高位层间隔震结构电梯井核心筒剪力墙处理方法研究

吴从晓， 周 云， 吴从永， 邓雪松

(1.广州大学 土木工程学院，广州 510006;2.广州大学 建筑设计研究院，广州 510405)

层间隔震是将隔震层的位置布置在结构楼层中间，突破了基础隔震结构隔震层只能布置在结构底层的限制，使得隔震层位置布置更为灵活，可满足特殊结构采用隔震技术的需求。层间隔震结构周期延长可能不是十分明显，但结构中布置隔震装置后，改变上部结构的自振频率，当上部结构的主频率接近于主结构的基本频率或激振频率，由调谐吸振原理，将结构的振动反应衰减并受到控制［1]。

国内外层间隔震技术方面的研究与应用，主要集中在日本和中国，并且已将该技术应用于实际工程中［2－8]，如日本 25 层的 Shiodome sumitomo 建筑，其隔震层设置在11层12层之间，结构分析结果表明，采用该种结果形式可有效地减小结构的地震反应，并使结构设计更加合理。我国采用层间隔震技术基本上都是将隔震层设置在结构一层柱顶，而对于高位隔震技术的应用还比较少［1]。当采用高位层间隔震结构体系时，结构中出现了较难处理的部位——电梯井核心筒剪力墙，为了满足消防和建筑使用功能的需求，使得电梯井剪力墙在隔震层位置不能断开，当隔震层设置于结构一层柱顶时，电梯井可采用文献［9] 中给出的悬挂式处理方法，但对于隔震层位于较高位置时，电梯井剪力墙筒体的质量较大，采用悬挂方法时，周边的梁柱的截面尺寸较大。其次，将电梯井剪力墙筒体悬挂后隔震层下部结构的刚度会明显减小，不利于下部结构抗震。为了使隔震技术能在高位层间隔震中得到应用，也可在隔震层以上每一楼层梁与剪力墙电梯井连接处，布置牛腿并采用橡胶隔震支座隔开或在隔振层以上的楼层增加一套电梯，但采用上述方法可能会带来以下问题:① 增加一套电梯系统，影响了建筑使用功能和增加房屋造价;② 橡胶隔震支座布置不同标高位置，施工困难、安装时质量及精度不易控制;③ 不同竖向位置安装橡胶隔震支座会延长结构施工周期等。针对上述问题，本文提出一种高位层间隔震结构中电梯井核心筒剪力墙处理方法，对采用该种处理方法的结构进行分析，验证其可行性，为同类结构设计提供参考依据。

1 高位隔震结构电梯井处理方法提出

图1 高位层间隔震结构电梯井处理方法Fig.1 The processing method of core shear wall with high-level story isolation technology

本文提出一种高位层间隔震结构中电梯井核心筒剪力墙处理方法(PMIT)，该 种处理方法是将隔震支座和柱(墙)用转换梁托起，同时将隔震层上部结构与电梯井筒体剪力墙相连的梁断开，在核心筒四周布置新增柱或墙(与电梯井核心筒之间预留足够宽度缝隙)，将断开的梁与新增柱相连，同时在预留缝隙间布置几道刚度较小的弹簧或者粘滞阻尼器，保证橡胶隔震支座的正常滑移又可减小上部外围结构与筒体间的相对位移，避免其发生相互碰撞，(如图1所示)。采用PMIT的层间隔震结构，结构中布置的粘滞阻尼器和弹簧构件将电梯井核心筒剪力墙和外围结构联系起来，在地震作用时弹簧和粘滞阻尼器能施加给外围结构运动方向相反的水平力作用，相当于电梯井核心筒结构给外围结构附加反方向的力矩，减小隔震层上部外围结构最外层隔震支座由于地震作用引起的拉力和压力，也可以减小隔震层层间位移，从而提高结构抗倾覆性能，同时也可以减小电梯井核心筒在转换层位置的弯矩值。PMIT结构中不会减少隔震层下部楼层落地剪力墙数量，对隔震层下部结构抗侧刚度不会产生影响(无需新增剪力墙提高隔震下部结构的抗侧刚度)，避免结构在隔震层下部因抗侧刚度减小和隔震层位置承受弯矩值过大而出现新的薄弱部位。

基于以上分析，该种高位层间隔震结构电梯井处理方法具有构造相对简单、制作安装与检修方便、经济与实用性较强，并且通过采用梁式转换技术，可以避免每层剪力墙电梯井都伸出牛腿布置橡胶隔震支座(不能保证橡胶隔震支座位于同一标高处)或多一道电梯系统等问题。

2 算例

本文采用的分析模型为22层框支剪力墙结构，结构总高度为77m，长40m，宽24m，1层－6层层高为4.5m、7层层高为5m(转换层)、8层－22层层高为3m，模型的平面如图2所示，结构构件参数和抗震参数如表1所示［11，12]。结构隔震层的设计是根据《叠层橡胶支座隔震技术规程》(CECS126:2001)要求，确保橡胶隔震支座的压应力在无地震时能正常使用，同时兼顾不同直径橡胶隔震支座在地震作用时其力学性能。考虑上述二个因素，在隔震层设计时采用永久荷载和可变荷载作用下组合的竖向平均压应力设计值，并进行罕遇地震作用下的拉应力验算，同时考虑风荷载作用时隔震层的水平剪力从而确定铅芯橡胶隔震支座的数量。

图2 平面图Fig.2 Plan drawings

表1 模型参数Tab.1 model parameters

采用PMIT时，将算例转换层上部剪力墙结构中与电梯井相连的梁断开，在电梯井外侧500 mm位置增加8根700×700 mm柱，将断开的梁与新增柱相连，将第7层层高减小为4.2m，增加0.8m高隔震层(结构总高度不变);隔震层隔震支座布置于转换梁的上部，并在8层剪力墙下部增加300×700 m暗梁，通过分析，隔震支座选用LNR800、LRB800、LNR600(框支柱顶部位置采用LNR800和LRB800橡胶隔震支座，结构最左边轴线和最右边轴线上布置8个LRB800铅芯橡胶隔震支座，其它布置12个LNR800普通橡胶隔震支座，隔震层上部剪力墙墙肢端和新增柱底布置LNR600普通橡胶隔震支座)。

PMIT模型中包括在外围结构与电梯井核心筒结构布置弹簧、粘滞阻尼器和不布置弹簧和粘滞阻尼器工况。其中连接弹簧刚度为10 kN/mm，粘滞阻尼器的阻尼系数为50 kN/mm.s，阻尼指数为0.2，弹簧和粘滞阻尼器布置于结构12层、17层和22层电梯井剪力墙与新增柱之间，每层布置4个(X向)。

文献［9] 中给出的悬挂法模型，是在结构1层－7层电梯井核心筒剪力墙外侧增加8根1 200×1 200 mm柱，将断开的框架梁与新增柱相连，隔震层位于转换梁底，层高为0.8 m，通过分析，隔震支座选用LNR1000、LRB1000(隔震支座只布置于框支柱顶部，结构最左边轴线和最右边轴线上布置8个LRB1000铅芯橡胶隔震支座，其它柱顶位置布置20个LNR1000普通橡胶隔震支座)。

PMIT和悬挂法中选用不同型号隔震支座参数如表2所示。分析时选用EL-Centro波和KOBE波，采用多遇地震峰值加速度输入，PGA=70 cm/s2。

表2 隔震支座参数Tab.2 Parameters of isolation rubber

对框支剪力墙结构、PMIT结构(缝隙中不布置弹簧和阻尼器、仅布置弹簧和仅布置粘滞阻尼器)和悬挂法结构模型进行时程分析，分析得出不同结构层间位移角分析结果如图3(图中没有给出隔震层层间位移角)，从中可以看出:采用本文提出的方法隔震层下部结构层间位移相比于原结构都有减小，在电梯井与外围结构缝隙中布置弹簧时下部结构层间位移角减小了约20%，布置粘滞阻尼器时减小了约35%;而悬挂法隔震层下部结构层间位移角相比于框支剪力墙结构放大了约150%，说明本文提出的处理方法对隔震层下部楼层抗侧刚度不会产生影响，而悬挂法会明显减小隔震下部楼层的抗侧刚度，为了使结构满足抗震要求，还需在隔震层下部楼层中新增剪力墙以提高结构整体抗震性能。

PMIT结构中电梯井核心筒和外围结构顶层位移时程曲线如图4和图5所示，从中可以看出:外围结构和电梯井核心筒结构在地震作用下，位移时程曲线基本没有出现错峰的现象，特别是外围结构和电梯井核心筒缝隙中布置粘滞阻尼器后隔震层上部的外围结构与电梯井核心筒运动趋势基本保持一致，同时顶点位移值也明显小于布置弹簧PMIT结构。当结构中缝隙中布置弹簧时，外围结构的顶层位移平均值约为29 mm，布置粘滞阻尼器时约20 mm，外围结构和电梯井核心筒结构的相对位移约15 mm;布置粘滞阻尼器时约为5 mm，其明显小于布置弹簧的处理方法，为此，采用在处理方法中布置粘滞阻尼器可减小电梯井核心筒与外围结构之间的预留缝隙。

PMIT结构和悬挂法结构在水平地震作用下隔震层最左轴线上隔震支座的竖向力轴力如表3所示，框支剪力墙结构和PMIT结构隔震层位置电梯井核心筒剪力墙弯矩如表4所示，从中可以看出:悬挂法结构中左边最外侧轴线上隔震支座最大竖向拉力平均值(仅输入水平地震波，没有考虑荷载组合，下同)为416 kN，压力为464.5 kN;外围结构和电梯井核心筒缝隙中布置弹簧的PMIT结构中其拉力平均值为410.5 kN，压力为311 kN，压力减小了约30%;布置粘滞阻尼器的PMIT结构中其拉力平均值为190 kN，压力为170 kN，拉力和压力都减小了约50%。

图5 顶点位移时程曲线(粘滞阻尼器)Fig.5 History time curve of the top displacement(viscous damper)

在水平地震作用下，框支剪力墙结构在隔震层位置电梯井核心筒剪力墙弯矩正向平均值为48 849 kN·m，负向平均值为59 342 kN·m;外围结构和电梯井核心筒缝隙中布置粘滞阻尼器的PMIT结构正向平均值为46 226 kN·m，负向平均值为48 310 kN·m，减小了约为10%，而缝隙中布置弹簧与无布置弹簧和阻尼器的PMIT结构的隔震层位置电梯井核心筒剪力墙弯矩值相比于框支剪力墙结构增加了15%～20%。

表3 隔震支座竖向力(左边最外侧轴线位置)Tab.3 Vertical force of isolation rubber(The lateral location of left axis)

表4 隔震层位置电梯井弯矩Tab.4 The moment of the shear wall in isolation story

3 结论

本文提出了高位层间隔震结构电梯井处理方法，对其进行了分析研究，得出以下结论:

(1)本文提出的高位层间隔震结构电梯井处理方法(PMIT)是可行的;

(2)PMIT结构隔震层下部结构层间位移角和隔震位置电梯井剪力墙弯矩相比于框支剪力墙结构都有减小，而悬挂法隔震层下部层间位移相比于框支剪力墙结构存在明显的放大现象，PMIT结构对隔震层下部结构刚度不会产生影响，避免隔震层下部结构出现薄弱层

(3)相比于悬挂法结构，布置粘滞阻尼器PMIT结构隔震层最外侧隔震支座压力和拉力都有明显减小(仅水平地震作用)，提高结构的整体抗倾覆性能;

(4)结构中采用PMIT时，宜在电梯井核心筒剪力墙结构与外围结构之间布置粘滞阻尼器。

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