多遇地震作用下高层建筑基础隔震研究

 

　　关键词：高层建筑钢筋混凝土结构；基础隔震；三维有限元模型；地震反应

　　地震和风给人们带来了严重的灾害。采取经济、高效、可靠的措施减小地震和风荷载造成的损失，已经成为科学家和工程师关注的问题。传统的结构抗震和抗风设计方法是利用结构自身的能力来耗散振动能量，如加大构件的截面尺寸或提高材料的强度等级等。这种方法既不经济，又存在较大的问题。建筑结构振动控制技术将从根本上解决这一问题。

　　基础隔震技术是目前工程中应用最多的一种减震控制技术，由于其造价低，易于实施，减震效果好，越来越受到人们的重视。国内外很多学者对混凝土基础隔震结构做了大量细致而深入的工作，并且也建成了许多隔震建筑，提出了许多关于隔震结构的理论及设计方法。

　　本文采用高层建筑三维有限元分析软件ETABS，对设置与不设置橡胶隔震垫的某高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构进行了地震反应分析。该高层建筑地面以上25层，高度约81m.上部结构为剪力墙结构，采用现浇钢筋混凝土。梁、楼板、剪力墙的几何尺寸及混凝土的强度等级逐层变化。顶层上建有塔楼，而一二层设有裙房。建筑场地类别为Ⅲ类，Tg=0.45s，抗震设防烈度为7度，设计基本加速度为0.10g，设计地震分组为第一组。本工程所属地区50年一遇的基本风压wo=0.50kN/㎡，（用于高度为60m以下建筑结构计算和高度超过60m的高层建筑结构水平位移控制），100年一遇的基本风压wo=0.60kN/㎡，（用于高度超过60m的高层建筑结构承载力计算）。地面粗糙度C类，风荷载体形系数μs=1.3

　　本文选择目前国际上用的较多的El-Centro波（适合Ⅱ、Ⅲ类）、Taft波（适合Ⅱ、Ⅲ类）以及人工模拟地震波（适合Ⅲ类）进行时程分析。将波的最大幅值分别调至相当于7度多遇地震下的加速度峰值35gal.选取等时间步长0.02s，总持续时间为15s.考虑双向水平地震作用，根据规范地震波按加速度峰值1（X方向）：0.85（Y方向）的比例输入，并与风荷载分别进行内力与位移的线性组合：

　　（1）位移组合：1.0G±1.0E±0.20W

　　（2）内力组合：1.2G±1.3E±0.28W

　　其中，G是重力荷载标准值；E为地震作用荷载；W为风荷载。

　　由计算可知，框架柱最大轴向力为2132kN，小于隔震垫设计最大竖向承载力2800kN；罕遇地震下隔震层最大水平侧移194mm，小于隔震垫设计最大水平位移300mm，因此隔震垫设计合理。

　　在多遇地震波作用下，结构顶层加速度时程如图1所示，各层层间位移角如图2所示，图3给出了隔震结构与非隔震结构的层间剪力。

　　从图1可以看出，多遇地震时隔震结构顶层的最大加速度为36gal，仅为非隔震结构的40%.

　　从图2可知，多遇地震时隔震结构的第1层侧移远大于非隔震结构第1层侧移。原因在于结构隔震层水平刚度远小于第1层水平刚度，通过橡胶垫的集中大变形将地震能量隔离，使地震能量不向上部结构传输或少传输。

　　由图3可知，多遇地震时隔震结构基底剪力为4608kN，为非隔震结构基底剪力的70%.

　　本文通过基础隔震高层钢筋混凝土剪力墙结构的有限元时程分析，得出以下结论：

　　（1）基础隔震体系设置柔性的隔震支座，从而降低了结构的水平刚度，使结构的自振周期增大了近50%，从而避开地震主要携能频带，因此也就降低了结构的水平地震作用。

        （2）从结构的加速度反应看，在水平地震波作用下，隔震结构的加速度反应明显小于非隔震结构的加速度反应。

　　（3）隔震结构的层间位移比非隔震结构大大减小，隔震结构的楼层位移变形主要集中在隔震层，上部结构各层间水平位移几乎为零，其振型为“整体平动型”。

　　（4）从最大层间剪力的反应来看，隔震结构的最大层间剪力仅为非隔震结构的30%.因此，隔震层上部的结构可以按降低地震设防烈度一度考虑。