劉大路 周立超 潘文 賴正聰 李永春 張?zhí)飸c

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500; 2.云南省建筑工程設(shè)計(jì)院 昆明 650041；3.中國(guó)建筑第二工程局有限公司 昆明 650501)

*基金項(xiàng)目：云南省教育廳基金項(xiàng)目(2020J0061)。

0 引言

某大底盤雙塔高層建筑位于高烈度地區(qū)，左右兩側(cè)為8層主體結(jié)構(gòu)，中間部分為一層大底盤，結(jié)構(gòu)頂層存在連通兩側(cè)主樓的連廊，高度5.7 m，地震發(fā)生時(shí)，空中連廊與塔樓連接部位受力復(fù)雜會(huì)造成塔樓剛度突變，若不采取有效措施，結(jié)構(gòu)很容易破壞。根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》，該結(jié)構(gòu)在X方向偶然偏心規(guī)定水平力作用下最大層間位移與平均層間位移比為1.24(位于3層1號(hào)塔樓)，大于規(guī)定的1.2限值，應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；同時(shí)雙塔結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮尺寸突變，故該結(jié)構(gòu)屬于一般不規(guī)則結(jié)構(gòu)[1]。針對(duì)上述問題，本文提出采用基礎(chǔ)及頂部連廊組合隔震方案，采用ETABS軟件建立有限元模型并對(duì)其在8度(0.2g)多遇、設(shè)防、罕遇地震作用下的地震反應(yīng)進(jìn)行了分析。

1 工程概況

本工程地上8層,地下1層，高度45.90 m，建筑面積17 337 m2，采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)及《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)，本工程所屬區(qū)域抗震設(shè)防烈度為8度，主體結(jié)構(gòu)框架、剪力墻抗震等級(jí)分別為二級(jí)和一級(jí)，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，建筑場(chǎng)地為III類，場(chǎng)地特征周期0.65 s，水平地震影響系數(shù)最大值為0.16，屬于重點(diǎn)設(shè)防類，乙類建筑[2-3]。結(jié)構(gòu)三維模型圖見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)三維模型

2 隔震設(shè)計(jì)及分析

2.1 隔震措施

本文提出基礎(chǔ)及頂部連廊組合隔震方案進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)。對(duì)兩側(cè)主體與大底盤采取整體隔震，有利于兩側(cè)主體的變形協(xié)調(diào)能力，避免大底盤與主樓相接位置有較大的隔震溝。為減小連廊對(duì)兩側(cè)主樓的不利影響，在與主樓相接位置設(shè)置摩擦擺支座，F(xiàn)PS自帶限復(fù)位裝置以防止墜落；為避免連廊與主體的碰撞，設(shè)置350 mm縫寬。結(jié)構(gòu)頂部連廊采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，上下弦桿采用H型鋼，其余構(gòu)件采用箱型截面。

2.2 隔震支座布置方案

結(jié)合本工程實(shí)例，基礎(chǔ)選用橡膠隔震支座，在抉擇隔震支座直徑、個(gè)數(shù)和布置時(shí)，主要考慮以下因素：①橡膠隔震支座在重力荷載代表值下的豎向壓應(yīng)力不應(yīng)大于12 MPa；②橡膠隔震支座在罕遇地震水平和豎向同時(shí)作用下，其拉應(yīng)力不應(yīng)大于1 MPa；③橡膠隔震支座在罕遇地震作用下的極限水平位移應(yīng)小于其0.55倍有效直徑和支座橡膠層總厚度3倍二者的較小值[4]。

綜合考慮，基礎(chǔ)擬采用80個(gè)支座，104個(gè)隔震墊，考慮到隔震層抗扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，將LRB對(duì)稱布置在隔震層外圍，如圖2所示。結(jié)構(gòu)頂部采用8個(gè)摩擦擺支座(FPS3000)對(duì)稱布置在兩個(gè)連廊連接處，如圖3、圖4所示。各類型支座數(shù)量及力學(xué)性能詳見表1。

圖2 隔震支座布置

圖3 連廊結(jié)構(gòu)平面(單位：mm)

圖4 摩擦擺支座布置

2.3 周期對(duì)比

EATBS非隔震、隔震模型周期對(duì)比結(jié)果如表2所示，采用隔震技術(shù)后，結(jié)構(gòu)周期明顯延長(zhǎng)，且滿足《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》(簡(jiǎn)稱《技術(shù)規(guī)程》)中隔震房屋兩個(gè)方向的基本周期相差不宜超過較小值30%的要求[5]。

表1 隔震支座力學(xué)性能

表2 結(jié)構(gòu)周期對(duì)比

2.4 時(shí)程分析2.4.1 地震波及模擬單元選取

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》5.1.2條，采用時(shí)程分析法時(shí)，應(yīng)根據(jù)地震分組和場(chǎng)地類別情況選取地震波。其中天然波不應(yīng)小于總數(shù)2/3，且平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線應(yīng)在統(tǒng)計(jì)意義上相符。本工程選取了實(shí)際5條天然波和2條人工波，其時(shí)程信息、曲線見表3、圖5，時(shí)程反應(yīng)譜和規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜見圖6。經(jīng)計(jì)算各時(shí)程平均反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜較接近，每條時(shí)程計(jì)算的底部剪力最小占振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的86.46%；7條時(shí)程的底部剪力平均值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的差值在2%左右，均滿足選波要求。

模型的LRB、LNR采用單元庫(kù)中Isolator1進(jìn)行模擬，F(xiàn)PS采用Isolator2進(jìn)行模擬。

表3 時(shí)程信息

圖5 時(shí)程曲線

圖6 時(shí)程反應(yīng)譜和規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

2.4.2 隔震分析

基于ETABS軟件平臺(tái)分別對(duì)1號(hào)塔樓、2號(hào)塔樓及整體模型共3種模型進(jìn)行分析，得到7條地震波作用下的結(jié)構(gòu)X、Y向?qū)娱g剪力比及傾覆彎矩比，并提取其平均值的最大值。如表4所示，隔震前與隔震后上部結(jié)構(gòu)的層間剪力比和傾覆彎矩比均值最大值為0.376。根據(jù)橡膠隔震支座剪切性能偏差分類，取φ=0.85；8度設(shè)防下αmax=0.16，故隔震后水平地震影響系數(shù)最大值為：

amax1=β×amax/φ=0.376×0.16/0.85=0.071其中：β為水平向減震系數(shù)；αmax為非隔震水平地震影響系數(shù)最大值；φ為調(diào)整系數(shù)。

綜上所述，水平地震影響系數(shù)最大值取0.08，上部結(jié)構(gòu)水平地震作用可以按降低1度設(shè)計(jì)。

表4 3種模型層間剪力比和傾覆彎矩比最大值

2.4.3 結(jié)構(gòu)層間位移角

在8度罕遇地震作用下X、Y方向各樓層層間位移角如圖7、圖8所示。

圖7 X方向?qū)娱g位移角

圖8 Y方向?qū)娱g位移角

本工程為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》5.5.5條，彈塑性層間位移角限值為1/100。該結(jié)構(gòu)X、Y方向最大層間位移角均出現(xiàn)在第5層，分別為1/242、1/212，由于頂層局部突出導(dǎo)致Y方向?qū)娱g位移角出現(xiàn)異常，但仍有足夠安全儲(chǔ)備。

2.5 隔震層水平位移驗(yàn)算

隔震層的各隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移應(yīng)小于0.55d=440 mm(本工程采用隔震支座最小直徑為800 mm)及3tr=447 mm(本工程采用橡膠隔震支座最小橡膠層總厚度為149 mm)中的較小值。

隔震層水平位移計(jì)算采用荷載組合為:1.0×(1.0×恒載+0.5×活載)+1.0×水平地震

=1.0D+0.50L+1.0Fek，算出罕遇地震作用下隔震支座最大水平位移為272 mm，小于440 mm，滿足要求。

2.6 基礎(chǔ)隔震支座拉應(yīng)力驗(yàn)算

橡膠隔震支座在罕遇水平和豎向地震同時(shí)作用下的拉應(yīng)力不應(yīng)大于1.0 MPa。橡膠隔震支座拉應(yīng)力驗(yàn)算采用的荷載組合為：1.0×恒載±1.0×水平地震-0.5×豎向地震=0.9D-0.05L±1.0Fek，當(dāng)荷載組合為：0.9D-0.05L+1.0Fek時(shí)，最大拉應(yīng)力為0.60 MPa；當(dāng)荷載組合為0.9D-0.05L-1.0Fek時(shí)，最大拉應(yīng)力為0.62 MPa，均滿足要求。

2.7 補(bǔ)充三向地震動(dòng)分析(罕遇地震)

(1) 輸入說明。由于本結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有多項(xiàng)不規(guī)則，故本節(jié)補(bǔ)充了三向地震動(dòng)作用下的隔震分析。主方向地震波為2.4.1節(jié)中使用的地震波，次方向和豎向地震波為其對(duì)應(yīng)時(shí)程的垂直方向和豎向地震波。進(jìn)行罕遇地震分析時(shí)輸入加速度峰值為400g，次方向和豎向峰值加速度分別取主方向峰值加速度的0.85倍和0.65倍。因此，三向地震動(dòng)峰值加速度分別為主方向：400g；次方向：340g；豎向方向：260g。

(2) 隔震效果。驗(yàn)算得到隔震層最大水平位移為293 mm，小于0.55D及3tr中的較小值，滿足要求。當(dāng)荷載為1.0Fek時(shí)，隔震支座最大拉應(yīng)力為0.67 MPa；當(dāng)荷載為-1.0Fek時(shí)，隔震支座最大拉應(yīng)力為0.59 MPa，滿足規(guī)范中小于1.0 MPa的要求。

提取7條罕遇三向地震波作用下FPS支座位移，如表5所示。該表格對(duì)結(jié)構(gòu)頂部連廊抗震縫取值具有指導(dǎo)性意義。

表5 FPS支座位移 mm

3 溫度應(yīng)力分析

該結(jié)構(gòu)最大長(zhǎng)度為53.250 m，屬于超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，溫度應(yīng)力較明顯，設(shè)計(jì)時(shí)采取以下針對(duì)性技術(shù)措施：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在主樓豎向區(qū)域設(shè)置溫度膨脹帶，溫度膨脹帶寬度為2 000 mm；加強(qiáng)長(zhǎng)方向兩端抗側(cè)力構(gòu)件的截面及配筋；加強(qiáng)的最小板厚取120 mm，屋面板筋及山墻內(nèi)一跨最小配筋率取0.25%，且雙層雙向拉通設(shè)置。在樓層四大角及外墻轉(zhuǎn)角處增設(shè)抗裂鋼筋；加強(qiáng)長(zhǎng)方向框架梁的腰筋，間距按150 mm進(jìn)行設(shè)置。

為了研究混凝土收縮對(duì)隔震支座的影響且考慮到高層結(jié)構(gòu)頂部受溫度應(yīng)力影響較大，建立考慮溫度應(yīng)力的隔震模型進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)所在地區(qū)氣溫情況，設(shè)置合攏時(shí)溫度15 ℃。溫度應(yīng)力升降溫差按15 ℃考慮[6-7]。ETABS對(duì)隔震層樓板及部分樓層樓板的±15 ℃溫度應(yīng)力分析如圖9、圖10所示。

圖9 隔震層、頂層升溫15 ℃樓板應(yīng)力分布

圖10 隔震層、頂層降溫15 ℃樓板應(yīng)力分布

在升溫和降溫作用下，支座最大變形為5.76 mm，即使在罕遇地震作用下，支座最大變形也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于限值。樓板拉應(yīng)力最大為0.50 MPa，出現(xiàn)在隔震層范圍內(nèi)，遠(yuǎn)小于C40混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.39 MPa，滿足要求。

4 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)該大底盤雙塔高層頂部連廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析，得出以下結(jié)論：

(1)采用本文提出的基礎(chǔ)及頂部連廊組合隔震方案后，結(jié)構(gòu)周期明顯延長(zhǎng)，在三向罕遇地震動(dòng)和溫度應(yīng)力作用下各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，通過本文方案設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)隔震效果顯著。

(2)通過對(duì)1號(hào)塔樓、2號(hào)塔樓及整體模型對(duì)比分析得到結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下隔震前、后水平層間剪力比及傾覆彎矩比平均值的最大值為0.376。根據(jù)規(guī)范得出地震影響系數(shù)最大值為0.08，上部結(jié)構(gòu)水平地震作用可以按降低一度設(shè)計(jì)。

(3)在8度罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角出現(xiàn)在第5層，其值為1/212，只達(dá)到限值的47%；最大隔震層位移是272 mm，為限值的61%。有較大的地震安全儲(chǔ)備。