高层隔震结构减震机理和设计分析★

尤文贵，张俊腾

(福建农业职业技术学院,福建 福州 350119)

我国地处世界两大地震带之间,自2008年汶川地震以来接连发生多起地震,说明我国进入了地震活跃时期。建筑结构抗震设计经历了刚性设计、柔性设计和延性设计阶段[1]。传统的抗震设计理念[2]主要是通过提高建筑的强度、刚度和延性来抵抗地震作用的破坏。这样的抗震设计理念存在一个重要的问题:为了抵抗地震破坏而采取提高建筑的强度和刚度往往需要加大构件材料的用量,增大建筑结构的重量,这将导致建筑结构遭受的地震作用同步增加。因此,传统的抗震设计理念需要进一步的优化。在此背景下,隔震设计理念[3]孕育而生。隔震结构[4-5]采用在层间设置隔震支座,在小震作用下由于隔震支座具有较大的刚度使得上部结构不产生明显的水平变形,在中大震作用下隔震支座具有较大的变形能力使得上部结构的自振周期得以明显的延长从而减少地震作用。2021年新修订的《建筑抗震管理条例》第十六条规定:位于高烈度的设防地区的乙类建筑应采用减隔震技术,鼓励除前款规定以外的建设工程减隔震技术以提高建筑的抗震性能。今后我国的隔震结构的应用必将越来越广泛。本文以福州某办公楼隔震结构设计为研究对象,详细介绍满足现有规范的设计目标和地震波的选取方法,分析隔震与非隔震两种情况的上部结构的加速度反应谱,揭示隔震结构的减震机理,为设计师提供参考。

1 工程概况与设计目标

本文采用的工程案例为福州某办公楼,抗震设防类别为丙类,地上11层,地下1层,为钢筋混凝土框架-剪力墙结构,底层层高4.5 m,标准层层高为3.6 m,特征周期Tg=0.4 s,抗震设防烈度为7度,设计地震分组为一组,场地类别为Ⅲ类,如图1所示。设计基本加速度为0.15g,场地周边10 km内无发震烈断裂带不计入近场影响。采用有限元软件YJK试算后,再根据建筑抗震设计规范[6]和建筑隔震设计标准[7],结构宽高比小于4,风荷载和其他非地震作用下的水平荷载标准值未超过重力荷载标准值的10%,可以采用隔震结构,隔震支座设置在地下室顶板处。抗震设防目标是“小震不坏、中震可修、大震不倒”,采用隔震设计时的上部结构遭受的水平地震作用的设防烈度应比未采用隔震设计时设防烈度至少低半度。即该结构的隔震设计目标是将多遇地震基本加速度时程曲线最大值由55 cm/s2降至35 cm/s2以下,将设防地震基本加速度时程曲线最大值由150 cm/s2降至100 cm/s2以下,如表1所示。

2 地震波的选取

本文采用有限元软件ETABS分别进行未设置隔震支座与在地下室顶板设置隔震支座弹性时程和非线性弹塑性分析。根据抗震规范,采用时程分析法时,应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线,其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3。本文选取2条天然波和1条人工波进行分析,在频域中通过傅立叶转换将输入的地震波和隔震层的加速度时程转变为加速度反应谱。如表2所示,天然波Chi-Chi.Taiwan-04 NO2717和Morgan Hill NO471是从YJK软件和ETABS地震波数据库里下载的,其峰值加速度分别为58 cm/s2和63 cm/s2,与设计基本加速度为0.15g多遇地震作用下对应的地震加速度时程曲线最大值相适应。如表3所示,天然波Imperial Valley-07 NO200和TH1TG040的峰值加速度分别为149 cm/s2和147 cm/s2,与设计基本加速度为0.15g设防地震作用下对应的地震加速度时程曲线最大值相适应。本工程所处场地为Ⅲ类场地,天然地震波选取时采用频谱相适应的地震波,如图2—图5所示。人工合成波R1和R2采用有限元软件ETABS根据标准反应谱合成,如图6—图9所示,分别对已选用的多遇地震和设防地震的天然波进行匹配计算,两者的反应谱与规范反应谱拟合较好,主要周期点上的误差在20%以内,满足规范要求。

表1 地震加速度时程曲线最大值 cm/s2

表2 多遇地震波详细信息

表3 设防地震波详细信息

3 频域分析

为了更加直观地反映隔震结构的反应谱特征,选取第1,4,7,10(弱轴X方向平动)振型对应的第1,2,3,4振型的反应谱作为研究对象。根据有限元软件ETABS软件计算结果表明,该工程的第1,4,7,10振型对应的周期分别为1.35 s,0.44 s,0.38 s,0.3 s,振型质量参与系数88.52%,6.11%,3.13%,0.78%。如表4所示,在天然地震波Chi-Chi.Taiwan-04 NO2717下第1,4,7,10振型对应的非隔震结构的地震反应谱分别为669.5 mm/s2,1 000.4 mm/s2,776.8 mm/s2,1 121.5 mm/s2,而隔震反应谱对应的地震反应谱分别为669.5 mm/s2,1 000.4 mm/s2,776.8 mm/s2,1 121.5 mm/s2,反应谱减少量分别为361.8 mm/s2,771.8 mm/s2,558 mm/s2,966.2 mm/s2,高阶减少量与一阶减少量的比值分别为1,2.13,1.54,2.67。可以看出,在多遇地震作用下各振型的隔震反应谱均未超过350 mm/s2的限值。同样的,如表5所示,在多遇地震波Morgan Hill NO471的作用下,各振型的隔震反应谱也均未超过350 mm/s2的限值,各振型的加速度反应谱都有大幅度的减少。总体上,高阶振型的减少幅度比低阶振型的减少幅度要大。表6给出了人工合成波R1(多遇地震)作用下的各振型加速度反应谱情况,从表6中可以看出,高阶振型的参与度比低阶振型的参与度低,反应谱减少量总体上高阶振型比低阶振型反应谱减少量要大,这个规律与前面选取的2种天然地震波的反应谱相同。如表7所示,在天然地震波Imperial Valley-07 NO200(设防地震)下,高阶减少量与一阶减少量的比值分别为1,2.15,1.8,2.13。可以看出,在设防地震作用下各振型的隔震反应谱均未超过1 000 mm/s2的限值。从表8,表9可以看出,设防地震作用下的反应谱特征与多遇地震作用下的反应谱特征基本上相同。值得注意的是,设防地震作用下隔震反应谱的减少幅度要比多遇地震作用下的反应谱的减少幅度大很多。该隔震体系是通过在上部结构与下部结构,即在地下室顶板处设置隔震支座(消能装置)以隔离地震能量向上部结构的传递。在地震作用时,结构的变形主要集中在隔震支座处,而上部结构的变形大幅减少。从规范的标准反应谱可以看出,如果结构的自振周期较大,则通过设置隔震支座以延迟结构的自振周期来减少反应谱的效果不佳。即从延迟周期原理[8]的角度来看,对于高层结构并不适合采用隔震结构。但经过本文的分析试验结果表明,在高层结构的底部设置隔震支座的隔震效果显著。因此,可以采用滤波原理[9-10]来解释高层隔震原理:地震波能量通过隔震支座后其波峰减少,地震能量被过滤而衰减。

表4 天然地震波Chi-Chi.Taiwan-04 NO2717作用下各振型加速度反应谱对比

表5 天然地震波MorganHill NO471 作用下各振型加速度反应谱对比

表6 人工合成波R1作用下各振型加速度反应谱对比

表7 天然地震波ImperialValley-07 NO200作用下各振型加速度反应谱对比

表8 天然地震波TH1TG040下各振型加速度反应谱对比

表9 人工合成波R2作用下各振型加速度反应谱对比

4 结论

本文对高层结构进行设计分析,给出了设计目标的确定、地震波的选取方法和减震机理,得出了如下结论:

1)采用隔震设计时上部结构遭受的水平地震作用比未采用隔震设计时设防烈度至少低半度很容易就能实现,高层结构特别是高烈度区要实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标采用隔震设计是最优途径。

2)高层结构隔震设计时采用天然地震波和人工合成地震波可通过观察地震波的时程曲线图的主要周期点和最大加速度值并对比反应谱与规范谱的拟合度,来判断其与建筑场地是否相适应。

3)高层结构在底部设置隔震支座能够显著改善上部结构的地震反应谱,其减震机理并不是延迟周期而是滤波原理。