王 鑫

（甘肅省建設(shè)設(shè)計咨詢集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

近年來我國減震技術(shù)逐漸成熟，在復雜高層建筑中均應(yīng)用新型抗震技術(shù)，將減震裝置布設(shè)在高層建筑內(nèi)[1]，以消散地震帶來的能量，分擔建筑結(jié)構(gòu)中的地震能量，起到保護復雜建筑結(jié)構(gòu)的作用，提升建筑的安全性。

現(xiàn)在有很多學者研究高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中隔震減震控制技術(shù)，如吳小賓等人[2]提出組合隔震技術(shù)在復雜高層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用方法，該方法將不同減震器組合后，安裝到高層建筑中，以減少建筑結(jié)構(gòu)偏置引起的結(jié)構(gòu)扭曲作用，提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震性；齊毅男等人[3]提出新型抗拉裝置在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用方法，該方法以力學試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，推導出簡化的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震能力限值，再將抗拉裝置應(yīng)用到高層建筑抗震結(jié)構(gòu)中，提升高層建筑結(jié)構(gòu)的拉壓狀態(tài)下的力學特性。以上兩種方法在實際應(yīng)用中雖都取得一定成果，但均存在抗震效果欠佳的情況。因此，本文提出一種隔震減震控制技術(shù)，應(yīng)用于復雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可有效提升高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力。

1 工程概況

以某綜合建筑項目作為試驗對象，該建筑總高度72.4m，地上共17 層，由塔樓和裙房組成，地下2 層，分別為地下室和地下停車場，建筑平面呈“Z”型，長度為138.2m，最大寬度為48.4m，單肢寬度為24.5m。地上17 層中包括裙房4 層，裙房高度22.5m，建筑的矩形面長度和寬度分別為195.5m 和110m。該建筑項目形狀特殊，整體結(jié)構(gòu)較為復雜，增加了其隔震減震控制難度。建筑剖面如圖1所示。

圖1 復雜高層建筑項目剖面圖

該項目為商住兩用建筑，其防震屬于重點設(shè)防類別，建設(shè)位置距離地質(zhì)活躍斷裂帶小于4km，受地震影響嚴重。整體建筑結(jié)構(gòu)較為復雜，雖然其底盤較大但結(jié)構(gòu)為單塔結(jié)構(gòu)，塔樓偏置的同時其平面也不夠規(guī)則，整體建筑高度為72.4m，已經(jīng)超過9 度區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的適用高度。由此可見，該建筑項目為復雜高層建筑結(jié)構(gòu)，其防震減震難度較大。

2 復雜高層建筑結(jié)構(gòu)隔震減震控制設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)換梁與抗風設(shè)計

2.1.1 轉(zhuǎn)換梁設(shè)計

復雜高層建筑在遭受大風時，受風力影響樓體結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)震動，在試驗對象的隔震層設(shè)置轉(zhuǎn)換梁，利用剪力墻和隔震支座對其進行固定[4]，在設(shè)計轉(zhuǎn)換梁時，考慮轉(zhuǎn)換梁構(gòu)造要求，盡量避免次梁轉(zhuǎn)換。因此，該轉(zhuǎn)換梁依據(jù)中震不屈服的性能要求設(shè)計，轉(zhuǎn)換梁上部結(jié)構(gòu)采用0.12 水平地震影響系數(shù)的最大值，下部結(jié)構(gòu)則采用0.34水平地震影響系數(shù)的最大值。

2.1.2 抗風設(shè)計

抗風設(shè)計是復雜高層建筑隔震減震設(shè)計的重要內(nèi)容。由于要考慮隔震減震結(jié)構(gòu)在發(fā)揮最佳效應(yīng)時建筑的舒適度要求[5]，因此，隔震減震結(jié)構(gòu)需具有足夠的屈服前剛度和屈服承載力。故設(shè)計抗風設(shè)施時，抗風設(shè)施與隔震減震結(jié)構(gòu)之間需滿足以下約束條件：

式中：γw——風荷載分項系數(shù)（本文取值為1.35）；

Urw——建筑抗風設(shè)置水平方向承載力設(shè)計值；

Uwk——在風荷載作用下，建筑隔震減震層水平剪力標準值。

依據(jù)公式（1）約束條件，首先設(shè)計該復雜高層建筑抗風參數(shù)，在其基礎(chǔ)上設(shè)計該高層建筑隔震減震系統(tǒng)。

2.2 組合隔震減震系統(tǒng)設(shè)計

該綜合建筑總體結(jié)構(gòu)為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，在滿足建筑結(jié)構(gòu)防風設(shè)施與隔震減震結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的條件下[6]，使用組合基礎(chǔ)隔震減震技術(shù)，選擇不同類型支座和黏滯阻尼器組成隔震減震系統(tǒng)，其支座數(shù)量以及主要參數(shù)見表1；黏滯阻尼器分為X向和Y向，其參數(shù)如表2所示。

表1 隔震支座主要參數(shù)與使用數(shù)量

表2 黏滯阻尼器主要參數(shù)與使用數(shù)量

2.3 隔震減震效果相關(guān)參數(shù)計算分析

設(shè)計完隔震減震系統(tǒng)后，對其效果進行充分驗證。隔震減震系統(tǒng)中的隔震支座負責承載豎向力，則應(yīng)用隔震減震系統(tǒng)后[7]建筑豎向地震作用標準值FEvk計算公式如下：

式中：αvmax——豎向地震影響系數(shù)的最大值；

δeq——建筑結(jié)構(gòu)等效總重力荷載。

復雜高層建筑結(jié)構(gòu)每層質(zhì)心沿著垂直于地震作用方向的偏移值叫做偶然偏心[8]，則第i個質(zhì)心的偶然偏心值計算公式如下：

式中：ei——第i個質(zhì)心的偶然偏心值；

Yi——第i個質(zhì)心垂直地震作用方向建筑物總長度。

當發(fā)生地震時，建筑結(jié)構(gòu)體系的水平位移主要集中在隔震減震裝置上，隔震減震結(jié)構(gòu)在抗震時的加速度反應(yīng)衰減比Za計算公式如下：

式中：? ?n——固有頻率比；

η——阻尼比。

3 隔震減震效果模擬試驗

利用有限元軟件建立試驗對象仿真模型，通過在試驗環(huán)境內(nèi)模擬地震作用，對結(jié)構(gòu)隔震減震效果進行測試，以驗證方法的應(yīng)用效果。

在仿真軟件內(nèi)模擬3級、4級和5級地震，計算該建筑物隔震減震前后的結(jié)構(gòu)自振周期，結(jié)果如表3所示。

表3 復雜建筑物隔震前后結(jié)構(gòu)自振周期變化（單位：s）

由表3 分析可知，該復雜高層建筑進行隔震減震處理后，在地震時結(jié)構(gòu)自振周期得以延長，說明其分散地震能量的能力得到增強。

以該復雜高層建筑基底剪力作為衡量指標，測試在不同震型階數(shù)情況下，隔震前和隔震后其基底剪力變化情況如圖2所示。

圖2 復雜高層建筑基底剪力曲線

由圖2 分析可知，該復雜高層建筑在隔震減震處理前，在震型階數(shù)為3 時基底剪力數(shù)值最高，隨著震型階數(shù)不斷增加，呈現(xiàn)波動下降趨勢，在震型階數(shù)為9 時基底剪力為小幅度上升狀態(tài)。而進行隔震減震處理后，雖然在震型階數(shù)為3 時，其基底剪力數(shù)值有所降低，但隨著震型階數(shù)增加，隔震后的建筑結(jié)構(gòu)基底剪力始終保持在0MN 左右。上述結(jié)果說明，該復雜高層建筑在受到地震作用時，沒有隔震減震處理時基底剪力數(shù)值較高，結(jié)構(gòu)承受的地震荷載較大，其抗震性能不佳。而使用本文方法對其進行隔震減震處理后，其基底剪力數(shù)值較小，整體建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力較強。

以偶然偏心值作為衡量指標，測試在不同地震等級情況下，該建筑隔震前后的偶然偏心值變化情況，結(jié)果如表4所示。

表4 建筑結(jié)構(gòu)偶然偏心值

由表4 分析可知，依據(jù)建筑物長度可計算出該建筑結(jié)構(gòu)的偶然偏心值為6.91，而在不同地震等級下，該建筑結(jié)構(gòu)的偶然偏心值均小于6.91，說明在地震導致地面運動扭轉(zhuǎn)時，該建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角度和位移較小，其抗震性能較好。

4 結(jié)束語

本文研究隔震減震控制技術(shù)在復雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，并通過模擬仿真試驗的方式對其進行驗證，結(jié)果表明：利用本文方法對復雜高層建筑進行隔震減震處理后，在不同地震等級情況下建筑的偶然偏心數(shù)值較小，且建筑的基底剪力數(shù)值較小，說明該建筑抗震能力得到有效提升，本文方法應(yīng)用效果較佳。