高烈度区高层隔震结构研究新进展与应用

文/李爱群 解琳琳 曾德民 杨参天 刘立德

近年来，功能可恢复已逐渐成为地震工程领域的研究热点。隔震技术是实现高烈度区高层结构震后功能可恢复的重要手段。研究团队完成了高烈度区高层隔震建筑群的工程设计实践，并以此为基础，针对高烈度区高层隔震结构相关的关键问题开展了系列研究。

该高层建筑群位于高烈度近断层地区，设计中需引入近断层系数以考虑近断层影响，若采用传统抗震设计方案，设计难度大，且经济性难以满足建设单位的需求。为了提升建筑群的安全性能和经济性，研究团队完成了该建筑群的隔震设计。这一研究对高层隔震工程应用和后续相关研究具有重要的参考价值。

1 高烈度区高层隔震建筑群设计

该建筑群抗震设防烈度为8度（0.30g），场地类别为Ⅲ类场地，设计地震分组为第二组，断层距7.5km，考虑近断层影响，专家委员会建议近场影响系数为1.25。建筑群包括29栋RC高层隔震结构，其中10栋采用框架-核心筒结构体系，13栋采用框架-剪力墙结构体系，6栋采用剪力墙结构体系。结构地上部分层数为17～22层，高度为61.5～79.2m，地下部分层数为3～5层，深度为10.4～19.6m。高宽比为1.91～3.69。

图1 高烈度区高层隔震建筑群

对于该建筑群的高层隔震结构，若采用传统的±0隔震方案，难以满足建筑使用功能需求；若整体结构在地下室基础底部隔震，由于设计地震力较大，控制支座拉应力不超过1MPa较难，设计难度大。因此，本研究团队提出了“局部地下室下沉隔震”方案并获得专家委员会认可。具体而言，剪力墙或核心筒部分下沉至地下室底部隔震，而框架在±0处隔震。典型案例C1、B1和D6的隔震布置方案如图2所示。

经设计，各高层隔震结构均通过了隔震层恢复力、抗风、偏心率验算和罕遇地震下结构整体抗倾覆验算，支座长期面压、减震系数罕遇地震下支座位移和极值面压均满足相关规范要求。

2 高层隔震建筑地震动强度指标

2.1 分析关键内容简介

基于实际工程案例，考虑2种常见的高层结构体系（包括框架-核心筒结构和框架-剪力墙结构）、2个不同的结构高度、2种常见的隔震设计方案和6种屈重比，形成了48个高层隔震结构案例，用于研究适用于该类结构的地震动强度指标。

选取了59条脉冲型地震动和80条非脉冲型地震动，采用云分析方法研究适用于该类结构的地震动强度指标。本研究评估了25个已有地震动强度指标与4个关键工程需求参数（MIDR、MRD、MFA和MBD）的相关性。

2.2 地震动强度指标相关性评价

工程需求参数（EDP）与地震动强度指标（IM）之间近似满足指数关系，其关系式形式如式（1）所示。

式中：a和b是目标回归系数。对上式做自然对数变换，可变换成式（2）所示的对数线性关系式。

图2 典型楼型隔震方案

由于式（2）满足古典的线性回归模型，可采用最小二乘原理对云分析获得的n个离散点（EDPi，IMi）进行回归分析，进而获得ln（EDP）与ln（IM）的相关性系数ρ。

图3 框架-核心筒高层隔震结构各IM与EDP相关性系数范围

图4 框架-剪力墙高层隔震结构各IM与EDP相关性系数范围

对建立的48个高层隔震结构案例进行139条地震动下的云分析，获得框架-核心筒高层结构和框架-剪力墙高层结构各IM与各EDP的相关性系数ρ，其范围分别如图3和4所示。可见，综合考虑不同的高层结构类型、不同的结构高度、不同的隔震设计方案和不同的屈重比时，对于每一个工程需求参数，显然分别存在与其相关性良好的地震动强度指标。具体而言，（1）MVSI和PGV是与隔震层最大位移和结构顶层最大位移相关性最佳的两种地震动强度指标；（2）IH、MVSI和PGV是与上部结构最大层间侧移角相关性最佳的三种地震动强度指标；（3）VSI和IH则是与最大楼面加速度相关性最佳的两种地震动强度指标。

3 基于屈重比的高烈度区RC框架-核心筒隔震结构高效设计方法

3.1 上部结构周期建议取值

高层隔震结构的上部结构周期Tf取值直接影响隔震结构设计的难度。因此，本研究对13栋框架-核心筒隔震结构的上部结构周期Tf和结构高度H进行回归分析（如图5所示），建议立Tf与H的关系式（3）。

3.2 支座长期面压建议取值

支座长期面压σg的取值与支座的型号和数量直接相关。值得注意的是，不同位置的隔震支座（如框架柱底隔震支座和核心筒角部隔震支座）的合理面压取值并不相同。

框架-核心筒结构在地震作用下会产生显著的倾覆效应，框架柱底部和核心筒角部隔震支座更容易处于受拉状态。因此，位于这些位置的支座的σg取值通常应大于其它位置的支座。然而，框架-核心筒隔震结构各类位置支座的σg的相关研究罕见报道。因此，本研究对13栋框架-核心筒隔震结构的隔震支座长期面压进行了统计分析，建议了外框架柱底支座和核心筒剪力墙角部支座长期面压取值范围，分别为10～12MPa和8～10MPa。

3.3 屈重比合理取值范围和铅芯支座布置建议

屈重比是决定隔震层力学性能、整体减震效果和结构抗震性能的重要参数，与隔震层中铅芯支座的数量直接相关。本研究以具有不同高度的两栋设计案例为原型结构（高为79.2m和65.8m的C1和C4），考虑不同隔震设计方案（核心筒下沉隔震方案和±0隔震方案）的影响，基于精细模型，研究了屈重比对该类结构减震系数和隔震层位移的影响规律，具有不同屈重比的各案例的减震系数和MBD在3条地震动作用下的包络值如图6～8所示。研究表明：（1）减震系数的限值要求决定了屈重比上限值，建议取为3%；（2）隔震沟尺寸限值要求决定了屈重比下限值，建议取为2%；（3）结构高度小于80m或采用±0隔震方案，屈重比上限可适当提高。

3.4 基于屈重比的高效设计方法

图5 C1下沉隔震方案

图6 C1±0隔震方案

图7 C4下沉隔震方案

图8 C4±0隔震方案

基于上述研究，本研究提出了一种高层框架—核心筒隔震结构的高效设计方法及步骤：（1）明确隔震目标。根据实际工程特点与相关规范要求，确定隔震结构的隔震沟宽度和减震系数限值；（2）确定上部结构周期并设计上部结构。根据建筑高度，采用本文建议的式（3）确定Tf；（3）根据使用面压建议值，确定支座直径和数量；（4）根据屈重比推荐值设置铅芯支座。建议将铅芯支座设置于框架柱底部、核心筒角部；（5）关键指标验算；（6）粘滞阻尼器设计。若支座位移不满足要求，可在隔震层中设置粘滞阻尼器，控制结构位移。通常经过2～3次迭代计算即可确定粘滞阻尼器的参数和数量。本研究采用该方法对一84.1m的框架-核心筒高层隔震结构进行了设计，验证了该方法的高效性和合理性。