平面不规则框剪结构中基础隔震技术应用的优越性

高荣徐禄熊光晶

(1.汕头大学，广东汕头 515063； 2.汕头市第二建筑设计院，广东汕头 515000)

高荣1徐禄2熊光晶1

(1.汕头大学，广东汕头 515063； 2.汕头市第二建筑设计院，广东汕头 515000)

为研究基础隔震技术在平面不规则建筑结构中的应用前景，以汕头市某既有9层L型混凝土框剪住宅为例，使用ETABS建立了FS，FSI和FTI模型，分析了多遇和罕遇地震下各模型的结构反应和技术经济性，结果表明，基础隔震技术具有良好的安全性和适用性，经济上也较实惠。

框剪结构,基础隔震,层间扭转效应,经济性

0 引言

随着城市化建设的飞快发展，建筑结构平面形式也呈现多样化，不规则的平面布置形式越来越多,而平面不规则结构在地震中更易发生扭转破坏。近几十年发展起来的基础隔震技术突破了传统的抗震策略，能明显减小上部结构的扭转效应[1-4],在国外已有较多应用。1993年由联合国工业发展组织资助的中国第一栋平面规则的橡胶垫隔震住宅楼建于汕头市，取得良好的抗震效果，获得国家建设部科技进步一等奖，1994年还于汕头召开了国际隔震技术研讨会[5,6]。然而据笔者了解，自此以后汕头市采用隔震技术的建筑结构仅有四栋，主要原因之一是造价高，橡胶隔震支座单价为3 000元～13 000元。注意到，随着时间的推移此项造价与整体房价之比会越来越小，且汕头的小高层建筑多数采用框剪结构，故本文探讨平面不规则框剪结构基础隔震技术的适用性。选取汕头市某既有9层住宅为研究对象，采用原结构框架剪力墙模型(FS)，构建框剪隔震模型(FSI)和框筒隔震模型(FTI)，以ETABS结构分析软件为工具，探讨三种模型的抗震性能，并进行技术经济比较，为推广隔震设计提供参考。

1 工程概况及减震方案

选取汕头某框架剪力墙结构作为传统抗震结构原型，平面形式为“L”形，地上9层，总建筑面积为3 400 m2，总高度为29.4 m。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类。基本风压为0.8 kN/m2(按50年重现风压值)，地面粗糙类别为C类。

共设计FS,FSI,FTI三个结构模型进行对比讨论。FSI和FTI所用混凝土与钢筋力学性能指标与FS相同，隔震支座的规格与性能指标取自衡水震泰隔震公司产品。

FS为既有框架剪力墙结构，其框架柱截面为400×1 000～400×500，剪力墙厚为200～300。

FSI为笔者设计并经多次修改试算的框架剪力墙基础隔震方案。框架柱和剪力墙位置布置与FS相同，但截面尺寸有明显减少。其框架柱截面为400×700～400×500，剪力墙的厚度为200～250。

FTI是经多次修改计算的框架筒体基础隔震方案。FTI与FS和FSI相比，减去了除中心筒外的所有剪力墙，以框架柱替代。框架柱截面为400×1 000～400×500，剪力墙厚度200～250。需说明，笔者已经试算表明，若去掉FTI的隔震垫，同时显著加大柱墙截面，形成的不隔震框架筒体结构不能满足抗震要求。

三个模型的首层平面及隔震垫布置示意图见图1～图3。

2 技术经济性对比

2.1 多遇和罕遇地震下各模型的结构反应

应用ETABS结构分析软件对三种方案建立计算模型，进行弹性时程分析及非线性时程分析，探讨对比各模型的结构反应。在本工程模型动力分析中采用两条实际地震波，CPC-TOPANGA CANYON波(CPC)，EMC-FAIRVIEW AVE波(EMC)，一条人工波(RH3)。每组地震动分为两种工况，工况一:水平X向(多遇地震下峰值为70 cm/s，罕遇地震下峰值为400 cm/s)，工况二：水平Y向(多遇地震下峰值为70 cm/s，罕遇地震下峰值为400 cm/s)。需说明各隔震模型采用的隔震垫在以下所有地震反应验算中均满足使用要求，故以下只对比讨论各模型上部结构的地震反应。

2.1.1 多遇和罕遇地震下层剪力的对比

各模型在三组地震波作用下的层最大剪力平均值分布见图4,图5，三种模型的总剪力和层最大剪力比见表1。从图4,图5中可见，在多遇和罕遇地震作用下，FSI与FTI的层剪力曲线几乎重合，两种隔震模型受到的总剪力和层剪力均远小于非隔震模型FS。从表1可知，FSI，FTI在多遇和罕遇地震作用下的总剪力分别比FS减少71%以上，上部结构层最大剪力分别减少61%以上，表明基础隔震技术能有效地减小上部结构的地震反应。

图4，图5中实曲线的层剪力值对应左纵坐标轴，虚曲线的层剪力值对应右纵坐标轴，XX-H代表罕遇地震下的XX模型层最大剪力平均值，XX-D代表多遇地震下的XX模型层最大剪力平均值，以下图示表达相同。

表1 各模型的总剪力和层最大剪力之比

工况多遇地震下总剪力比(FS∶FSI∶FTI)多遇地震下层最大剪力比(FS∶FSI∶FTI)罕遇地震下总剪力比(FS∶FSI∶FTI)罕遇地震下层最大剪力比(FS∶FSI∶FTI)X方向地震波1∶0．22∶0．191∶0．29∶0．241∶0．14∶0．141∶0．17∶0．17Y方向地震波1∶0．29∶0．291∶0．39∶0．391∶0．17∶0．211∶0．22∶0．28

2.1.2 多遇和罕遇地震下扭转效应对比

采用刚性楼板假定，分别输入前述三组地震波，对比各模型的层最大扭转角。限于篇幅，仅给出各模型CPC波作用下的层最大扭转角(如图6,图7所示)和最大层间扭转角，见表2。从图中可以看到FSI和FTI的隔震层扭转角都很大，但上部结构层间扭转角都很小。从表2可看到，FSI,FTI在多遇和罕遇地震作用下的上部结构最大层间扭转角比FS减少72%和48%以上,表明隔震垫有效减小了上部结构的扭转效应。

图6，图7中各符号意义同图4。

表2 各模型上部结构在CPC波作用下的最大层间扭转角及其比值

工况FS最大层间扭转角×10＾-5rad/mFSI最大层间扭转角×10＾-5rad/mFTI最大层间扭转角×10＾-5rad/mFS∶FSI∶FTICPC⁃X多遇地震波2．40．40．61∶0．16∶0．25CPC⁃Y多遇地震波6．91．92．61∶0．28∶0．38CPC⁃X罕遇地震波13．83．57．21∶0．25∶0．52CPC⁃Y罕遇地震波39．94．111．81∶0．1∶0．3

2.2 三种模型的经济适用性对比

表3列出各模型的隔震造价和使用面积变化数据。可见虽FSI不改变原结构FS的墙柱位置，但因框架墙柱截面减小，整栋建筑使用面积相对增加6.27 m2。而FTI用框架柱代替除中心筒外的所有剪力墙，使整栋建筑的剪力墙片数由原来140片减至54片，使用面积增加了18.68 m2，为FSI的3倍。FTI的隔震支座费用也略低于FSI。此外，根据网上相关数据以及定额资料，若设每立方米钢筋混凝土造价为1 520元(包括材料费与混凝土浇捣养护，钢筋制作安装费用等)，可算得FSI和FTI的结构用钢筋混凝土造价分别比FS低3.1万元和9.3万元。综合隔震支座的费用，FSI和FTI模型造价分别比FS模型高46元/m2和25元/m2，再考虑增加的使用面积因素，可判断采用隔震技术是经济实惠的。又由于基础隔震技术可有效减小上部结构的地震响应，大幅降低上部结构和人员的生命财产损失，且震后修复简易，值得推广。

表3 各模型经济适用性对比

3 结语

1)基础隔震技术能大幅减小平面不规则建筑结构在地震中受到的层剪力，有效减小上部结构的层间扭转角，提高结构的安全性。

2)在本文研究范围内，每平方米增加造价25元即可实现基础隔震技术，还可明显减少框架柱和剪力墙截面积，从而增加使用面积，提高建筑平面布置的灵活性，性价比高，值得推广。

[1] 祁皑，商洪江，范宏伟.高层隔震结构扭转分析[J].世界地震工程，2011,27(1):121-130.

[2] 王建强，姚谦峰.基础隔震偏心结构扭转振动反应分析[J].四川建筑科学研究，2004,30(1):103-104.

[3] 党育，霍凯成.偏心隔震结构扭转效应的影响因素分析[J].武汉理工大学学报，2010,32(14):138-141.

[4] 袁兵，黄炎生，任立飞，等.框架—剪力墙基础隔震结构地震扭转反应[J].华南理工大学学报，2006,34(7):94-97.

[5] 徐忠根，周福霖.我国首栋橡胶垫隔震住宅楼动力分析[J].世界地震工程，1996(1):38-42.

[6] 苏经宇，曾德民.我国建筑结构隔震技术的研究和应用[J].世界地震工程与工程振动，2001，21(4):94-101.

Superiority of application of base isolation technology in a plane irregular frame-shell wall structures

Gao Rong1Xu Lu2Xiong Guangjing1

(1.ShantouUniversity，Shantou515063，China； 2.ShantouNo.2InstituteofArchitecturalDesignCo.,Ltd，Shantou515000,China)

To study application prospect of the base-isolated technology in the plane irregular building structure. Taking a 9-storey L shape-concrete-frame shear wall building in Shantou as an example, the FS，FSI and FTI model were established with ETABS software. It analyzes structural response and technology economy of various models under frequent and rare earthquake actions, the results show that base isolation technology indicates a better safety and applicability, and it is also affordable.

frame shear wall structure, base isolation, inter-layer torsion effect, economy

1009-6825(2017)14-0033-03

2017-03-02

高荣(1991- )，女，在读硕士

TU352