喀什农商银行总部大楼隔震结构设计

沈伟宇 丁洁民 吴宏磊 陈长嘉张红强

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

1 工程概况

喀什农商银行总部大楼（图1）位于新疆维吾尔自治区喀什市深喀大道南侧，为高层办公楼。项目总建筑面积34 481 m2，其中地上部分总建筑面积30 640 m2。

项目由高层主塔楼和裙房组成，其中高层塔楼主体结构地上19层，建筑高度81.8 m，地下1层，层高5.1 m。裙房主体结构地上2层，建筑高度16 m，地下1层，层高5.1 m。高层塔楼采用混凝土框架-混凝土核心筒-基础隔震结构体系。裙房采用混凝土框架结构体系。基础以上通过设置抗震缝将高层塔楼与裙房分割开，如图2所示。

塔楼平面轴线尺寸51.3 m×30.3 m，核心筒居中布置，平面尺寸22.8 m×10 m，核心筒面积占底部标准层面积的14.0%。塔楼标准层建筑平面图如图3所示。

图1 建筑效果图Fig.1 Architectural rendering

图2 主楼与裙房分缝示意图Fig.2 Seam layout between the main tower and the podium

图3 塔楼标准层建筑平面图Fig.3 Tower standard floor plan

本项目所在地区结构抗震设防烈度为8度（0.3 g），建筑抗震设防类别为丙类，建筑场地类别为Ⅱ类，设计地震分组第三组，场地特征周期0.45 s。基本风压为0.55 kN∕m2（50年一遇）。

2 结构体系选型研究

本项目初步设计阶段，提出了刚性方案与隔震方案：①刚性方案通过增大构件截面尺寸、设置周边剪力墙等措施增强结构刚度，从而抵抗地震作用；②隔震方案通过在上部非隔震结构基础上设置隔震层，使上部非隔震结构与基础处于隔离状态，从而有效隔绝地震能量向上传递，大幅减小上部结构地震作用。

图4给出了刚性方案与隔震方案标准层结构平面布置示意。与刚性方案相比，隔震方案去除了南北两侧6根框架柱以及周边剪力墙，建筑效果更为通透，建筑功能布置更加灵活。

图4 结构平面布置Fig.4 Structural layout

表1、表2给出了刚性方案与隔震方案主要结构构件截面尺寸对比。可以看出，隔震方案较刚性方案截面尺寸得到明显优化，建筑使用功能明显改善。

表3给出了刚性方案与隔震方案主要分析结果。可以看出，隔震方案上部结构层间变形明显减小，同时，设防地震作用下，核心筒剪力墙未出现拉应力，结构抗震性能得到大幅改善。

3 隔震设计目标及布置

3.1 隔震设计目标

本项目隔震目标为隔震层上部结构的水平地震作用及有关的抗震措施降低1度，即水平地震的抗震措施按7度（0.15g）设计，但与抵抗竖向地震作用有关的抗震措施仍按8度（0.3g）［1］。

表1 框架柱截面尺寸Table 1 Column sections mm

表2 核心筒剪力墙截面尺寸Table 2 Core wall sections mm

表3 主要分析结果Table 3 Main analysis results

3.2 隔震层布置

本项目隔震层位于基础与地下1层之间，层高1.8 m，如图5、图6所示。

图5 隔震层位置Fig.5 Position of isolation layer

图6 隔震层平面布置Fig.6 Isolation layer layout

本项目隔震层布置主要遵循以下原则［2］：①刚度较大的铅芯橡胶支座沿外框周边布置，刚度较小的天然橡胶支座沿内部核心筒布置，以增大隔震层扭转刚度；②沿外框周边布置黏滞阻尼器，以控制隔震层变形，同时耗散地震能量；③隔震支座长期应力、短期应力及大震下的支座极限变形等均应满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）［1］（以下简称《抗规》）相关要求。

根据以上布置原则，本项目隔震层共布置铅芯橡胶支座23个，天然橡胶支座11个，黏滞阻尼器16个。橡胶隔震支座及黏滞阻尼器设计参数如表4、表5所示。

表4 橡胶隔震支座设计参数Table 4 Design parameter of rubber bearings

表6给出了隔震层偏心率计算结果。本项目隔震层2个方向的偏心率分别为2.34%（X向），0.98%（Y向），均小于3%［3］，说明隔震层布置规则，上部结构中心与隔震层刚心基本重合，隔震支座具备足够的安全性与稳定性。

表5 黏滞阻尼器设计参数Table 5 Design parameter of viscous dampers

表6 隔震层偏心率计算结果Table 6 Calculatingresultofisolationlayereccentricity

4 计算参数

4.1 计算模型

本项目隔震分析采用ETABS进行，非隔震结构模型和隔震结构模型如图7所示。其中，橡胶隔震支座采用“Isolator 1+Gap”单元模拟，黏滞阻尼器采用“Damper”单元模拟。

部门协作，合力抗灾。省军区组织现役官兵和民兵预备役人员1.54万人次、车辆及工程机械411辆次、提水机具505台次，协助地方人工增雨375次，疏挖渠道38km，打井26处，送水546t，扑救森林火灾40起。农办、财政厅、农业厅、民政厅等省防指有关成员单位相继派出137批次工作组赶赴受旱地区调查研究，分类指导抗旱救灾。邵阳、郴州、娄底等市万名干部下乡村，带着资金和技术深入一线帮助农户抗旱。

4.2 地震波选择

从Ⅱ类场地土地震波库中选取7条地震时程波（5条天然波+2条人工波），频谱分析结果如图8所示。经验算，所选时程波满足抗规“弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%”的要求［1］。

5 隔震分析计算结果

5.1 周期与振型

图7 ETABS结构模型Fig.7 Structure model of ETABS

图8 地震波频谱分析图Fig.8 Seismic wave spectrum analysis

表7给出了隔震结构与非隔震结构的周期对比。可以看出，隔震后结构周期延长约2.46倍，有利于结构远离场地特征周期，减小地震作用。

表7 隔震与非隔震结构周期对比Table 7 Comparison of periods between isolated structure and non-isolated structure

5.2 减震系数

根据《抗规》［1］要求，对于高层隔震建筑，应该分别计算设防地震下隔震与非隔震结构各层层间剪力与层倾覆力矩的最大比值，取二者的较大值作为上部结构的水平减震系数［1］。对隔震结构和非隔震结构分别进行7组中震地震波下的动力时程分析，各层的层剪力平均值和层倾覆力矩平均值如图9、图10所示。

在设防烈度地震作用下，隔震结构X向层剪力最大减震系数为0.33；Y向层剪力最大减震系数为0.34；X向最大地震弯矩最大减震系数为0.35；Y向最大地震弯矩最大减震系数为0.35。采用隔震技术后，上部结构可按设防烈度降低1度进行设计（隔震层采用阻尼器时水平减震系数小于0.38）。

图9 非隔震结构与隔震结构层剪力对比Fig.9 Comparison of story shear force between non-isolated structure and isolated structure

图10 非隔震结构与隔震结构层倾覆力矩对比Fig.10 Comparison of story moment between non-isolated structure and isolated structure

5.3 隔震支座应力验算

隔震支座应力验算包括长期面压、短期极大面压和短期极小面压。长期面压验算考虑结构重力荷载代表值的作用，短期面压验算考虑了结构重力荷载代表值、罕遇地震三向地震作用组合。

表8给出了本项目隔震支座应力限值及验算结果。可见，支座应力均满足规范限值［3］要求。

表8 隔震支座应力验算Table 8 Stress check of bearings

5.4 隔震层变形

图11给出了罕遇地震作用下，各隔震支座变形分布情况。可以看出，隔震支座水平向最大平均位移为360 mm。对于LNR1000规格的支座，该水平位移相当于183%的剪应变，小于0.55D（0.55D=550 mm）和300%的剪应变（300%γ=591.6 mm），满足《抗规》［1］要求。

图11 隔震支座变形分布Fig.11 Deformation distribution of isolating bearings

5.5 隔震层抗风设计

对于隔震结构，隔震层必须具备足够的屈服前刚度，以满足风荷载和微振动的要求。隔震层的水平恢复力特性由铅芯橡胶支座和天然橡胶支座共同组成。

图12给出了本项目隔震层水平恢复力特性。可以看出，隔震层屈服力（9 538 kN）大于100年风荷载标准值作用下隔震层层剪力的1.4倍（6 802×1.4=9 523 kN），满足隔震层抗风承载力要求［3］。久荷载标准值；rb和ri分别为隔震层和上部结构各层的初始形心位置到最外侧边缘隔震支座轴线的距离，Δxi为时程分析过程中结构第i层重心相对于隔震层底部形心在水平方向的偏移量（图13）。

图12 隔震层水平恢复力特性Fig.12 Horizontal resilience characteristics of isolation layer

表9给出了本项目隔震结构抗倾覆验算结果。可以看出本结构X向的抗倾覆力矩是罕遇地震作用下倾覆力矩的1.92倍，Y向的抗倾覆力矩是罕遇地震作用下倾覆力矩的3.77倍，抗倾覆安全系数大于1.2，满足《新疆维吾尔自治区建筑隔震技术应用导则》［5］6.2.8条抗倾覆验算要求，隔震体系具有良好的抗倾覆能力。

5.6 隔震结构抗倾覆验算

高层隔震结构的抗倾覆力矩主要由上部结构自重提供。根据文献［4］提供的方法，本结构在计算时考虑了上部结构各层重心相对于初始位置的偏移（图13），以结构变形后各层形心到最外侧边缘隔震支座轴线的距离为相应楼层的抗倾覆力矩力臂，则隔震结构的抗倾覆力矩可表示为

式中：Gb和Gi分别为隔震层和上部结构各层的永

图13 上部结构中心偏移示意图Fig.13 Upper structure center offset sketch

表9 罕遇地震作用隔震结构抗倾覆验算Table 9 Anti-overturning check of isolated structure under rare earthquake

6 结 论

对喀什农商银行总部大楼隔震结构进行了详细的计算和分析，得出以下结论：

（1）采用基础隔震技术后，上部结构平面布置及主要结构构件截面尺寸得到明显优化，建筑使用功能大幅改善。

（2）采用基础隔震技术后，上部结构自振周期由1.83 s延长至4.51 s，远离场地特征周期，地震作用明显减小。

（3）设防地震作用下，上部结构最大减震系数为0.35，隔震后，上部结构可按规范降1度进行设计。

（4）罕遇地震作用下，隔震支座最大变形为360 mm，短期极大面压为26.03 MPa（压），短期极小面压为0.56 MPa（拉），满足规范相关要求。

（5）隔震层屈服承载力大于100年一遇风荷载设计值，满足抗风承载力要求。

（6）隔震结构抗倾覆安全系数大于规范限值，本结构具有良好的抗倾覆能力。