雷 晓 林
(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)
隔震技术在高层建筑中的应用初探
雷 晓 林
(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)
高层建筑固有的自振周期较长，从反应谱曲线观察，采用隔震技术继续延长周期似乎减震作用不明显。针对这个问题，以某高层结构隔震设计为例，通过合理调控隔震层的刚度等方法，达到了满意的隔震效果，印证了隔震技术在高层建筑中应用的可行性。
隔震技术，隔震层，隔震支座
0 引言
高层建筑固有的自振周期较长，从反应谱曲线观察，采用隔震技术继续延长周期似乎减震作用不明显。针对这个问题，下面以某高层框剪结构隔震设计为例，通过合理调控隔震层的刚度等方法，探索隔震技术在高层建筑中应用的可行性。
1 工程概况
本工程位于山西太原，地上12层，地下1层，该建筑总高度48.75 m。抗震设防区域属于8度设防区，设计基本地震加速度峰值按0.20g考虑，设计地震分组被划分为第一组，该建筑场地被划分为Ⅲ类场地，工程所在场地特征周期为0.45 s。该地区基本风压达0.4 kN/m2，地面粗糙度为B类。采用框剪结构，拟采用隔震设计，隔震层设置在地下1层。
2 隔震层设计
本工程隔震层设计的目标是：发挥隔震器的支承建筑物的重量和调频滤波作用，并利用隔震器中所含的阻尼材料装置去通过屈服变形吸收和消耗地震能量、并控制隔震层的水平位移。
2.1 隔震支座选型
设置在地下1层的隔震层由铅芯叠层橡胶隔震支座组成。在这里，之所以选用含有铅芯的橡胶隔震支座，主要考虑两方面因素。一方面，在正常使用阶段，利用铅芯的初始刚度来抵水平抗风荷载，免设抗风装置和阻尼装置。另一方面，利用铅芯在较高的水平地震作用下发挥铅芯稳定的耗能减震作用，并在罕遇地震作用下可有效控制隔震层的水平位移，同时利用竖向刚度足够大的橡胶隔震支座支承上部竖向荷载。
2.2 支座平面布置
在平面开始初步布置时，确保隔震支座在重力荷载代表值的竖向压应力不超过15 MPa(丙类建筑)。同时在确定铅芯叠层橡胶隔震支座的数量时，既要满足铅芯叠层橡胶隔震支座的屈服力之和大于隔震结构所承受水平风荷载的隔震层处水平剪力设计值，又要在后续计算分析中复核在罕遇地震作用下是否满足有效控制隔震层的水平位移的限位要求。并适当拉大含有铅芯的橡胶隔震支座间距，相应增大隔震支座直径。
本工程在确定含有铅芯的橡胶隔震支座的数量时受罕遇地震作用下隔震层水平位移的控制，共选用59个铅芯叠层橡胶隔震支座，其中，GZY1000B支座12个，GZY800A支座24个，GZY700支座23个。本工程所选用的铅芯叠层橡胶隔震支座的规格、力学性能参数如表1所示。
表1 铅芯叠层橡胶隔震支座力学性能参数
3 隔震结构动力分析
3.1 结构计算方法确定
为了能将橡胶隔震支座准确模拟为隔震结构中上下部结构之间的连接单元，本工程选用软件ETABS进行线性和非线性动力计算分析。在用ETABS软件建模时，橡胶隔震支座的竖向拉压刚度比值按1/10考虑[2]。
3.2 地震动输入
按《抗规》5.1.2条规定[1]的原则，结合本工程场地条件和结构自振特性，本工程选取了实际2条历史记录的强震天然波和1条按设计反应谱模拟的人工波。计算分析结果表明，三条时程反应谱曲线和规范反应谱曲线拟合程度好，频谱特性相差不大。三条所选地震波和规范反应谱在对应于结构主要振型的周期点上，计算得出的结构基底剪力值见表2。
表2 中震弹性分析计算的非隔震结构基底剪力值(加速度峰值200 cm/s2)
由表2可知，本工程所选三条地震波满足《抗规》要求。用这三条地震波进行时程分析所得基底剪力最大值略大于振型分解反应谱法的计算结果，故可取动力时程分析计算结果的包络值进行后续的隔震结构设计。
3.3 隔震结构动力特性分析
对非隔震结构和隔震结构进行动力特性分析，分析结果如表3所示。隔震结构比非隔震结构在前三阶周期大幅度延长，避开了建筑场地的卓越周期，达到了预期的设计目的。
3.4 隔震效果分析
如前所述，本工程是由动力时程分析结果控制隔震结构设计的。根据《抗规》第12.2.5条规定，应将隔震后与隔震前的结构分别按抗震设防烈度进行弹性阶段时程分析，分别求得隔震后与隔震前结构的各楼层层间剪力之比最大值和各楼层的倾覆力矩之比最大值，将二者比值相比较，将较大值确定为水平向减震系数。本工程经按上述原则计算得知，隔震后与隔震前结构的各楼层层间剪力之比最大值为0.38，隔震后与隔震前结构的各楼层倾覆力矩的最大比值为0.32，选取二者中的最大值0.38为本工程的隔震结构的水平向减震系数，即β=0.38。根据《抗规》第12.2.5条条文说明规定，本工程符合0.27<β<0.47的条件，隔震后结构的水平地震作用和抗震措施可按本地区设防烈度8度(0.20g)降低至7度(0.10g)，隔震效果显著，达到了预期的减震目标。
表3 结构振型及周期
4 罕遇地震作用下的隔震结构验算
将所选地震波加速度峰值按《抗规》规定调幅，取400cm/s2进行罕遇地震作用下时称分析。这里的竖向地震力取0.2倍的重力荷载代表值。
4.1 水平大震下的隔震层侧移控制
本工程在大震作用下已考虑了偶然偏心等扭矩影响的最小直径隔震支座处的最大水平位移为Umax=368.204mm。根据《抗规》第12.2.6条规定，对应于水平大震下的隔震层中各橡胶隔震支座的最大水平侧移应既小于相应支座有效直径的0.55倍又小于相应隔震支座内部橡胶总厚度的3倍，本工程的橡胶隔震支座最大水平位移处对应的支座最小直径为700mm，支座橡胶总厚度130mm，由此求得：
[U]={0.55×700=385，3×130=390}mm=385mm，则Umax=368.204mm<[U]，由此可见，在罕遇地震作用下的隔震层的水平位移满足《抗规》要求。
4.2 罕遇地震作用下的隔震支座压应力验算
按照《抗规》第12.2.3条条文说明的具体规定，为了避免隔震支座在罕遇地震作用下发生水平剪切大变形时失去竖向承载力，隔震支座的竖向压应力不应大于30MPa。本工程在罕遇大震作用组合下的隔震支座最大压应力为19.3MPa，小于《抗规》规定的30MPa限值要求。
4.3 隔震支座拉应力控制
一般橡胶隔震支座的抗压刚度远大于其抗拉刚度，为了使隔震支座应力分析结果真实准确，本工程建模时，取叠层橡胶隔震支座的竖向拉压刚度比为1/10[2]。
大震作用下各铅芯橡胶隔震支座承受的最大拉应力值见表4。
表4 罕遇地震作用下隔震支座拉应力 MPa
由表4可见，在大震作用下，隔震支座最大拉应力为0.13MPa，远小于1.00MPa，满足《抗规》第12.2.4条的规定，且受拉隔震支座占总隔震支座数量的12%，说明在罕遇地震作用下仍能保持整体结构的稳定性。
5 隔震层以下结构设计方法
隔震层以下结构设计在满足《抗规》第12.2.9条规定的基础上，支墩设计时考虑了罕遇水平地震作用下隔震支座发生的位移导致重力荷载作用下的P-Δ效应，并将同时得到的轴力、剪力值共同用于支墩设计。
6 结语
1)本工程设计在充分利用隔震支座中阻尼所发挥的耗能减震作用的基础上，经合理调控隔震层的侧移刚度组成的隔震层，明显延长了隔震结构的基本周期，实现了隔震层以上结构水平地震作用按本地区抗震设防烈度降低1度的设计目标，隔震效果显著。在罕遇地震作用下，隔震层的最大水平位移满足《抗规》的限值要求，同时，隔震支座最大拉、压应力值均满足《抗规》相关要求。从而提高了建筑的抗震性能和结构的安全度，保证了高层隔震结构在罕遇地震作用下的强度和稳定性。
2)以上成功的隔震设计实例表明，在解决了以上设计实例中与隔震效果和结构安全相关的技术问题后，隔震技术在高层建筑中可以得到推广应用。
[1]GB50011—2010,建筑抗震设计规范[S].
[2]CECS126：2001,叠层橡胶支座隔震技术规程[S].
[3]JGJ3—2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].
Apreliminaryexplorationintotheapplicationofseismicisolationtechniqueinhigh-risebuildings
LeiXiaolin
(TheInstituteofShanxiArchitecturalDesignandResearch，Taiyuan030013，China)
As high-rise buildings have a relatively longer fundamental period of vibration, using seismic isolation technique to further extend that period seems to result in less significant effect in reducing seismic vibrations, as indicated by response spectrum curves. To address this problem, a case of seismic isolation design for a high-rise structure is presented in this paper, in which approaches like reasonably adjusting the stiffness of isolation layer are employed. The effect of seismic isolation is found to be satisfactory, confirming the feasibility of applying seismic isolation technique in high-rise buildings.
seismic isolation technology, isolation layer, seismic isolator
TU972.4
：A
1009-6825(2017)24-0043-02
2017-06-14
雷晓林(1958- )，男，工程师
