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高层建筑剪力墙结构隔震设计及抗震性能研究靳建楠1 李翔2

发表时间：2021/7/28 来源：《基层建设》2021年第14期作者：靳建楠1 李翔2

[导读] 近年我国的城市化进程不断进展，城市高层建筑越来越多。为了提升高层建筑抗震性能，本文进行剪力墙结构隔震设计研究

        1柳州东方工程橡胶制品有限公广西柳州 545005；
        2广州建设工程质量安全检测中心有限公司广东广州 510440
        摘要：近年我国的城市化进程不断进展，城市高层建筑越来越多。为了提升高层建筑抗震性能，本文进行剪力墙结构隔震设计研究，用ETABS软件对隔震建筑进行建模分析，设计隔震支座平面布设方案。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，可以作为高层建筑隔震设计参考依据。
        关键词：隔震；铅芯支座，抗震性能；剪力墙结构

        引言
        隔震技术作为建筑韧性提升的有效手段，可有效降低上部结构的层间位移角和楼层加速度，减少结构/非结构构件的损伤，从而提升上部结构的韧性水准。本文选取某高层建筑进行隔震计算分析，该建筑为剪力墙结构，26层，建筑结构总高度90m，宽26.1m，高宽比为3.4，设防烈度为8度，设计基本地震加速度峰值为0.30g，丙类建筑，设计地震分组第三组，III类场地，场地特征周期0.65s。
        1剪力墙结构隔震设计
        1.1支座选取与布置
        根据隔震规范规定，丙类建筑的隔震支座长期面压限值为15MPa，结合PKPM模型柱底反力选取隔震支座。本项目在剪力墙结构下设置转换层，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，本工程共使用59套支座，选取支座直径分别为800mm、1000mm、1100mm，其中弹性滑板支座ESB800共13套，LRB1000共21套，LRB1100共8套，LNR1000共17套。
        布置隔震支座时，尽量将铅芯支座布置在隔震层外围，橡胶支座和弹性滑板支座布置在隔震层内侧，在保证隔震层质心和刚心重合的前提下，尽量统一隔震支座的规格型号，同时确保隔震层的水平刚度达到抗风承载力最低限值。
        经计算，隔震层X向Y向质心和刚心偏差均不到1%。隔震前，结构一阶自振周期为0.96S，隔震后结构周期延长为3.3S，隔震前，结构前三阶振型累计质量参与系数为74.1%；隔震后前三阶振型累计质量参与系数为91.2%，一阶和二阶振型平动，隔震效果明显。
        1.2隔震支座性能参数
        本文采用时程分析法进行隔震计算，隔震支座选取水平剪应变为100%时对应的等效刚度，等效阻尼比采用抗规第12.2.4条中方法进行计算，按照支座布置，对应指定每个支座的力学参数。中震水平向减震系数计算以及大震位移及应力分析时，隔震支座水平恢复力模型采用二折线恢复力模型，输入屈服后刚度、屈服前刚度、屈服力、竖向刚度等。另外，隔震支座的竖向抗拉刚度取竖向抗压刚度的0.1倍。
        1.3地震波的选取
        本工程选取7条地震波进行时程分析，5条强震记录和2条人工波，取平均值，根据抗规的规定：多组地震波的平均地震响应系数曲线应与振型分解反应谱法对应的地震影响系数曲线在统计意义上相符。即我们所选取的地震波，每条时程计算的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱计算结果的65%，多条时程结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。由于大震下场地特征周期会有所延长，所以大震选取两条特征周期为0.7s的人工波。地震时程的地震响应系数曲线与规范谱的对比如下图所示。

        1.3隔震结构与非隔震结构层剪力分布比较
        抗规中隔震结构设计采用分离式计算方法，将其分为上部结构、隔震层、下部结构和基础分别进行设计。上部结构设计仍采用传统反应谱法，考虑到隔震支座的抗弯刚度、抗扭刚度相对混凝土柱非常小，为使模型结构与真实结构的受力状态更为一致，上部结构非隔震结构模型的底层柱下端按铰接考虑。分析结果表明，隔震结构模型与非隔震结构模型的自振振型区别很大，两种计算模型侧向荷载分布模式、层剪力等差异较大。隔震结构一阶二阶振型为上部结构接近平动，振动集中在隔震层，且振动缓慢，隔震层有较大的位移，非隔震结构一阶二阶振型为上部结构分别在XY方向的摆动，上部结构加速较大。
        中震下，隔震结构与非隔震结构的层剪力比值最大为0.282，由于本结构为剪力墙结构，还需要对层倾覆力矩进行对比，隔震结构与非隔震结构的层倾覆力矩比值最大为0.265，减震系数取层剪力与层倾覆力矩比值的较大值为0.282，通过计算，隔震后水平地震影响系数最大值为0.119，小于7度水平地震影响系数最大值0.12，上部结构可以降低一度进行设计。
        2罕遇地震隔震层验算
        支座力学性能满足降低一度设计后，隔震支座和隔震层的支墩、支柱及相连构件，需要满足罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩的承载力要求，需要复核其在罕遇地震下的性能，包括支座位移、水平剪力、最大压应力和最大拉应力。
        2.1 支座位移
        考虑最不利荷载组合，计算得出隔震层支座最大位移为538mm，小于本项目采用最小支座直径1000mm的0.55倍，及胶层总厚的3倍570mm，弹性滑板支座的滑动位移不小于538mm，本项目所选的支座可以满足大震下最不利情况的位移需求。
        2.2 支座应力验算
        通过计算，支座压应力均小于30MPa，支座拉应力均小于1Mpa，满足规范要求。通过对隔震支座布置及支座参数的调整，在地震作用下，支座同一时间出现16套支座受拉，不超过支座总数的30%。
        结语
        综上所述，当结构高宽比较大时，强震下剪力墙结构的隔震支座其拉应力容易超限，通过调整支座布置及支座参数，可以将其控制在限值以内。为了更好的控制建筑隔震层受拉问题，剪力墙隔震结构高宽比限值不宜大于4。剪力墙是以弯曲变形为主的基础隔震结构，所以同时计算了层剪力和层倾覆力矩减震系数，最终取两者较大值，作为结构的减震系数，通过分析以弯曲变形为主的基础隔震结构的减震系数受倾覆力矩影响较小。通过对隔震层合理的布置和设计，高层剪力墙结构隔震设计可以达到很好的减震效果。
        参考文献：
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