高層建筑組合隔震的設(shè)計方法及應(yīng)用

高層建筑組合隔震的設(shè)計方法及應(yīng)用第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日研究目的：近年來,隔震技術(shù)被逐步推廣到高層建筑中。隨著抗震意識的進(jìn)一步提高,高層隔震結(jié)構(gòu)將會有廣闊的發(fā)展前景。研究現(xiàn)狀：

2001年,我國頒布的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB500112001)(2008版),第1次將隔震和消能減震設(shè)計的內(nèi)容列入其中.。但是,我國規(guī)范規(guī)定的隔震結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍非常狹窄,主要局限于多層結(jié)構(gòu)體系,如要求結(jié)構(gòu)不隔震時的基本周期小于10s,針對高層建筑結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)的研究工作還沒有系統(tǒng)開展。第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日本文研究的內(nèi)容：本文對高層隔震結(jié)構(gòu)的減震效果進(jìn)行了分析,解釋了長周期高層結(jié)構(gòu)仍具有較好隔震效果的原因,對高層隔震結(jié)構(gòu)上部設(shè)計和隔震層設(shè)計的一些基本原則進(jìn)行了研究,以國內(nèi)目前最高的隔震建筑為例對所研究的成果進(jìn)行了工程應(yīng)用,并在隔震設(shè)計中引入了性能設(shè)計的理念.第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日1、高層隔震體系減震效果分析2、高層隔震體系上部結(jié)構(gòu)設(shè)計原則3、高層隔震體系隔震層的設(shè)計原則4、工程應(yīng)用5、結(jié)論第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日1高層隔震體系減震效果分析高層建筑已經(jīng)具有較長的周期,對其采用隔震技術(shù)后周期會繼續(xù)后延,而建筑抗震規(guī)范的設(shè)計反應(yīng)譜在長周期段下降緩慢,在8度(0.3g)二類場地建造高層隔震建筑,并使其周期由原來的2s延長到3.5s,從5%阻尼比的反應(yīng)譜上可以算出地震影響系數(shù)從0.0522降低到0.0480,認(rèn)為隔震前后地震剪力比值只有0.0480/0.0552=0.87,按照建筑抗震規(guī)范的要求,隔震后的上部結(jié)構(gòu)降低半度的要求都達(dá)不到,說明隔震效果不明顯.然而通過對高層隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性動力時程分析卻發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果并非如此。第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日圖1規(guī)范反應(yīng)譜分析高層結(jié)構(gòu)隔震效果第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日現(xiàn)以某高層隔震建筑為例,分析高層隔震結(jié)構(gòu)仍具有較好隔震效果的原因.該高層建筑主樓結(jié)構(gòu)地上23層,隔震層兼作地下室;縱向長50.6m,橫向長26.2m,主體建筑高度約89.8m,長邊方向高寬比為1.78,短邊方向高寬比為3.43,最高處97.2m.對其進(jìn)行詳細(xì)的非線性動力時程分析,表1給出了隔震與非隔震結(jié)構(gòu)在計算時采用不同振型數(shù)量情況下X向的基底剪力。第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日可以看出,隔震和非隔震結(jié)構(gòu)第1階振型的基底剪力相差不大,說明了為什么直接從反應(yīng)譜上看長周期結(jié)構(gòu)隔震效果不明顯。但是,隔震結(jié)構(gòu)的第1階振型質(zhì)量參與系數(shù)達(dá)到了90.1%,采用多階振型地震剪力組合后,最終的基底剪力與采用1階振型基底剪力相差不大;而非隔震結(jié)構(gòu)的第1階振型質(zhì)量參與系數(shù)只有65.4%,通過多階振型地震剪力組合,最終的基底剪力會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第1階振型的基底剪力.第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日下圖為隔震和非隔震結(jié)構(gòu)基底剪力隨振型階數(shù)增加而變化的情況.可以看出,非隔震結(jié)構(gòu)地震剪力隨振型階數(shù)增加而顯著增加,從采用1階振型的17.579MN增大到采用6階振型時的31.732MN,是1階振型剪力的1.81倍.第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日而隔震結(jié)構(gòu)的基底剪力隨振型階數(shù)的增加而變化不大,從采用1階振型的7.779MN增大到采用6階振型的8.958MN,為1階振型剪力的1.15倍.所以在利用反應(yīng)譜進(jìn)行隔震效果分析時,長周期高層建筑必須充分考慮高階振型影響的問題,否則會低估減震效果.隔震結(jié)構(gòu)高阻尼的影響是低估高層結(jié)構(gòu)隔震效果的另外一個重要因素.高層隔震結(jié)構(gòu)的阻尼比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5%,如果按照5%阻尼比的設(shè)計反應(yīng)譜來評估隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)的地震力變化是不合理的.第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日高層隔震體系上部結(jié)構(gòu)設(shè)計原則高層建筑相對于多層建筑,傾覆效應(yīng)明顯,采用隔震技術(shù)后,在罕遇地震作用下,隔震支座可能會出現(xiàn)拉應(yīng)力.隔震結(jié)構(gòu)整體傾覆和隔震支座受拉問題是隔震技術(shù)在高層建筑中應(yīng)用的主要障礙.根據(jù)以往對高層隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研究,提出了高層隔震結(jié)構(gòu)隔震層上部結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則:嚴(yán)格控制高寬比防止結(jié)構(gòu)整體傾覆,合理布置豎向構(gòu)件避免或者減小隔震支座的受拉.也可以通過增大隔震支座所承受的重力荷載范圍以減小地震作用引起的傾覆力矩,以此解決隔震支座受拉問題.第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日豎向構(gòu)件合理布置的原則可以歸納為:柱距要大,抗震墻要整,抗震墻盡量居中.抗震墻盡量居中則與抗震概念設(shè)計有所違背,抗震設(shè)計要求抗震墻分散布置在四周以控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),但這種布置方式比抗震墻布置于內(nèi)部更有可能引起抗震墻端部的隔震支座受拉,而隔震結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是通過合理配置隔震層來處理的.第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日圖3為某高層隔震結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件布置的2個方案,方案1的墻1位于結(jié)構(gòu)外圍,是一個對抗震非常有利的方案,方案2的墻1在內(nèi)跨.對這2個方案的隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性動力時程分析。第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日圖4為2個方案支座A的豎向軸力時程曲線,分析中考慮了隔震支座拉壓剛度的不同.由圖4可知,在相同的地震烈度下,方案1隔震支座A軸力變化較方案2劇烈,即傾覆軸力大,支座更容易受拉.規(guī)范規(guī)定對抗震墻下隔震支座的布置規(guī)定為:隔震墻下隔震支座的間距不宜大于2.0m.根據(jù)前面的分析,這條規(guī)范明顯不合理,是在國內(nèi)大直徑隔震支座生產(chǎn)能力有限情況下的權(quán)宜之計,目前國內(nèi)一些廠家已經(jīng)具備1.3m隔震支座的生產(chǎn)能力,在新規(guī)范里面已經(jīng)刪除了這一條款.第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日抗震墻居中帶來的問題就是對上部結(jié)構(gòu)的抗扭不利,但在地震作用下隔震層上部的結(jié)構(gòu)基本以平動為主,結(jié)構(gòu)的變形主要集中在隔震層,所以只要保證隔震層的質(zhì)心和剛心基本重合,就可以保證隔震層的上部結(jié)構(gòu)不扭轉(zhuǎn),可見抗震的許多概念在隔震設(shè)計中是不一定成立的.第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日3高層隔震體系隔震層的設(shè)計原則各種類型的隔震裝置都有各自力學(xué)模型和適用條件,如何將其合理組合配置,使各自能夠發(fā)揮作用從而形成安全有效的組合隔震層是進(jìn)行組合隔震設(shè)計的關(guān)鍵問題.各類隔震裝置配置的基本原則為:(1)鉛芯支座布置在隔震層的外圍,且要求對稱均勻.這樣的布置對隔震層的抗扭轉(zhuǎn)效應(yīng)十分有利,而且對稱的布置方式可以保證支座在不同剪應(yīng)變水平下具有相同的偏離率.第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日(2)滑移隔震支座配置在結(jié)構(gòu)中間位置,這些位置在地震作用下軸力變化較小但自重下軸力較大.這種布置方式可以保證其力學(xué)模型的準(zhǔn)確性,并提供較大的水平屈服力,但需要計算隔震層在最不利工況下的回復(fù)力能力.(3)純橡膠支座配合隔震層的偏心率進(jìn)行配置,并盡可能布置在滑移隔震支座附近提供回復(fù)力.(4)黏滯流體阻尼器在大震作用下可以提供較大的阻尼力,將其布置在結(jié)構(gòu)角部和邊緣對控制隔震結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)非常有效.第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日隔震層設(shè)計中需要嚴(yán)格控制的參數(shù)包括:1、控制隔震支座的長期面壓、極大值面壓和極小值面壓.2、控制隔震層在不同變形水平下的偏心率(3%以內(nèi)).3、控制隔震層的屈重比.4、控制隔震層的大震位移,并配合隔震支座的極大值面壓,需要加入一定數(shù)量的黏滯流體阻尼器.5、控制不同輸入方向下隔震支座在罕遇地震下的拉應(yīng)力.6、對隔震上部結(jié)構(gòu)抗傾覆的驗算.控制以上6個參數(shù)基本上就可以保證隔震層能夠具備穩(wěn)定的工作狀態(tài),從而確保隔震體系的安全和可靠.第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日4工程應(yīng)用工程概況：將基于性能的設(shè)計理念應(yīng)用于宿遷海關(guān)綜合業(yè)務(wù)樓,該樓為地上17層,地下1層,總高度73.6m,現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系,建筑面積18229.5m2.宿遷市位于地震高烈度區(qū),抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計基本地震加速度值為0.30g,設(shè)計地震第1組.該工程場地土為Ⅲ類,場地特征周期值為0.45s(罕遇0.50s).第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日4-1高層隔震結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)

性能目標(biāo)和性能水準(zhǔn)是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能設(shè)計首先需要明確的內(nèi)容,對于高層隔震結(jié)構(gòu)很少有文獻(xiàn)對其性能目標(biāo)和性能水準(zhǔn)進(jìn)行研究.

宿遷市海關(guān)業(yè)務(wù)綜合樓隔震系統(tǒng)使用了橡膠隔震支座、滑移隔震支座和黏滯阻尼器,從中小震到大震,上部結(jié)構(gòu)、隔震層、支撐隔震層的下部結(jié)構(gòu)都需要給出明確的設(shè)計性能目標(biāo),針對地震動發(fā)生的頻度和大小,表2給出了隔震設(shè)計的抗震性能目標(biāo),表3給出了隔震設(shè)計的抗風(fēng)性能目標(biāo).第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日4-2隔震層設(shè)計圖5為隔震層配置情況.第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日根據(jù)隔震層的控制參數(shù)要求,隔震層必須具備屈服前剛度以滿足風(fēng)荷載和微振動的要求,將鉛芯橡膠支座和滑移支座抗側(cè)剛度簡化為線性,天然橡膠支座的水平剛度簡化為線性,隔震層的水平恢復(fù)力特性由鉛芯橡膠支座、天然橡膠支座和滑移支座共同組成.圖6給出了隔震層的水平恢復(fù)力特性及抗風(fēng)分析結(jié)果.第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日對隔震系統(tǒng)的偏心率進(jìn)行計算和控制表明,隔震層X向偏心率RX=1.6%,Y向偏心率RY=0.3%,滿足設(shè)計要求.分析結(jié)果表明該組合隔震層滿足基本的控制指標(biāo),隔震層設(shè)計安全可靠.第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日4-3地震響應(yīng)分析本項目的動力非線性分析共采用了6條天然地震動和2條人工地震動.6條天然地震動為1940ElCentroEW,1940ElCentroNS,1952TaftEW,1952TaftNS,1968HachinoheEW和1968HachinoheNS,通過對波進(jìn)行綜合調(diào)整,使得各條波在8.5度多遇(110cm/s2)地震和8.5度罕遇(510cm/s2)地震的反應(yīng)譜已經(jīng)與規(guī)范相對應(yīng)的不同水準(zhǔn)設(shè)計譜基本一致,2條人工地震動根據(jù)該工程附近場地地貌和地質(zhì)特性制成.第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日圖7給出了8.5度罕遇地震作用下部分輸入地震波的加速度時程及反應(yīng)譜特性.第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日圖8給出了隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)X向地震剪力和剪力系數(shù)的對比結(jié)果.比較隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的響應(yīng)結(jié)果,可以看出隔震系統(tǒng)的隔震效果.第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日圖9隔震和非隔震結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)對比(16層)圖9給出了隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)16層部分加速度時程響應(yīng)對比結(jié)果,可以看出隔震后結(jié)構(gòu)頂層的加速度約為隔震前的1/3-1/2,隔震效果非常明顯.第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日圖10隔震支座滯回歷程圖(X向,ELCentroNS)圖10給出了隔震結(jié)構(gòu)角部鉛芯支座和滑移隔震支座在8.5度多遇地震作用下的滯回歷程圖,可以看出這些具備耗能能力的隔震裝置充分發(fā)揮了其力學(xué)特性,具有較穩(wěn)定的工作態(tài)。第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日圖11隔震結(jié)構(gòu)能量時程曲線(ELCentroNS)在地震作用下,隔震支座會吸收大量的地震能量,從而減少結(jié)構(gòu)本身的黏滯耗能.結(jié)構(gòu)能量時程曲線圖可以直觀地反映出隔震支座耗能和結(jié)構(gòu)耗能隨時間變化的情況.圖11給出了隔震體系地震動作用下的能量時程曲線,可以看到,對于不同的輸入地震動,隔震支座均耗散了大量的輸入能量,從而減小了上部結(jié)構(gòu)本身的耗能,大大提高了上部結(jié)構(gòu)的抗震性能.第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日4-4隔震構(gòu)造設(shè)計隔震支座與上部和下部結(jié)構(gòu)應(yīng)該有比較可靠的連接,隔震支座的軸線應(yīng)與柱、墻軸線重合(見圖12).與隔震支座連接的梁、柱、墩等應(yīng)具有足夠的水平抗剪和豎向局部抗壓承載力,并采取可靠的構(gòu)造措施,如加密箍筋或配置網(wǎng)狀鋼筋.穿過隔震層的豎向管線(含上下水管、通風(fēng)管道、避雷線)應(yīng)符合下列要求:直徑較小的柔性管線在隔震層處應(yīng)預(yù)留足夠的伸展長度,其值不應(yīng)小于500mm;直徑較大的管道在隔震層處應(yīng)采用柔性接頭,并能保證發(fā)生500mm以上的水平變形.圖13給出了一種柔性導(dǎo)線連接方法.第三十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日第三十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日隔震層所形成的