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高層建筑隔震設(shè)計方案論文精選
1工程概況
某高層住宅樓為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑類別為丙類建筑。建筑總高度為84.6m，高寬比2.74，地上28層（不包括隔震層），帶兩層裙房，地下室2層。隔震層層高為1.6m，1層層高4.7m，2~27層層高為2.9m，28層層高為4.5m。柱子截面尺寸主要有800mm×800mm，700mm×700mm，600mm×600mm和400mm×400mm，混凝土等級為C50~C30。隔震層梁截面尺寸主要為800mm×800mm和300mm×700mm，混凝土等級為C35。上部結(jié)構(gòu)梁截面尺寸主要有400mm×700mm，350mm×700mm，300mm×800mm，300mm×700mm，300mm×600mm和200mm×500mm，混凝土等級為C35~C30。剪力墻厚度為400~200mm，混凝土等級為C50~C30。隔震層樓板為200mm，頂層樓板厚度為120mm，中間樓層板厚為100mm，樓梯間板厚150mm，混凝土等級為C35~C30。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年。主要設(shè)計依據(jù)：①場地土的類型為中硬場地土，場地類別II類，設(shè)計地震分組第三組；②基本風(fēng)壓按50年一遇的基本風(fēng)壓采用，取0.55kN/m2，地面粗糙度B類；③區(qū)域抗震基本烈度8度，設(shè)計基本地震加速度0.3g。該工程隔震層位于地下室頂面，隔震支座均在同一標(biāo)高，隔震設(shè)計目標(biāo)為上部結(jié)構(gòu)地震作用和構(gòu)造均按降一度考慮。
2隔震方案設(shè)計
目前國內(nèi)常用隔震設(shè)計方案主要是采用帶鉛芯和不帶鉛芯的疊層橡膠支座以及粘滯阻尼器配合使用。隔震層抗風(fēng)裝置主要利用帶鉛芯的疊層橡膠墊或配合使用金屬阻尼器。
2.1三種隔震方案
第一種采用帶鉛芯和不帶鉛芯的疊層橡膠支座，即目前國內(nèi)常用的隔震方案，其中抗風(fēng)承載力主要由鉛芯提供。第二種采用帶鉛芯疊層橡膠支座、不帶鉛芯疊層橡膠支座和摩擦滑板支座混合隔震，即在方案一基礎(chǔ)上，將裙房非鉛芯支座L27、L30、L35、L37、L38、L39、L40、L41、L46、L47、L49和L50全部換成摩擦滑移支座，其中抗風(fēng)承載力由帶鉛芯疊層橡膠支座和滑移支座二者共同提供。第三種是在第一種方案基礎(chǔ)上將L11、L17、L28和L31換成不帶鉛芯的疊層橡膠支座，并且隔震層兩個方向分別安裝4個破壞荷載為250kN的專門抗風(fēng)裝置。該抗風(fēng)裝置在風(fēng)荷載作用下和鉛芯共同提供抗風(fēng)承載力，當(dāng)?shù)卣鹱饔贸^其破壞荷載時退出工作。三種方案隔震支座布置時應(yīng)盡量使得結(jié)構(gòu)質(zhì)心和剛心盡量重合，并使結(jié)構(gòu)抗扭剛度盡量大。各支座力學(xué)參數(shù)見表1所示。計算表明三種方案隔震支座性能驗算（包括壓應(yīng)力驗算、拉應(yīng)力驗算、最大位移驗算和層回復(fù)力驗算）均滿足規(guī)范要求，抗風(fēng)承載力均大于風(fēng)荷載設(shè)計值。采用ETABS對三種隔震方案進(jìn)行分析，上部結(jié)構(gòu)采用彈性模型和剛性隔板假定，取地下室頂部為嵌固端，隔震單元采用非線性連接單元。考慮疊層橡膠支座拉壓剛度不等，取受拉剛度為受壓剛度的1/7倍，在ETABS中采用ISOLATOR1單元和GAP單元組合模擬，摩擦滑移單元采用ISOLATOR2模擬，專門抗風(fēng)裝置在地震作用下失效，所以計算模型中不予考慮。結(jié)構(gòu)動力特性分析采用RITZ法求解振型。地震作用時程分析采用FNA法。計算時先采用非線性重力荷載工況加載，在保持重力荷載作用下，分別施加不同工況地震作用，分析過程考慮二階重力荷載效應(yīng)。
2.2減震效果分析
對比分析非隔震結(jié)構(gòu)和三種隔震結(jié)構(gòu)動力特性，計算在設(shè)防烈度的地震作用下，各結(jié)構(gòu)的樓層剪力、傾覆彎矩、層間位移角和樓層加速度，對比三種隔震方案的減震效果。
2.3周期對比
對比非隔震結(jié)構(gòu)和不同方案隔震結(jié)構(gòu)前三階振型的周期、方向和參與系數(shù)，各模型前兩階振型為平動，第三階振型為扭轉(zhuǎn)。隔震結(jié)構(gòu)周期均明顯大于非隔震結(jié)構(gòu)。從方案設(shè)計中可知方案二和方案三隔震層剛度都比方案一隔震層剛度小。因此，方案二和方案三的周期均大于方案一的周期。方案二的周期比（即第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期比值）比方案一和方案三大，可見方案二的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)比方案一和方案三明顯。
2.4樓層剪力、傾覆彎矩對比
《抗規(guī)》中采用樓層剪力比和樓層傾覆彎矩比（即隔震結(jié)構(gòu)樓層剪力、彎矩與非隔震結(jié)構(gòu)樓層剪力、彎矩的比值）作為高層隔震建筑減震效果的評價指標(biāo)，即減震系數(shù)。且當(dāng)減震系數(shù)小于0.4時，上部結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施可以降低一度。圖2和圖3對比了三種方案兩個方向的減震系數(shù)，由圖可知，三種方案均具有很好減震效果；方案二和方案三的大部分樓層減震效果均優(yōu)于方案一，特別是傾覆彎矩比優(yōu)勢更明顯；三種方案頂部出天面小塔樓減震系數(shù)相對其他樓層均較大，在Y向上都超過了0.4，但該層在設(shè)計中考慮鞭梢效應(yīng)的影響會有所加強(qiáng)，所以可以不考慮該層減震系數(shù)；方案一和方案二天面層Y向傾覆彎矩比超過了0.4，而方案三滿足小于0.4的要求。在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中方案一和方案二頂部天面層樓層構(gòu)造措施不應(yīng)降低。
2.5層間位移角對比
根據(jù)原結(jié)構(gòu)和三種隔震結(jié)構(gòu)層間位移角計算結(jié)果可知，三種隔震結(jié)構(gòu)層間位移角均明顯小于非隔震結(jié)構(gòu)，隔震效果明顯。分別將三種隔震結(jié)構(gòu)層間位移角比非隔震結(jié)構(gòu)層間位移角，得到三種隔震結(jié)構(gòu)的層間位移角比，可知方案二和方案三的大部分樓層層間位移角減震效果均優(yōu)于方案一。
2.6樓層加速度對比
通過原結(jié)構(gòu)和三種隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度計算結(jié)果可知，三種隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度均明顯小于非隔震結(jié)構(gòu)，隔震效果明顯。分別將三種隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度比非隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度，得到三種隔震結(jié)構(gòu)的樓層加速度比，如圖5所示，可知方案三的大部分樓層加速度的減震效果優(yōu)于方案一；方案二在X向樓層加速度比與方案一和方案三相比變化較大，主要是由于方案二隔震支座布置形式導(dǎo)致隔震層Y向剛心偏移較多，上部結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增加，進(jìn)而使得X向地震作用下樓層加速度變化較大，相比之下Y向剛心變化不大，樓層加速度變化與方案一和方案三較為一致。
2.7隔震方案討論
該高層建筑處于高烈度地區(qū)，采用隔震技術(shù)能夠取得很好的安全性和經(jīng)濟(jì)性。但該地區(qū)風(fēng)壓很大，使得國內(nèi)傳統(tǒng)隔震設(shè)計中隔震層設(shè)計需要較多帶鉛芯的疊層橡膠支座，導(dǎo)致隔震層剛度過大，上部結(jié)構(gòu)減震效果降低，部分樓層減震效果不能達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。采用專門抗風(fēng)裝置和滑板支座均是在保證隔震層抗風(fēng)要求，減小隔震層剛度，使得上部結(jié)構(gòu)取得較好的減震效果。按照《抗規(guī)》進(jìn)行設(shè)計時，方案三可以保證上部全部樓層減震系數(shù)均小于0.4的要求，但是方案三需要專門的抗風(fēng)裝置，該裝置性能的研究還很少，技術(shù)不夠成熟。方案二將高層建筑裙房的隔震支座采用滑板支座，由于裙房柱底壓力小，從而滑板等效水平剛度也小，一定程度減低了隔震層剛度，且具有較好的經(jīng)濟(jì)性，但國內(nèi)對滑板支座應(yīng)用于建筑隔震中的研究還比較少。方案一是國內(nèi)常用的隔震設(shè)計方案，該方案用于低風(fēng)壓地區(qū)普遍適用，而在高風(fēng)壓地區(qū)可能因為隔震層剛度過大，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)個別樓層減震效果達(dá)不到設(shè)計目標(biāo)的要求。此時建議修改設(shè)計目標(biāo)，允許個別樓層抗震構(gòu)造措施不降低。
3結(jié)論
本文對高風(fēng)壓高烈度地區(qū)某高層隔震建筑進(jìn)行了三種隔震方案設(shè)計，對比分析三種隔震方案的減震效果，討論三種隔震方案優(yōu)劣，提出高風(fēng)壓地區(qū)高層建筑隔震設(shè)計建議。研究結(jié)構(gòu)表明：
（1）高風(fēng)壓高烈度地區(qū)高層建筑隔震設(shè)計時，通過合理設(shè)置滑板支座代替疊層橡膠支座或是采用專門抗風(fēng)裝置，都能有效減小地震作用時隔震層剛度，提高上部結(jié)構(gòu)減震效果，更容易達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。
�。�2）國內(nèi)滑板支座和專門抗風(fēng)裝置研究還很少，有必要進(jìn)行深入的研究，以適應(yīng)高風(fēng)壓高烈度地區(qū)高層隔震建筑的發(fā)展。
�。�3）高層減震隔震設(shè)計時，應(yīng)允許各別樓層減震系數(shù)超過0.4，但該樓層抗震構(gòu)造措施不應(yīng)降低。
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