框架-核心筒结构高层建筑的抗震设计优化研究

摘要：为提升高层建筑抗震性能，从优化隔震效果的角度出发探讨支座极值面压具有一定的现实意义。基于此，以某框架-核心筒高层建筑为研究对象，从基础隔震入手设置4种抗震设计方案，并对比分析4种方案的地震响应情况。研究结果表明：设置铅芯橡胶支座和粘滞阻尼器，可有效减小层间位移角和支座极值面压。核心筒角点处设置具备较大承载力的大尺寸支座，应避免以铰接形式连接核心筒和楼面梁，以此提升高层建筑抗震性能。

关键词：框架-核心筒；高层建筑；抗震性能；铅芯橡胶；粘滞阻尼器

0" "引言

伴随着不断增加的功能性需求和建设高度，人们对框架-核心筒结构的高层建筑抗震性能要求越发严格[1]。在现有建筑抗震技术中，隔震技术因具备提升建筑地震安全性能，并确保设防地震后建筑物功能正常的优势而得到重点关注。

目前针对此方面的已有较多研究。如肖从真等[2]采用SAP2000和ETABS有限元软件，探讨了某高层建筑的动力情况，从结果看，隔震后建筑基底剪力显著减小。王曙光等[3]探讨了高层建筑支座拉力与建筑结构上部竖向构件的关系，得出应尽量在结构平面中部布置剪力墙的结论。尹传印等[4]探讨了橡胶支座在框架-核心筒高层建筑隔震结构中的应用，得出优化橡胶支座拉应力的控制方法。

目前高层建筑隔震技术的应用仍有一定局限性，如高层建筑结构有较长自振周期，地震作用时反映谱长周期段下降较慢[5]。高层建筑结构倾覆力矩较大，地震作用下的隔震支座有较大拉应力，但现有隔震支座抗拉性能较差[6]。为提升高层建筑抗震性能，从优化隔震效果的角度出发探讨支座极值面压具有一定的现实意义。本文以某框架-核心筒高层建筑为研究对象，从基础隔震入手设置4种抗震设计方案，并对比分析4种方案的地震响应情况。

1" "基于实际工程建立有限元模型

1.1" "工程概况

本文以某框架-核心筒高层建筑为研究对象。该建筑共20层、80m高，核心筒尺寸（长×宽）为8.4m×8.4m，高宽比为3.3，结构有8度设防烈度，0.35s特征周期。建筑上部结构布置示意图如图1所示。

1.2" "有限元建模

为确保模型准确度，采用SAP2000和YJK有限元软件建立非隔震建筑模型，并将2种模型的相对误差控制在2%以下。在隔震分析时，采用SAP2000有限元软件建模。其中，框架单元模拟梁柱，壳单元模拟剪力墙，膜单元模拟楼板。隔震支座水平力学性能和拉压不等的竖向性能分别以Rubber Isolator单元和MultiLinear Elastic单元模拟。框架-核心筒高层建筑结构数值模型如图2所示。

2" "隔震方案

为进一步优化框架-核心筒高层建筑的抗震性能，共设置4种隔震方案。

2.1" "方案一

将800mm有效直径的12个LRB800型铅芯橡胶支座，设置在外围框架柱下。将700mm有效直径的2个LNR700型天然橡胶支座，设置在核心筒剪力墙下。隔震方案一如图3所示。自重荷载作用下，支座最大面压约13MPa，支座压应力限值要求[7]。

2.2" "方案二

将天然橡胶支座替换成铅芯橡胶支座，并增大墙下四角点支座直径，隔震方案二如图4所示。该方案中的支座，在上部结构重力荷载作用下有约12MPa最大面压。

2.3" "方案三

在框架-核心筒建筑结构体系中，因建设设备安装需求不同，可采用铰接或刚接方式连接核心筒和楼面梁。为探讨连接方式与隔震结构地震响应的联系，仅将方案二中的核心筒端部一侧M1和M2方向的弯矩进行释放以进行铰接。

2.4" "方案四

在方案二的基础之上，在隔震层外围布置16个粘滞阻尼器。设防地震作用下，各方案结构基本周期如表1所示。

3" "动力响应分析

3.1" "地震波

以隔震设计标准的反应谱为目标，使用数值模拟软件，模拟分析RSN85、RSN40地震波和人工波下的基底剪力情况。反应谱法和时程分析结果见表2。从表2可以看，多条地震波的2种基底剪力平均值处于80%～20%的范围，满足要求。

3.2" "位移响应

各地震波作用下，隔震层位移对比见表3。从表3可以看出，各隔震方案均有效，且在RNS40地震波作用时有最好的隔震效果。方案三在各地震波作用时有最大层间位移角，表明铰接状态下的结构安全性不足。方案四在人工波和RSN85地震波下隔震效果较好，说明核心筒支座采用铅芯橡胶支座，且在结构外围设置粘滞阻尼器可有效降低结构层间位移角。

综上所述，天然橡胶支座水平刚度和耗能性能均较差，导致方案一隔震层出现超限等不良情况。比起天然橡胶支座，设置铅芯橡胶支座后最大位移最大降幅达130mm，增设粘滞阻尼器最大位移可降低近90mm。

3.3" "加速度响应

从各结构层在3组地震波作用时的X向加速度放大系数看，因结构在隔震前有较长一阶自振周期，为此上部结构各层加速度不具备明显的放大效应。

设置隔震之后，上部结构各层加速度变化趋于平缓，表明结构主要产生整体平动。不同地震波作用下的各隔震方案仅有较小区别，方案一因较低刚度而有最低的加速度响应；方案四因所用铅芯更多，并设有粘滞阻尼器等，因而有最大刚度，有相对较大的加速度响应。

3.4" "基底剪力

各方案在不同地震波作用时，X向基底最大剪力如表4所示。从表4结果看，结构X向基底剪力在设置基础隔震后有约47%的平均降幅，其中方案二有最小基底剪力。

3.5" "支座极值面压

3组地震波作用时，支座极值面压如表5所示。表5中正值为拉应力，负值为压应力。从表5的结果看，各方案均在核心筒隔震支座处产生极大和极小面压，且多出现在四角点支座处。从方案四在RSN85地震波作用时的支座极值面压变化情况看，比起外围框架柱下支座，核心筒的支座有更大轴力波动幅度。

此外，从支座极值面压变化情况看，其最大拉压应力分别小于30MPa和1MPa，说明所用粘滞阻尼器和铅芯橡胶支座更多时可有效减小支座极值面压。在以铰接方式连接核心筒和楼面梁时，支座极大和极小面压均有所上升。

RSN85地震波作用时，核心筒支座滞回曲线和粘滞阻尼器滞回曲线均较饱满，说明耗能效果较好，所设装置有较高合理性。

4" "结束语

为提升高层建筑抗震性能，从优化隔震效果的角度出发探讨支座极值面压具有一定的现实意义。本文以某框架-核心筒高层建筑为研究对象，从基础隔震入手设置4种抗震设计方案，并对比分析4种方案的地震响应情况。得到以下结论：

从支座极值面压看，所用铅芯橡胶支座数量较多，且相应设置粘滞阻尼器，可有效减小支座极值面压和上部结构层间位移。核心筒角点位置所设置的隔震支座有较大幅度的轴力变化，在设计时应使用较大承载力的大直径支座。

在设计框架-核心筒高层建筑的基础隔震时，应尽量避免采用铰接方式连接核心筒和楼面梁，避免出现过大的支座极值和层间位移角，影响结构抗震性能。

参考文献

[1] 汪大绥，包联进.我国超高层建筑结构发展与展望[J].建筑结构，2019，49（19）：11-24.

[2] 肖从真，薛彦涛，曾德民，等.成都凯德风尚高层建筑隔震设计与研究[J].建筑结构，2009，39（6）：93-97.

[3] 王曙光，杜东升，刘伟庆.高层建筑结构隔震设计关键问题[J].南京工业大学学报（自然科学版），2009，31（1）：71-77.

[4] 尹传印，解琳琳，李爱群，等.RC框架-核心筒高层隔震结构支座拉应力控制方法研究[J].建筑结构，2021，51（1）：94-99.

[5] 朱宏平，周方圆，袁涌.建筑隔震结构研究进展与分析[J].工程力学，2014，31（3）：1-10.

[6] 葛根旺，王军伟，晋宇.高层隔震结构的应用现状与研究进展[J].工程抗震与加固改造，2020，42（6）：53-62+69.

[7] 建筑隔震设计标准：GB/T51408—2021[S].北京：中国计划出版社，2021.

（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳" "111000）