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高层建筑剪力墙结构隔震设计及抗震性能测试研究常悦

发表时间：2021/7/27 来源：《基层建设》2021年第12期作者：常悦

[导读] 近年来，随着我国社会经济的快速发展，城市化建设步伐的加快，城市人口不断增多，推动了我国高层建筑越来越多。为了提升高层建筑抗震性能

        身份证号码：21040419910510xxxx
        摘要：近年来，随着我国社会经济的快速发展，城市化建设步伐的加快，城市人口不断增多，推动了我国高层建筑越来越多。为了提升高层建筑抗震性能，本文进行剪力墙隔震结构设计研究，并以某工程为例，利用ETABS软件构建工程建筑隔震结构模型，设计工程隔震支座平面布设方案。模拟测试结果表明，本隔震结构设计方案在罕遇地震、多遇地震环境下抗震性能均有明显改善，可以作为高层建筑设计参考依据。
        关键词：高层建筑；剪力墙结构；隔震设计；抗震性能；测试研究

        引言
        地震是破坏性非常强的自然灾害之一，一旦发生，会给人们的生命和财产安全带来巨大的威胁，因此，在建筑结构设计的过程中，必须考虑到地震作用的影响，要使建筑体具有较强的抗震性能。当前阶段有关抗震规范中对建筑结构的抗震性能做了明确的要求，就是要能够做到小震不坏、中震可修、大震不倒，为了实现这样的抗震目标，有关部门加大了对建筑抗震方面的研究力度。
        1建筑结构设计中隔震减震基本原理
        随着建筑行业的快速发展，传统的建筑结构抗震设计已经无法满足当前阶段的抗震需求，为了提高建筑结构的抗震能力，加强对新型建筑抗震技术的研究力度，一种以减震、隔震为手段抗震设计思想，得到了快速的发展，同时也被广泛地应用到建筑施工中。对于减震技术来说，其主要原理就是在建筑结构内安装附件装置或者是子结构，通过这样的装置能够将地震发生时产生的能量向上层结构进行传递，从而能够达到阻隔能量的效果，在传递能量的过程中，可以通过结构之间的反作用力来减少上部结构的地震反应。对于隔震技术来说，其主要原理就是将隔震支座以及阻尼器等装置安装在建筑物上部结构与基础结构之间，从而在一定程度上使建筑结构的周期延长，使阻尼增大，这样就能够使地面运动在向上部传递的过程受到阻碍，从而使上部结构受到地震作用的影响大大降低。当前阶段，使用最多的就是消能减震技术，就是通过将消能装置设置在房屋结构内部，并在适当位置加装阻尼器，从而得到降低或者消除地震反应的作用。
        2剪力墙结构隔震设计
        2.1工程概况
        本研究以某住宅高层建筑工程为例，该建筑地上楼层共计19层，剪力墙结构。本工程建设严格按照《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），合理设计结构隔震方案，使得建筑得以满足8度抗震要求。在此条件下，地震加速度大小为0.3g，设计地震分组为第二组，场地类别为III类，相应的特征周期为0.55s。如果采用传统的抗震设计方案，通过调整剪力墙厚度来改善抗侧刚度，那么不仅不够美观，而且还会减小建筑使用面积，不满足消费者需求。为了有效抗震，本研究选择隔震设计方法，考虑多遇地震和罕遇地震条件，探究满足这些条件的隔震设计方案。
        2.2结构模型设计
        本研究选择ETABS软件作为模型建立工具，构建工程地上建筑结构三维视图模型。其中，柱、梁构件布设采用基本单元相同，均为空间杆件，剪力墙与之不同，以壳体单元为建模模型。为了体现隔震结构设计的抗震功效，本文以非隔震结构设计方案为对照组，同样利用ETABS软件构建模型。通过模拟不同连接单元，得到多个规格隔震支座，经过计算分析确定支座各项参数数值。
        2.3地震波的选取
        依据高层建筑结构所处环境及结构类型等因素，选择8条模拟地震波，包括人工波和天然波。其中，人工波数量2条，记为AW1和AW2；天然波数量6条，记为NW1-NW6。模拟期间，设定不同地震模拟环境中的加速度峰值。其中，罕遇地震条件下的数值为605gal，多遇地震条件下的数值为144gal。通过观察模拟曲线结果，地震波底层剪力较大，其平均值在允许范围之内。因此，本次模式测试选择这8条地震波作为模拟环境打造工具。
        2.4建筑结构隔震层设计
        关于隔震层的设计，本研究以剪力墙结构作为隔震支座布设参考依据，经过结构布设分析，最终确定支座的布置位置。由于支座的压力限值对其隔震性能影响较大，本研究根据建筑规范确定重力荷载，使得竖向压力数值控制在限定范围之内。因此，可供选择的支座直径规格有两个，分别是800mm、700mm。依据建筑规范，隔震层偏心率不得超过3%。另外，还需要考虑隔震层在特殊环境下的影响，例如微振动影响等，同时水平刚度要求达到抗风承载力最低限值。根据本工程实际情况，调节两种装置应用数量：（1）橡胶支座，记为LNR，规格700mm，数量4个；（2）铅芯橡胶支座，记为LRB，规格800mm，数量13个。另外，配备粘滞阻尼器，数量8个。为了满足隔震需求，不同方向的隔震层偏心率要求不同，设计位于Y方向偏心率大小为0.5%，X方向偏心率大小为2.7%。
        3抗震性能测试
        3.1结构抗震动力特性测试分析
        测试抗震动力特性时，以隔震周期作为测试指标，如果本方案能够延伸隔震周期，则认为该设计方案具有较好的抗震动力特性。如表1所示为抗震周期测试结果。
        表1剪力墙结构隔震周期测试结果统计表

        表1中，采用本文设计的隔震结构设计方案，隔震周期延长效果较为显著。其中，前两阶段延伸周期超过了2.5倍。虽然随着阶数的增加，隔震周期延伸效果有所下降，但是该数值稳定在2倍左右，较非隔震结构设计有着明显的抗震性能优势。
        3.2结构抗震响应测试分析
        本研究以楼层剪力作为测试指标，对建筑结构设计方案应用中的抗震响应效果进行测试，测试方向包括X向和Y向，结果如表2所示。
        表2结构楼层剪力测试结果统计表

        表2中两个方向的减震系数均在0.38以下，与非隔震结构相比，本文采用隔震方法设计的建筑结构各个楼层剪力更小，明显低于非隔震结构的楼层剪力。其中，低楼层的剪力改善效果更为显著，例如1楼X向隔震效果的对比，非隔震结构剪力大约是隔震结构的剪力的4倍。除了顶楼以外，其他楼层隔震结构的测试结果优势也很明显。
        3.3罕遇地震环境下结构层间变形测试分析
        表3罕遇地震环境下结构层间变形测试结果统计表