(3)高层建筑组合隔震的设计方法及应用_杜东升

第40卷第5期2010年9月 东南大学学报(自然科学版)

J OURNAL OF SOUTHEA ST UN I VERSITY(N at u ral S ci ence E diti on)

V o.l40N o.5

Sep.t2010

do i:10.3969/.j issn.1001-0505.2010.05.030

高层建筑组合隔震的设计方法及应用

杜东升 王曙光 刘伟庆 孙 臻

(南京工业大学土木工程学院,南京210009)

摘要:为了使高层组合隔震技术的应用和推广具有更加完善的理论基础和设计依据,对高层隔震体系上部结构设计和隔震层设计中的若干关键问题进行了探讨,研究了高阶振型和高阻尼对隔震效果的影响,提出了隔震体系上部结构竖向构件布置的基本原则,分析了隔震层设计的基本原则和各类隔震装置的配置方法.根据以上基本理论,将基于性能的组合隔震设计方法应用于目前国内最高的高层隔震设计中,充分考虑纯天然橡胶隔震支座、铅芯橡胶隔震支座、滑移隔震支座和黏滞阻尼器的性能特征,将其按照相关组合原则配置于隔震层中.通过分析表明各类隔震装置充分发挥了设计性能,隔震层在罕遇地震下工作状态稳定,上部结构的地震响应有了明显的降低,各项性能目标满足设计要求,本文最后对高层隔震结构的相关构造要求进行了必要的说明.

关键词:组合隔震;性能设计;隔震支座受拉;隔震支座面压

中图分类号:TU311 3 文献标志码:A 文章编号:1001-0505(2010)05-1039-08 Design m ethod and its application i n hybrid base-isolati on

of high-rise buil di ngs

D u D ong s heng W ang Shuguang L iu W eiqing Sun Zhen

(C ollege o f C ivilEng i neeri n g,N an ji ng Un i versit y of Technology,N an ji ng210009,C hina)

Abst ract:I n o rder to perfect bo th theo retical ba sis and desi g n i n g foundation fo r hybri d base-iso lation of ta ll buil d i n g s,so m e key issues about upper structure de sign for hybrid base-iso lati o n sy ste m and-i so lation layer desi g n,i n fluence from h i g h m odes and h igh da m p i n g on iso lated effect are i n v estiga-ted.B asi c princ i p l e s o f vertica l com ponents arrang e m ent fo r seis m ic iso lation sy ste m are propo sed, and basic pri n ciples o f iso lati o n layer de sign and distribution m ethod o f a ll kinds o f iso l a ti o n dev ices are ana l y zed.A cco r d i n g to abov e founda m en tal theo ry,perfo r m ance-based hybri d ba se-iso lation de-si g n m et h od is applied to t h e currently ta llest dom estic h igh-rise iso lated buil d i n g.The perfor m ance characteristics o f purifi e d natural rubber beari n g,l e ad rubber bearing,sli d i n g iso lated beari n g and v iscous da m per are fully taken i n to accoun.t These beari n g s are equi p ped in iso lation layer,accord-

i n g to the co rre l a tive co m bi n ation pri n ciple.The study result i n d icates that a ll kinds o f iso l a ti o n de-

v ices bri n g t h e desi g ned functions into full play.Iso lation layer keeps a stab le w ork i n g sta tus under rare eart h quake,w hile se is m ic re sponse o f upper structure decli n es obv iously,and all perfor m ance objectives satisfy de sign require m ents.A t las,t nece ssary re m ar ks are m ade fo r related structura l re-quire m ents o f high-rise iso l a ted structures.

K ey w ords:hybri d base-iso lation;perfo r m ance eva l u ation;ten sion o f iso l a tors;co m press stress o f iso l a tor

收稿日期:2010-01-20. 作者简介:杜东升(1977 ),男,博士,讲师,dd s hy@https://www.360docs.net/doc/8918208537.html,.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50908115,50608039)、国家自然科学基金重大研究计划资助项目(90815017)、南京工业大学青年教师学术基金资助项目.

引文格式:杜东升,王曙光,刘伟庆,等.高层建筑组合隔震的设计方法及应用[J].东南大学学报:自然科学版,2010,40(5):1039-1046.

[do:i10.3969/.j is sn.1001-0505.2010.05.030]

近年来,隔震技术被逐步推广到高层建筑中

[1]

.随着抗震意识的进一步提高,高层隔震结构

将会有广阔的发展前景

[2-3]

.2001年,我国颁布的

建筑抗震设计规范 (GB 50011 2001)(2008版)[4]

,第1次将隔震和消能减震设计的内容列入

其中.但是,我国规范规定的隔震结构应用范围非常狭窄,主要局限于多层结构体系,如要求结构不隔震时的基本周期小于1 0s ,针对高层建筑结构采用隔震技术的研究工作还没有系统开展.本文对高层隔震结构的减震效果进行了分析,解释了长周期高层结构仍具有较好隔震效果的原因,对高层隔震结构上部设计和隔震层设计的一些基本原则进行了研究,以国内目前最高的隔震建筑为例对所研究的成果进行了工程应用,并在隔震设计中引入了性能设计的理念.

1 高层隔震体系减震效果分析

高层建筑已经具有较长的周期,对其采用隔震技术后周期会继续后延,而文献[4]的设计反应谱在长周期段下降缓慢,从图1可以看出,在8度(0 3g )二类场地建造高层隔震建筑,并使其周期由原来的2s 延长到3 5s ,从5%阻尼比的反应谱上可以算出地震影响系数 从0 0522降低到0 0480,认为隔震前后地震剪力比值只有0 0480/0 0552=0 87,按照文献[4]要求,隔震后的上部结构降低半度的要求都达不到,说明隔震效果不明显.然而通过对高层隔震结构进行非线性动力时程分析却发现计算结果并非如此

[5]

.

图1 规范反应谱分析高层结构隔震效果

现以宿迁某高层隔震建筑为例,分析高层隔震结构仍具有较好隔震效果的原因.该高层建筑主楼结构地上23层,隔震层兼作地下室;纵向长50 6m,横向长26 2m,主体建筑高度约89 8m,长边方向高宽比为1 78,短边方向高宽比为3 43,最高处97 2m.文献[6]对其进行了详细的非线性动力时程分析,表1给出了隔震与非隔震结构在计算时采用不同振型数量情况下X 向的基底剪力.可以

看出,隔震和非隔震结构第1阶振型的基底剪力相差不大,说明了为什么直接从反应谱上看长周期结构隔震效果不明显.但是,隔震结构的第1阶振型质量参与系数达到了90 1%,采用多阶振型地震剪力组合后,最终的基底剪力与采用1阶振型基底剪力相差不大;而非隔震结构的第1阶振型质量参与系数只有65 4%,通过多阶振型地震剪力组合,最终的基底剪力会远远大于第1阶振型的基底剪力

[5]

.

表1 隔震与非隔震结构在不同振型数量下

的地震剪力(X 向)

M N

振型隔震前(后)周期/s 非隔震结构隔震结构累计振型质量系数/%

时程结果平均值累计振型质量系数/%时程结果平均值

12 04(4 70)65 417 62190 17 80120 52(2 68)83 220 17692 78 34730 31(1 17)88 826 01499 58 41240 18(0 63)94 628 55799 78 596

50 07(0 22)98 629 11899 88 9176

0 02(0 08)

99 8

31 732

99 9

9 125

图2为隔震和非隔震结构基底剪力随振型阶数增加而变化的情况.可以看出,非隔震结构地震剪力随振型阶数增加而显著增加,从采用1阶

振型的17 579M N 增大到采用6阶振型时的31 732M N,是1阶振型剪力的1 81倍.而隔震结构的基底剪力随振型阶数的增加而变化不大,从采用1阶振型的7 779M N 增大到采用6阶振型的8 958M N,为1阶振型剪力的1 15倍.所以在利用反应谱进行隔震效果分析时,长周期高层建筑必须充分考虑高阶振型影响的问题,否则会低估减震效果.

图2 基底剪力随振型阶数增加的变化

隔震结构高阻尼的影响是低估高层结构隔震效果的另外一个重要因素.高层隔震结构的阻尼比远远大于5%,如果按照5%阻尼比的设计反应谱来评估隔震结构和非隔震结构的地震力变化是不合理的.当结构阻尼比大于5%时

[4]

,阻尼调整系

1040东南大学学报(自然科学版) 第40卷

数 的值也偏大,这就造成长周期段高阻尼的反应谱值降低很少,当周期超过2 0s 后,阻尼比为0 05和0 20所对应的反应谱值较接近,当周期大于一定数值以后,阻尼比0 20对应的反应谱的数值甚至比阻尼比0 05时的值还大,显得不太合理

[7]

.

2 高层隔震体系上部结构设计原则

高层建筑相对于多层建筑,

倾覆效应明显,采用隔震技术后,在罕遇地震作用下,隔震支座可能会出现拉应力.隔震结构整体倾覆和隔震支座受拉问题是隔震技术在高层建筑中应用的主要障碍.

根据以往对高层隔震结构的设计和研究,提出了高层隔震结构隔震层上部结构设计的基本原则:严格控制高宽比防止结构整体倾覆

[8]

,合理布置

竖向构件避免或者减小隔震支座的受拉.也可以通过增大隔震支座所承受的重力荷载范围以减小地

震作用引起的倾覆力矩,以此解决隔震支座受拉问题[9]

.竖向构件合理布置的原则可以归纳为:柱距要大,抗震墙要整,抗震墙尽量居中.抗震墙尽量居中则与抗震概念设计有所违背,抗震设计要求抗震墙分散布置在四周以控制结构的扭转效应,但这种布置方式比抗震墙布置于内部更有可能引起抗震墙端部的隔震支座受拉,而隔震结构的扭转效应是通过合理配置隔震层来处理的.

图3为某高层隔震结构竖向构件布置的2个方案,方案1的墙1位于结构外围,是一个对抗震非常有利的方案,方案2的墙1在内跨.对这2个方案的隔震结构进行非线性动力时程分析,图4为2个方案支座A 的竖向轴力时程曲线,分析中考虑了隔震支座拉压刚度的不同.

由图4可知,在相同的地震烈度下,方案1隔震支座A 轴力变化较方案2剧烈,即倾覆轴力大,支座更容易受拉.文献[4]第12 2 8条对抗震墙下隔震支座的布置规定为:隔震墙下隔震支座的

图3 抗震墙布置图(单位:m )

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第5期杜东升,等:高层建筑组合隔震的设计方法及应用

图4 隔震支座A的轴力时程

间距不宜大于2 0m.根据前面的分析,这条规范明显不合理,是在国内大直径隔震支座生产能力有限情况下的权宜之计,目前国内一些厂家已经具备1 3m隔震支座的生产能力,在将要颁布的新 规范 里面已经删除了这一条款.

抗震墙居中带来的问题就是对上部结构的抗扭不利,但在地震作用下隔震层上部的结构基本以平动为主,结构的变形主要集中在隔震层,所以只要保证隔震层的质心和刚心基本重合,就可以保证隔震层的上部结构不扭转,可见抗震的许多概念在隔震设计中是不一定成立的.

3 高层隔震体系隔震层的设计原则

各种类型的隔震装置都有各自力学模型和适用条件,如何将其合理组合配置,使各自能够发挥作用从而形成安全有效的组合隔震层是进行组合隔震设计的关键问题.各类隔震装置配置的基本原则为: 铅芯支座布置在隔震层的外围,且要求对称均匀.这样的布置对隔震层的抗扭转效应十分有利,而且对称的布置方式可以保证支座在不同剪应变水平下具有相同的偏离率. 滑移隔震支座配置在结构中间位置,这些位置在地震作用下轴力变化较小但自重下轴力较大.这种布置方式可以保证其力学模型的准确性,并提供较大的水平屈服力,但需要计算隔震层在最不利工况下的回复力能力. 纯橡胶支座配合隔震层的偏心率进行配置,并尽可能布置在滑移隔震支座附近提供回复力. 黏滞流体阻尼器在大震作用下可以提供较大的阻尼力,将其布置在结构角部和边缘对控制隔震结构的扭转非常有效.文献[5]给出了某高层隔震结构隔震层的配置图,其各类型隔震支座的配置基本符合上文提到的配置原则,详细分析结果表明隔震体系取得了较好的隔震效果,且各类型的隔震装置充分发挥了作用,隔震层设计安全有效.

隔震层设计中需要严格控制的参数包括: 控制隔震支座的长期面压、极大值面压和极小值面压[1,4]. 控制隔震层在不同变形水平下的偏心率(3%以内). 控制隔震层的屈重比. 控制隔震层的大震位移,并配合隔震支座的极大值面压,需要加入一定数量的黏滞流体阻尼器. 控制不同输入方向下隔震支座在罕遇地震下的拉应力. 对隔震上部结构抗倾覆的验算.控制以上6个参数基本上就可以保证隔震层能够具备稳定的工作状态,从而确保隔震体系的安全和可靠.

4 工程应用

将基于性能的设计理念应用于宿迁海关综合业务楼,该楼为地上17层,地下1层,总高度73 6 m,现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系,建筑面积18229 5m2[3].宿迁市位于地震高烈度区,抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度值为0 30g,设计地震第1组.该工程场地土为 类,场地特征周期值为0 45s(罕遇0 50s).

4 1 高层隔震结构的性能目标

性能目标和性能水准是对结构进行性能设计首先需要明确的内容,对于高层隔震结构很少有文献对其性能目标和性能水准进行研究[10].宿迁市海关业务综合楼隔震系统使用了橡胶隔震支座、滑移隔震支座和黏滞阻尼器,从中小震到大震,上部结构、隔震层、支撑隔震层的下部结构都需要给出明确的设计性能目标,针对地震动发生的频度和大小,表2给出了隔震设计的抗震性能目标,表3给出了隔震设计的抗风性能目标.

表2 抗震性能目标

部位多遇地震罕遇地震上部结构

最大层间位移角1/800

以内,地震响应比常规

结构降1度

弹性极限范围内最

大层间位移角1/500

以内

隔震装置

稳定变形,剪切变形在

200%以内

稳定变形,剪切变形

在200%以内

地下室和墩柱短期允许应力以内短期允许应力以内

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表3 抗风性能目标

部位50年一遇100年一遇

上部结构最大加速度小于0 15m /s 2

最大加速度小于0 20m /s 2

隔震装置

铅芯橡胶支座不屈服

铅芯橡胶支座不屈服

4 2 隔震层设计

图5为隔震层配置情况.

根据隔震层的控制参数要求,

隔震层必须具备屈服前刚度以满足风荷载和微振动的要求,将铅芯橡胶支座和滑移支座抗侧刚度简化为2线性,天然

图5 隔震支座配置图

橡胶支座的水平刚度简化为线性,隔震层的水平恢复力特性由铅芯橡胶支座、天然橡胶支座和滑移支座共同组成.图6给出了隔震层的水平恢复力特性及抗风分析结果.

图6 隔震层水平恢复力特性

对隔震系统的偏心率进行计算和控制表明,隔

震层X 向偏心率R X =1 6%,Y 向偏心率R Y =

0 3%,满足设计要求.分析结果表明该组合隔震层满足基本的控制指标,隔震层设计安全可靠[3]

.4 3 地震响应分析

本项目的动力非线性分析共采用了6条天然地震动和2条人工地震动.6条天然地震动为1940E l C entro E W,1940E l C entr o NS,1952Taft E W,1952TaftNS,1968H ach i n ohe E W 和1968H ach i n ohe N S ,通过对波进行综合调整,使得各条波在8.5度多遇

(110c m /s 2)地震和8.5度罕遇(510c m /s 2

)地震的反应谱已经与文献[4]相对应的不同水准设计谱基本一致,2条人工地震动根据该工程附近场地地貌和地质特性制成.图7给出了8.5度罕遇地震作用下部分输入地震波的加速度时程及反应谱特性.

比较隔震结构和非隔震结构在多遇地震作用下的响应结果,可以看出隔震系统的隔震效果.图8给出了隔震结构和非隔震结构X 向地震剪力和剪力系数的对比结果.

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第5期杜东升,等:高层建筑组合隔震的设计方法及应用

图7 罕遇地震作用下地震波的时程及反应谱(8 5度罕遇地震

)

图8 隔震和非隔震结构地震剪力和剪力系数对比

图9给出了隔震结构和非隔震结构16层部分加速度时程响应对比结果,

可以看出隔震后结构顶层的加速度约为隔震前的1/3~1/2,隔震效果非常明显.图10给出了隔震结构角部铅芯支座和滑移隔震支座在8.5度多遇地震作用下的滞回历程图,可以看出这些具备耗能能力的隔震装置充分发

图9 隔震和非隔震结构加速度响应对比(16层)

挥了其力学特性,具有较稳定的工作状态.

在地震作用下,隔震支座会吸收大量的地震能量,从而减少结构本身的黏滞耗能[11].结构能量时程曲线图可以直观地反映出隔震支座耗能和结构耗能随时间变化的情况.图11给出了隔震体系地震动作用下的能量时程曲线,可以看到,对于不同的输入地震动,隔震支座均耗散了大量的输入能量,

1044东南大学学报(自然科学版) 第40卷

图10 隔震支座滞回历程图(X向,EL Centro N

S)

图11 隔震结构能量时程曲线(EL C entro N S)

从而减小了上部结构本身的耗能,大大提高了上部结构的抗震性能.

4 4 隔震构造设计

隔震支座与上部和下部结构应该有比较可靠

的连接,隔震支座的轴线应与柱、墙轴线重合(见图12).与隔震支座连接的梁、柱、墩等应具有足够的水平抗剪和竖向局部抗压承载力,并采取可靠的构造措施,如加密箍筋或配置网状钢筋.穿过隔震层的竖向管线(含上下水管、通风管道、避雷线)应符合下列要求:直径较小的柔性管线在隔震层处应预留足够的伸展长度,其值不应小于500mm;直径较大的管道在隔震层处应采用柔性接头,并能保证发生500mm以上的水平变形.图13给出了一种柔性导线连接方法.

图12 橡胶隔震支座的连接

图13 隔震层柔性导线的连接

隔震层所形成的缝隙可根据使用功能的要求,采用柔性材料封堵、填塞,以保证隔震层可以在地震下水平移动.上部结构及隔震层部件应与周围固定物脱开,与水平方向固定物的脱开距离不宜小于500mm,与竖直方向固定物的脱开距离应取为20mm.

隔震层顶部采用现浇钢筋混凝土梁板结构,抗震墙下托墙梁需进行专门设计及构造加强;隔震支座附近梁、柱应考虑冲切和局部承压,加密箍筋并根据需要配置网状钢筋.隔震层顶部的纵、横梁和楼板体系应作为上部结构的一部分进行计算和设计.

5 结论

1)高阶振型对非隔震结构的影响和高阻尼对隔震后结构的影响是长周期高层结构具有较好隔震效果的主要原因.

2)高层隔震体系上部结构的设计在满足高宽

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第5期杜东升,等:高层建筑组合隔震的设计方法及应用

比的情况下应该遵循 柱距要大,抗震墙要整,抗震墙尽量居中 的原则,尽量避免边缘隔震支座的受力.

3)高层隔震体系的隔震层设计应该采用组合隔震方式,将铅芯橡胶支座、纯橡胶支座、滑移隔震支座和黏滞流体阻尼器合理而有效地组合在一起,既可以保证中小震下的隔震效果,又可以满足罕遇地震隔震层位移的限值要求.隔震层的设计需要通过一些控制参数检验其安全性和可靠性.在以上设计原则的基础上,将性能设计方法引入到高层结构隔震设计中,用具体的多重目标来进行隔震体系的抗震设计.

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