多地震作用下高層建筑基礎(chǔ)隔震研究

　　摘要：本文采用三維有限元模型，對某高層建筑鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了時程分析，考慮了基礎(chǔ)鉛芯疊層橡膠隔震墊的彈塑性特性和粘滯阻尼，分析了結(jié)構(gòu)在地震波作用下的動力響應(yīng)，計算結(jié)果表明隔震結(jié)構(gòu)的頂層加速度峰值、層間位移角、層間剪力等均大大降低，隔震性能良好，為高層建筑中推廣應(yīng)用基礎(chǔ)隔震技術(shù)提供了理論依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)隔震；三維有限元模型；地震反應(yīng)

　　1．引言

　　地震和風(fēng)給人們帶來了嚴(yán)重的災(zāi)害。采取經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的措施減小地震和風(fēng)荷載造成的損失，已經(jīng)成為科學(xué)家和工程師關(guān)注的問題。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震和抗風(fēng)設(shè)計方法是利用結(jié)構(gòu)自身的能力來耗散振動能量，如加大構(gòu)件的截面尺寸或提高材料的強(qiáng)度等級等。這種方法既不經(jīng)濟(jì)，又存在較大的問題。建筑結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)將從根本上解決這一問題。

　　基礎(chǔ)隔震技術(shù)是目前工程中應(yīng)用最多的一種減震控制技術(shù)，由于其造價低，易于實施，減震效果好，越來越受到人們的重視。國內(nèi)外很多學(xué)者對混凝土基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)做了大量細(xì)致而深入的工作，并且也建成了許多隔震建筑，提出了許多關(guān)于隔震結(jié)構(gòu)的理論及設(shè)計方法。

　　2．計算模型及參數(shù)

　　本文采用高層建筑三維有限元分析軟件ETABS，對設(shè)置與不設(shè)置橡膠隔震墊的某高層建筑鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震反應(yīng)分析。該高層建筑地面以上25層，高度約81m.上部結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土。梁、樓板、剪力墻的幾何尺寸及混凝土的強(qiáng)度等級逐層變化。頂層上建有塔樓，而一二層設(shè)有裙房。建筑場地類別為Ⅲ類，Tg=0.45s，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組。本工程所屬地區(qū)50年一遇的基本風(fēng)壓wo=0.50kN/㎡，（用于高度為60m以下建筑結(jié)構(gòu)計算和高度超過60m的高層建筑結(jié)構(gòu)水平位移控制），100年一遇的基本風(fēng)壓wo=0.60kN/㎡，（用于高度超過60m的高層建筑結(jié)構(gòu)承載力計算）。地面粗糙度C類，風(fēng)荷載體形系數(shù)μs=1.3本文選擇目前國際上用的較多的El-Centro波（適合Ⅱ、Ⅲ類）、Taft波（適合Ⅱ、Ⅲ類）以及人工模擬地震波（適合Ⅲ類）進(jìn)行時程分析。將波的最大幅值分別調(diào)至相當(dāng)于7度多遇地震下的加速度峰值35gal.選取等時間步長0.02s，總持續(xù)時間為15s.考慮雙向水平地震作用，根據(jù)規(guī)范地震波按加速度峰值1（X方向）：0.85（Y方向）的比例輸入，并與風(fēng)荷載分別進(jìn)行內(nèi)力與位移的線性組合：

　?。?）位移組合：1.0G±1.0E±0.20W（2）內(nèi)力組合：1.2G±1.3E±0.28W其中，G是重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值；E為地震作用荷載；W為風(fēng)荷載。

　　3．多遇地震作用下時程分析結(jié)果

　　由計算可知，框架柱最大軸向力為2132kN，小于隔震墊設(shè)計最大豎向承載力2800kN；罕遇地震下隔震層最大水平側(cè)移194mm，小于隔震墊設(shè)計最大水平位移300mm，因此隔震墊設(shè)計合理。

　　在多遇地震波作用下，結(jié)構(gòu)頂層加速度時程如p1所示，各層層間位移角如p2所示，p3給出了隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)的層間剪力。

　　從p1可以看出，多遇地震時隔震結(jié)構(gòu)頂層的最大加速度為36gal，僅為非隔震結(jié)構(gòu)的40%.從p2可知，多遇地震時隔震結(jié)構(gòu)的第1層側(cè)移遠(yuǎn)大于非隔震結(jié)構(gòu)第1層側(cè)移。原因在于結(jié)構(gòu)隔震層水平剛度遠(yuǎn)小于第1層水平剛度，通過橡膠墊的集中大變形將地震能量隔離，使地震能量不向上部結(jié)構(gòu)傳輸或少傳輸。

　　由p3可知，多遇地震時隔震結(jié)構(gòu)基底剪力為4608kN，為非隔震結(jié)構(gòu)基底剪力的70%.

　　4．結(jié)論

　　本文通過基礎(chǔ)隔震高層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的有限元時程分析，得出以下結(jié)論：

　?。?）基礎(chǔ)隔震體系設(shè)置柔性的隔震支座，從而降低了結(jié)構(gòu)的水平剛度，使結(jié)構(gòu)的自振周期增大了近50%，從而避開地震主要攜能頻帶，因此也就降低了結(jié)構(gòu)的水平地震作用。

　?。?）從結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)看，在水平地震波作用下，隔震結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)明顯小于非隔震結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)。

　?。?）隔震結(jié)構(gòu)的層間位移比非隔震結(jié)構(gòu)大大減小，隔震結(jié)構(gòu)的樓層位移變形主要集中在隔震層，上部結(jié)構(gòu)各層間水平位移幾乎為零，其振型為“整體平動型”。

　?。?）從最大層間剪力的反應(yīng)來看，隔震結(jié)構(gòu)的最大層間剪力僅為非隔震結(jié)構(gòu)的30%.因此，隔震層上部的結(jié)構(gòu)可以按降低地震設(shè)防烈度一度考慮。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]周福霖．工程結(jié)構(gòu)減震控制[M]．北京：地震出版社，1997.

　　[2]GB50011-2001（2008年版），建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

　　[3]JGJ3-2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

　　[4]CECS126-2001，疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.