论述高层建筑剪力墙结构隔震设计及抗震性能测试

论述高层建筑剪力墙结构隔震设计及抗震性能测试

黄洋洋

武汉天华华中建筑设计 有限公司 湖北武汉 430000

摘要：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。目前，我国开展的大部分高层建筑隔震设计方案考虑的因素较少，缺少罕遇地震环境分析。

关键词：高层建筑；剪力墙结构；隔震设计；抗震性能测试

1.基础隔震

隔震技术因减震效果优越，机理明确，性能稳定等特点，已经成为高烈度区建筑进行减震控制的最常用减震技术之一。基础隔震是指设置隔震层于建筑上部结构与下面的基础之间来起到隔离地震的作用，并且通过隔震层来使结构的振动周期得以延长、结构的阻尼得以增大、输入结构的地震作用得以减弱和上部结构的加速度得以减小，这样来达到降低地震影响的目的。

大部分隔震建筑主要采用的隔震层支座为普通橡胶支座和铅芯橡胶支座。其中普通橡胶支座是由橡胶层和夹层钢板交错组成，两种材料结合在一起并且在高温情况下加压硫化使其粘结在一起形成整体。橡胶层中通常加入补强剂、柔软剂、抗老化剂和补强剂等一些添加剂，虽然这些添加剂剂量很少，但是却能发挥巨大的作用。这两种隔震支座都具有较为规范的制作标准，稳定的性能，强大的竖向承载能力，可以在结构地震来临时能够安全正常的承载上传来的竖向荷载，是现如今最为常用的隔震支座。

2.框架剪力墙结构的受力特点以及抗震性能
　　框架结构是由梁或者支柱发挥作用抵抗使用过程中的垂直方向的载荷；而剪力墙结构是通过钢筋混凝土墙体来承担水平方向的载荷。框架剪力墙结构是综合利用框架以及剪力墙，吸收两者的优势进行互补。在建筑物的底部，剪力墙发生的位移非常小，承担着大部分的水平载荷作用，使框架结构发生弯曲变形；而在建筑物上部，剪力墙在框架的作用下发生变形，框架与剪力墙两者共同抵抗水平载荷的作用。框架剪力墙结构由于是框架与剪力墙结构共同作用，相互协调来承担地震时的水平力，大大增大了水平力的承受范围，使地震的破坏力降低，减轻了地震的危害，这一优势在汶川大地震中得到了很好的验证；框架剪力墙结构具有很好的延展性，配筋在框架剪力墙结构中的使用率非常高，极大地提高了墙体的延展性，使建筑物的抗震性能得到极大地提高。

3.剪力墙结构隔震抗震性能测试

某高层建筑为剪力墙结构，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。

3.1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，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。
  3.2隔震支座性能参数
  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。
  3.3地震波的选取
  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。

3.4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。
  3.5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。
  （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）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%。

结束语：

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：

[1]张孝荣，叶丽影，曹辉林.隔震技术在高烈度区剪力墙结构中的应用研究[J].震灾防御技术，2020，15（2）：77-88.

[2]王旭.超高层建筑结构抗震性能化设计研究[J].铁道建筑技术,2021,{4}(06):81-84+95.