高层建筑隔震设计方案论文

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1工程概况

某高层住宅楼为框架-剪力墙结构，建筑类别为丙类建筑。建筑总高度为84.6m，高宽比2.74，地上28层（不包括隔震层），带两层裙房，地下室2层。隔震层层高为1.6m，1层层高4.7m，2~27层层高为2.9m，28层层高为4.5m。柱子截面尺寸主要有800mm×800mm，700mm×700mm，600mm×600mm和400mm×400mm，混凝土等级为C50~C30。隔震层梁截面尺寸主要为800mm×800mm和300mm×700mm，混凝土等级为C35。上部结构梁截面尺寸主要有400mm×700mm，350mm×700mm，300mm×800mm，300mm×700mm，300mm×600mm和200mm×500mm，混凝土等级为C35~C30。剪力墙厚度为400~200mm，混凝土等级为C50~C30。隔震层楼板为200mm，顶层楼板厚度为120mm，中间楼层板厚为100mm，楼梯间板厚150mm，混凝土等级为C35~C30。结构设计使用年限为50年。主要设计依据：①场地土的类型为中硬场地土，场地类别II类，设计地震分组第三组；②基本风压按50年一遇的基本风压采用，取0.55kN/m2，地面粗糙度B类；③区域抗震基本烈度8度，设计基本地震加速度0.3g。该工程隔震层位于地下室顶面，隔震支座均在同一标高，隔震设计目标为上部结构地震作用和构造均按降一度考虑。

2隔震方案设计

目前国内常用隔震设计方案主要是采用带铅芯和不带铅芯的叠层橡胶支座以及粘滞阻尼器配合使用。隔震层抗风装置主要利用带铅芯的叠层橡胶垫或配合使用金属阻尼器。

2.1三种隔震方案

第一种采用带铅芯和不带铅芯的叠层橡胶支座，即目前国内常用的隔震方案，其中抗风承载力主要由铅芯提供。第二种采用带铅芯叠层橡胶支座、不带铅芯叠层橡胶支座和摩擦滑板支座混合隔震，即在方案一基础上，将裙房非铅芯支座L27、L30、L35、L37、L38、L39、L40、L41、L46、L47、L49和L50全部换成摩擦滑移支座，其中抗风承载力由带铅芯叠层橡胶支座和滑移支座二者共同提供。第三种是在第一种方案基础上将L11、L17、L28和L31换成不带铅芯的叠层橡胶支座，并且隔震层两个方向分别安装4个破坏荷载为250kN的专门抗风装置。该抗风装置在风荷载作用下和铅芯共同提供抗风承载力，当地震作用超过其破坏荷载时退出工作。三种方案隔震支座布置时应尽量使得结构质心和刚心尽量重合，并使结构抗扭刚度尽量大。各支座力学参数见表1所示。计算表明三种方案隔震支座性能验算（包括压应力验算、拉应力验算、最大位移验算和层回复力验算）均满足规范要求，抗风承载力均大于风荷载设计值。采用ETABS对三种隔震方案进行分析，上部结构采用弹性模型和刚性隔板假定，取地下室顶部为嵌固端，隔震单元采用非线性连接单元。考虑叠层橡胶支座拉压刚度不等，取受拉刚度为受压刚度的1/7倍，在ETABS中采用ISOLATOR1单元和GAP单元组合模拟，摩擦滑移单元采用ISOLATOR2模拟，专门抗风装置在地震作用下失效，所以计算模型中不予考虑。结构动力特性分析采用RITZ法求解振型。地震作用时程分析采用FNA法。计算时先采用非线性重力荷载工况加载，在保持重力荷载作用下，分别施加不同工况地震作用，分析过程考虑二阶重力荷载效应。

2.2减震效果分析

对比分析非隔震结构和三种隔震结构动力特性，计算在设防烈度的地震作用下，各结构的楼层剪力、倾覆弯矩、层间位移角和楼层加速度，对比三种隔震方案的减震效果。

2.3周期对比

对比非隔震结构和不同方案隔震结构前三阶振型的周期、方向和参与系数，各模型前两阶振型为平动，第三阶振型为扭转。隔震结构周期均明显大于非隔震结构。从方案设计中可知方案二和方案三隔震层刚度都比方案一隔震层刚度小。因此，方案二和方案三的周期均大于方案一的周期。方案二的周期比（即第一扭转周期与第一平动周期比值）比方案一和方案三大，可见方案二的扭转效应比方案一和方案三明显。

2.4楼层剪力、倾覆弯矩对比

《抗规》中采用楼层剪力比和楼层倾覆弯矩比（即隔震结构楼层剪力、弯矩与非隔震结构楼层剪力、弯矩的比值）作为高层隔震建筑减震效果的评价指标，即减震系数。且当减震系数小于0.4时，上部结构构造措施可以降低一度。图2和图3对比了三种方案两个方向的减震系数，由图可知，三种方案均具有很好减震效果；方案二和方案三的大部分楼层减震效果均优于方案一，特别是倾覆弯矩比优势更明显；三种方案顶部出天面小塔楼减震系数相对其他楼层均较大，在Y向上都超过了0.4，但该层在设计中考虑鞭梢效应的影响会有所加强，所以可以不考虑该层减震系数；方案一和方案二天面层Y向倾覆弯矩比超过了0.4，而方案三满足小于0.4的要求。在上部结构设计中方案一和方案二顶部天面层楼层构造措施不应降低。

2.5层间位移角对比

根据原结构和三种隔震结构层间位移角计算结果可知，三种隔震结构层间位移角均明显小于非隔震结构，隔震效果明显。分别将三种隔震结构层间位移角比非隔震结构层间位移角，得到三种隔震结构的层间位移角比，可知方案二和方案三的大部分楼层层间位移角减震效果均优于方案一。

2.6楼层加速度对比

通过原结构和三种隔震结构楼层加速度计算结果可知，三种隔震结构楼层加速度均明显小于非隔震结构，隔震效果明显。分别将三种隔震结构楼层加速度比非隔震结构楼层加速度，得到三种隔震结构的楼层加速度比，如图5所示，可知方案三的大部分楼层加速度的减震效果优于方案一；方案二在X向楼层加速度比与方案一和方案三相比变化较大，主要是由于方案二隔震支座布置形式导致隔震层Y向刚心偏移较多，上部结构扭转效应增加，进而使得X向地震作用下楼层加速度变化较大，相比之下Y向刚心变化不大，楼层加速度变化与方案一和方案三较为一致。

2.7隔震方案讨论

该高层建筑处于高烈度地区，采用隔震技术能够取得很好的安全性和经济性。但该地区风压很大，使得国内传统隔震设计中隔震层设计需要较多带铅芯的叠层橡胶支座，导致隔震层刚度过大，上部结构减震效果降低，部分楼层减震效果不能达到设计目标。采用专门抗风装置和滑板支座均是在保证隔震层抗风要求，减小隔震层刚度，使得上部结构取得较好的减震效果。按照《抗规》进行设计时，方案三可以保证上部全部楼层减震系数均小于0.4的要求，但是方案三需要专门的抗风装置，该装置性能的研究还很少，技术不够成熟。方案二将高层建筑裙房的隔震支座采用滑板支座，由于裙房柱底压力小，从而滑板等效水平刚度也小，一定程度减低了隔震层刚度，且具有较好的经济性，但国内对滑板支座应用于建筑隔震中的研究还比较少。方案一是国内常用的隔震设计方案，该方案用于低风压地区普遍适用，而在高风压地区可能因为隔震层刚度过大，导致上部结构个别楼层减震效果达不到设计目标的要求。此时建议修改设计目标，允许个别楼层抗震构造措施不降低。

3结论

本文对高风压高烈度地区某高层隔震建筑进行了三种隔震方案设计，对比分析三种隔震方案的减震效果，讨论三种隔震方案优劣，提出高风压地区高层建筑隔震设计建议。研究结构表明：

（1）高风压高烈度地区高层建筑隔震设计时，通过合理设置滑板支座代替叠层橡胶支座或是采用专门抗风装置，都能有效减小地震作用时隔震层刚度，提高上部结构减震效果，更容易达到设计目标。

（2）国内滑板支座和专门抗风装置研究还很少，有必要进行深入的研究，以适应高风压高烈度地区高层隔震建筑的发展。

（3）高层减震隔震设计时，应允许各别楼层减震系数超过0.4，但该楼层抗震构造措施不应降低。

作者:刘晓群单位:福建建工集团总公司