)整。該工程按1(主方向)：0.85(次方向)：0.65(豎向)的系數(shù)對(duì)加速度峰值進(jìn)行調(diào)整，分別以結(jié)構(gòu)的X、Y向?yàn)橹鞣较蜉斎氲卣鸩?，結(jié)構(gòu)的基底剪力見(jiàn)表3。

表3 非隔震結(jié)構(gòu)基底剪力

單向地震動(dòng)如下：

R1：2 特征周期0.45s人工波

R2：ACC2特征周期0.45s人工波

T1：NGA_1190CHICHI.CHY019_FN

T2：NGA_1191CHICHI.CHY022_FN

T3：NGA_2990CHICHI05.CHY107_FN

T4：LOMAPHCH090

T5：NGA_1291CHICHI.HWA044_FN

《抗規(guī)》規(guī)定：在結(jié)構(gòu)主要的周期點(diǎn)上，多組時(shí)程波的平均地震影響系數(shù)與振型分解反應(yīng)譜法的地震影響系數(shù)曲線(xiàn)相比相差不大于20 %。詳細(xì)情況見(jiàn)表4～5。

表4 隔震前地震影響系數(shù)

表5 隔震后地震影響系數(shù)

綜上所述，此計(jì)算選取的7組地震波符合規(guī)范要求。

4 隔震支座布置

4.1 布置方案

(1)根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》12.2.3條規(guī)定：橡膠隔震支座應(yīng)設(shè)置在結(jié)構(gòu)豎向力較大的位置，總體上滿(mǎn)足均勻分散的要求；各個(gè)支座的豎向壓應(yīng)力相差不宜過(guò)大，重力荷載代表值下的壓應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)丙類(lèi)建筑的限值15 MPa。

(2)在罕遇地震作用下，隔震支座的最大拉應(yīng)力不應(yīng)大于1 MPa。該工程中的隔震支座在各種工況下的的最大拉應(yīng)力為0.56 MPa，見(jiàn)圖5。

(3)在罕遇地震作用下，隔震支座的水平位移應(yīng)小于其有效直徑的0.55倍(0.55D=440 mm)，且小于內(nèi)部橡膠層總厚度3倍(3Tr=447 mm)。罕遇地震下，隔震層中支座的最大位移264 mm，小于規(guī)范440 mm的限值要求。

根據(jù)《抗規(guī)》12.1.3條，風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平荷載宜小于隔震結(jié)構(gòu)總重力的10 %，本工程風(fēng)荷載的產(chǎn)生的總水平荷載為2 203.5 kN，結(jié)構(gòu)的總重力為244 431.5 kN，滿(mǎn)足規(guī)范要求；隔震層屈服力與結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下產(chǎn)生的水平力的比值為1.8>1.4，滿(mǎn)足要求。

4.2 隔震支座壓應(yīng)力驗(yàn)算

各隔震支座在重力荷載代表值下的壓應(yīng)力見(jiàn)圖6，由圖6可知，各隔震支座均小于15 Mpa的限值，且各隔震支座有足夠的安全儲(chǔ)備；同時(shí)各隔震支座的壓應(yīng)力較均勻，支座布置的較為合理。

4.3 支座水平恢復(fù)力特性

為了避免結(jié)構(gòu)在隔震支座屈服前不必要的位移和振動(dòng)，隔震層必需具備足夠的屈服前剛度，將鉛芯橡膠支座和天然橡膠支座的水平剛度簡(jiǎn)化為雙線(xiàn)性，隔震層的水平恢復(fù)力特性有鉛芯橡膠支座和天然橡膠支座共同組成，見(jiàn)圖7。隔震層屈服前剛度：K1=19×19.67+4×21.67+4×17.35=529.81 kN/mm；隔震層屈服后剛度：K2=19×1.51+4×1.67+4×1.33=40.69 kN/mm。

5 地震分析

5.1 設(shè)防地震分析

5.1.1 基本要求

《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》4.1.3規(guī)定：采用隔震技術(shù)后，為了使結(jié)構(gòu)各個(gè)方向受力均勻，結(jié)構(gòu)在2個(gè)方向的相差宜小于較小周期的30 %。由表6可知，采用隔震技術(shù)后，結(jié)構(gòu)2個(gè)方向的基本周期滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表6 隔震后結(jié)構(gòu)主要周期對(duì)比

5.1.2 減震系數(shù)

由圖8分析得到隔震層以上結(jié)構(gòu)，隔震前后結(jié)構(gòu)層間剪力比值(隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu))和層間傾覆力矩比值(隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu))平均值的最大值為0.455，說(shuō)明結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)后，隔震層以上結(jié)構(gòu)的地震作用明顯減小，結(jié)構(gòu)的安全性顯著提高。

5.1.3結(jié)構(gòu)層間位移角

由圖9可知，在設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)采用基礎(chǔ)隔震后，隔震層上部結(jié)構(gòu)的地震作用明顯減小，樓層位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的限值。同時(shí)各樓層的層間位移角相差較小，整個(gè)隔震層以上結(jié)構(gòu)可近似的看做是一整個(gè)剛體的平動(dòng)，大大減小了地震時(shí)上部人員的不適感。

5.2 罕遇地震分析

5.2.1 支座面壓

罕遇地震作用下驗(yàn)算隔震支座面壓的豎向力采用的荷載組合：1.0×恒荷載+0.5×活荷載+1.0×地震作用，地震作用為：1.0主+0.85次+0.65豎向，見(jiàn)圖10。

5.2.2 支座拉應(yīng)力

罕遇地震下隔震支座驗(yàn)算隔震支座拉應(yīng)力的豎向力的荷載組合：1.0×恒荷載±1.0×水平地震作用，地震作用組合為：1.0主方向+0.85次方向+0.65豎向地震。見(jiàn)圖11～12。

由圖10～12可知，罕遇地震作用下，隔震支座的最大壓應(yīng)力均滿(mǎn)足規(guī)范要求；正向地震作用下，各橡膠隔震支座最大拉應(yīng)力為0.48 MPa，小于1.0 MPa，出現(xiàn)在1號(hào)支座，支座類(lèi)型為L(zhǎng)RB900；橡膠支座負(fù)向地震作用下，最大拉應(yīng)力為0.56 MPa，小于1.0 MPa，出現(xiàn)在1號(hào)支座，支座類(lèi)型為L(zhǎng)RB900，滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定1.0 Mpa的限值。

5.2.3結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算

由于該隔震房屋的高寬比4.92，超過(guò)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)的規(guī)定的隔震結(jié)構(gòu)高寬比不宜大于4的要求，所以補(bǔ)充驗(yàn)算了該結(jié)構(gòu)的抗傾覆性。計(jì)算傾覆力矩時(shí)按罕遇地震作用下的傾覆力矩，計(jì)算抗傾覆力矩按上部結(jié)構(gòu)重力代表值計(jì)算得來(lái)。

該工程的上部結(jié)構(gòu)重力代表值為：259 129 kN，結(jié)構(gòu)X方向?qū)挾葹?0.28 m，Y方向?qū)挾葹椋?2.38 m，故該結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩為：X方向2 735 189 kN·m，Y方向?yàn)? 478 536 kN·m。罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)底部的最大傾覆力矩為：X方向1 049 845 kN·m，Y方向?yàn)? 037 281 kN·m。則抗傾覆安全系數(shù)為：X方向2 735 189/1 049 845=2.60>1.20；Y方向=2 478 536/1 037 281=2.38>1.20，滿(mǎn)足要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)采用隔震技術(shù)后，結(jié)構(gòu)上部的地震作用顯著減少，結(jié)構(gòu)的安全性顯著提高。

(2)在低烈度區(qū)的高寬比超過(guò)4的高層結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)后，結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和抗傾覆計(jì)算滿(mǎn)足規(guī)范要求，說(shuō)明在低烈度區(qū)的超限高層采用隔震技術(shù)的可行性。