高层隔震结构竖向地震作用分析

高层隔震结构竖向地震作用分析

0高层隔震设计中的应用必要性抗疲劳防滑墙具有很强的抗疲劳动性，特别是在高度范围内，对抗疲劳动安全和使用功能有很高的要求或要求。如地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线、地震时可能导致大量人员伤亡、使用上有特殊要求如涉及国家公共安全和地震时可能发生严重次生灾害等的建筑工程,均可考虑采用隔震技术。目前,隔震技术在高层建筑中的应用越来越广泛,尤其是汶川地震后出现了一大批高层隔震建筑。由于隔震设计及所采用的材料与以往的设计习惯有很大的不同,因此有必要对高层隔震设计中需注意和考虑的问题进行研究。以抗震设防烈度为9度区的某小区高层隔震建筑为例加以讨论。1结构体系及隔震层建设概况昆明市东川区某商住楼小区,设防烈度为9度(0.40g),设计地震分组为第二组,场地类别为Ⅱ类,场地特征周期为0.4s,抗震设防类别为丙类。小区共13栋高层建筑,1栋建筑为14层,其余为17层,高度均在50m以上,最高为53.7m。地上部分建筑面积约13万m2,为云南省9度区已经建成的最高隔震建筑,效果图如图1所示。本文介绍其中一栋17层的建筑,其1,2层层高为3.6m,标准层层高为3m,室内外高差为0.45m。剪力墙厚度为200,300mm,标准层框架梁尺寸为300×600,200×600,200×500,隔震层顶部梁尺寸为400×700,700×1000,隔震层混凝土强度等级为C50,上部结构混凝土强度等级为C50~C30。建筑隔震支座剖面见图2。2增加建筑使用空间工程在方案阶段根据建筑的设防类别、设防烈度、建筑高度等因素,与采用传统抗震设计的方案进行了对比分析。采用传统抗震技术(剪力墙结构)进行计算后发现墙肢截面和配筋量都较大,难以满足建筑使用功能要求。对于传统抗震结构来说,构件截面尺寸越大其刚度也越大,吸收的地震作用也随之增加,不仅造成材料的浪费,且对罕遇地震作用下的结构安全不利。采用隔震技术后,有效地降低了上部结构吸收的地震作用,增加了建筑使用空间。最后确定采用隔震技术。3地震安全性分析国内外的大量试验和工程经验表明,隔震一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右,从而消除或有效减轻结构和非结构构件的地震损坏,提高建筑物及内部设施和人员的地震安全性,增强了震后建筑物继续使用的功能。将隔震结构抗震设防三水准目标概括为“小震不损坏、中震不修理、大震可使用”,大致相当于“当遭受多遇地震时,基本不受损坏和不影响使用功能;当遭受设防地震时,不需修理仍可继续使用;当遭受罕遇地震时,不发生危及生命安全和丧失使用价值的破坏。”《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)(简称抗规)对隔震计算分析的相关要求见表1。4隔震设计的分类为使隔震设计更具有可操作性,且结合设计人员的设计习惯,我国相关规范、规程对隔震设计采用分部设计法,即将隔震设计分为上部结构设计、隔震层(隔震装置)设计、下部结构设计(支墩、支柱及相连构件、地下室和隔震塔楼下的底盘)、基础设计等。4.1结构反应对比分析在含隔震结构的大型工程采用SATWE软件对上部结构进行了多遇地震下的振型分解反应谱法分析,采用ETABS软件进行了设防地震、罕遇地震下的隔震结构时程分析,且为保证计算模型的准确性,对两种软件的非隔震结构在设防地震下的结构反应进行了对比分析。两种软件计算得到的质量、周期差异很小,各层间剪力(除顶层外)差异也很小,结果表明分析模型是可靠的,能够作为设计、计算分析的依据。4.2调整竖向地震作用分值结构所受的地震作用,既有水平分量也有竖向分量。目前采用的橡胶隔震支座对水平地震作用向上部结构输入的减小效果明显,但对竖向地震作用的减小效果较差,导致隔震后上部结构的竖向地震作用有可能会大于水平地震,因此竖向地震的影响不可忽略。采用分部设计法进行上部结构设计时,大多采用PKPM系列软件,其竖向地震作用与水平地震影响系数最大值相关。上部结构设计时采用隔震后的水平地震影响系数,将导致与其相关的竖向地震作用不满足要求。因此,为确保竖向地震作用按照规范的要求取值,需对竖向地震作用进行调整。一种方法是直接调整竖向地震作用分项系数,另一种方法是调整“地震影响系数最大值αmax”与“全楼地震作用放大系数β”。调整后系数的取值可按表2,3采用,表格中的减震系数为抗规的水平向减震系数。4.3抗疲劳结构分析与设计4.3.1隔震层偏心率项目共布置有53个隔震支座,其中有铅芯LRB800,LRB900,LRB1000各为35,10,8个,均为叠层橡胶支座,具体参数见表4,结构隔震前后的周期对比见表5。(1)在永久荷载和可变荷载的组合下,计算得到的橡胶支座压应力最大值为10.7MPa,位于?轴与(9)轴相交处的ZZ7支座,小于规范15MPa的要求。考虑竖向地震作用和倾覆力矩对支座压应力的影响后仍满足要求。(2)日本规范明确规定隔震层在两个主轴方向的偏心率应小于3%。我国规范对隔震层偏心问题仅有定性的规定,并未对隔震层偏心率提出具体指标。随着隔震层质心与其刚度中心距离的变大,隔震支座位移将变大,上部结构扭转效应也会变大,尤其对于角部支座及上部结构角部的位移和扭转效应可能会有较大影响。设计时对隔震层偏心率进行了计算和控制,其中X向偏心率为2.15%、Y向偏心率为2.38%,均小于3%,质心与刚心位置见图3。(3)为保证抗风装置的有效性和隔震装置在多次地震作用下仍保持良好的复位性能,隔震层应具有足够的水平承载能力及弹性恢复力。风荷载作用下隔震层的水平剪力标准值X向为760kN、Y向为853kN,小于重力荷载代表值170210kN的10%。风荷载作用下隔震层的水平剪力设计值X向为1064kN、Y向为1194kN,抗风装置水平承载力设计值6090kN,隔震支座弹性恢复力为14582kN。从计算结果可以看出,隔震层水平承载力及弹性恢复力满足要求。4.3.2足建筑抗震设计试验研究表明橡胶支座拉伸刚度一般是压缩刚度的1/10~1/5。隔震计算分析时,通常采用支座拉伸刚度与压缩刚度相等的模型,这样将高估支座的拉伸刚度,使得计算的支座拉应力与实际大小相差较大,特别是对于高宽比较大的隔震结构可能将影响隔震方案实施的可行性。以剪切变形为主、高宽比较小的隔震结构,在水平地震作用下,上部结构呈整体平动,分析时隔震支座可采用拉、压刚度相等的模型;以弯剪变形为主、高宽比较大的隔震结构,由于上部结构对隔震支座产生附加弯矩,在水平和竖向地震作用下,隔震层四周或刚度相对较集中的剪力墙下的支座可能出现拉应力,分析时隔震支座可采用拉、压刚度不等的模型。本工程高宽比较大,分析时采用支座拉、压刚度不等的模型。(2)隔震分析考虑到地震作用的随机性,为获得较合理的结果,采用时程分析法进行隔震结构计算分析,并选取了5条实际强震记录和2条人工模拟的加速度时程曲线,7条时程曲线满足建筑抗震设计的相关要求如特征周期、加速度峰值、持时等。其中,5条天然波分别为1952年Taft波、1971年Sanfernando波、1987年Whittier波、1994年Lakewood波、1994年CanogaPark波,人工波根据本工程场地性质合成。图4给出了7条时程曲线及平均值拟合反应谱与规范反应谱对比的结果。对比隔震前后的地震响应可以看出,隔震后上部结构的最大楼层剪力只相当于非隔震结构的30%左右。其中上部结构层间剪力比最大值为0.310,各层倾覆力矩比最大值为0.323。计算得到隔震后水平地震影响系数最大值为0.129,隔震后上部结构的水平地震作用大致与7度(0.15g)相当。非隔震结构与隔震结构层间剪力、倾覆力矩、位移的对比见图5~7(图中楼层1为隔震层,楼层19为出屋面楼梯间)。隔震结构通过橡胶支座的大变形耗散能量,从而提高了上部结构的抗震性能,从图7可以看出隔震后结构位移主要集中在隔震层,上部结构相对位移只有非隔震结构的1/3左右。隔震后上部结构的层间位移角最大值X,Y向各为1/1020,1/988,基本能保持弹性。各橡胶支座在罕遇地震作用下最大位移X,Y向分别为222,225mm,均小于440mm,满足规范要求,见图8。罕遇地震作用下支座应力值见图9,10,其中压应力为负,拉应力为正。支座受拉后内部有损伤,降低了支座的弹性性能,且支座受拉意味着上部结构存在倾覆的危险。在罕遇地震的水平和竖向地震同时作用下,拉应力不应大于1MPa。本工程橡胶支座最大拉应力出现在ZZ45支座,为0.358MPa<1MPa。从图9可以看出,支座短期应力极大值均小于20MPa。从图10可以看出,在罕遇地震下出现拉应力的支座有近一半。支座短期应力统计的是整个时程分析过程中出现的应力最大值,其拉应力或压应力最大值不会同时出现在某一时刻。当结构向上运动时,支座同时出现拉应力且达到最大值的可能性很小。同理,当结构向下运动时,支座同时出现压应力最大值的可能性也很小。因此能保证支座在罕遇地震下的稳定性。隔震结构倾覆力矩随着设防烈度、高宽比的增大而增大,抗倾覆力矩基本与烈度无关,主要取决于上部结构的自重。结构的高宽比对隔震结构的抗倾覆性能影响比结构基本周期更具有相关性。本工程进行抗倾覆验算时,取罕遇地震作用下的倾覆力矩作为整体倾覆力矩,整体抗倾覆力臂取至边支座中心线。其中X,Y向抗倾覆安全系数各为3.40,3.37,均大于1.2,满足要求。直接支承橡胶支座的下支墩对保证隔震效果起着至关重要的作用,有必要对其提出较常规设计更高的要求,使其在罕遇地震作用下仍能发挥作用。设计中下支墩及其相连构件,均采用隔震结构罕遇地震下支座底部的竖向力、水平力和力矩进行承载力验算。计算时考虑了在地震作用下隔震层出现位移后,轴向力引起的附加弯矩。4.3.3电梯井侧壁布置隔震结构在地震时会发生较大的水平位移,为保证隔震层在罕遇地震下具有较大变形的能力,设计时在上部结构的周边设置竖向隔离缝,缝宽取为500mm;上部结构与下部结构之间设置完全贯通的水平隔离缝,缝高取20mm,并用柔性材料填充;电梯井侧壁采用下挂的方式处理,井道外皮至地下室柱、填充墙等非隔震部分的净距大于500mm;悬挂电梯的地坑底板外皮至基础底板上皮净距不小于600mm;穿越隔震层的排水管道、电气电缆及导线等,均采用柔性连接或其他有效措施以适应隔震层在罕遇地震作用下对水平位移的要求。5设计特点及建议(1)通过隔震分析9度区的高层建筑,隔震后上部结构的最大楼层剪力只相当于非隔震结构的30%左右,水平地震作用大致与7度(0.15g)相当。由于水平地震作用的减小,使得构件截面尺寸和配筋减小、跨度增大及高度增加等,增加了建筑的使用空间,且提高了结构的抗震性能。(2)本工程隔震层设计合理,各项指标均满足规范要求。隔震层偏心率小于3%、重力荷载代表值下的支座压应力小于15MPa、在罕遇地震的水平和竖向地震同时作用下拉应力均小于1MPa、抗倾覆比大于1.2、抗风及弹性恢复力验算及最大位移等均满足规范要求。(3)直接支承橡胶支座的下支墩及其相连构件均按罕遇地震作用进行承