某综合楼层间隔震设计及分析2012

某综合楼层间隔震设计及分析

吴应雄

祁

皑

黄

英

350108）

（福州大学土木工程学院，福州

摘

*

要：为探讨首层柱顶隔震体系的工程应用，以某首层架空的5层综合楼为背景，进行隔震设计和分

析，同时讨论相关的结构、构造设计及工程经济性。时程分析表明：在7度地震作用下，上部结构有显著的减震效果；下部结构（首层独立柱）有增大的结构动力反应。首层独立柱按7度罕遇地震内力进行强度设计，保表明了独立柱既满足结构安全又证了其在罕遇地震下不屈服并具有安全储备。着重讨论了独立柱的设计，

工程经济性上不影响架空层的利用。验证了首层为薄弱层的该框架结构应用首层柱顶隔震在技术上可靠，可行。

关键词：层间隔震；首层柱顶隔震；薄弱层；时程分析；独立柱

DESIGNANDANALYSISOFACOMPREHENSIVEBUILDINGUSINGSTORYISOLATION

WuYingxiong

QiAi

HuangYing

（CollegeofCivilEngineering，FuzhouUniversity，Fuzhou350108，China）

Abstract：First－floorisolationisoneofstoryisolationsystem，itsengineeringapplicationisrare．Inordertoexpatiateitsengineeringapplicationcomprehensively，isolationdesignandanalysisofafive-storystructurearecarriedout，ofwhichfirstfloorisopen，meanwhile，relatedconstructiondesignsandengineeringeconomicsarediscussed．Time-historyanalysesshowthat，under7degreeearthquakes，vibrationreductioneffectofthesuperstructureisobviously；Thesubstructure（independentcolumnsoffirst-floor）

hasincreaseofstructuraldynamicresponse

obviously．Strengthsoftheindependentcolumnsaredesignedaccordingtotheinternalforcesunder7degreerareearthquakes，whichensuresthesubstructurenottoyieldandhassafetystock；Designofindependentcolumnsisemphaticallydiscussedanditensuresstructuresafetyanddoesnotaffecttheuseofthespaceoftheopenfloor．Itisverifiedthatfirst-floorisolationtechnologyappliedonthefirst-floorweakstructureisnotonlyreliableintechnologybutalsoreasonableineconomy．

Keywords：storyisolation；first-floorisolation；weakstory；time-historyanalysis；independentcolumn

层间隔震作为一种新型的隔震体系，在某些场地位置特殊及结构形式不宜采用基础隔震的工程中具有特别的优势，其隔震方式是将隔震装置设于结构基础以上的某层或某部位，对结构进行地震反应，且以隔震层设于首层柱顶和多塔楼的底盘

［1－3］

。上为主要结构代表形式控制

对于首层为薄弱层的钢筋混凝土框架结构，隔震层位于首层柱顶的设计方案在适应场地条件、兼顾首层使用功能、考虑首层高度、便于隔震装置的维护、方便施工、降低工程造价等方面有诸多优点而得隔震工到了应用。我国中高地震烈度区量大面广，程的经济性问题显得尤为突出，隔震技术的应用难以大范围推广是个不争的事实。可见无论从技术角度还是经济性，首层柱顶隔震结构的推广应用有着强大的生命力，有必要分析其在实际工程应用中的技术问题。

IndustrialConstructionVol.42，No.3，2012

［1］

首层柱顶隔震结构在工程上的应用，日本有一定数量的工程实例用

［3－4］

［3］

，我国除台湾地区外少有应

。汶川地震后，福建省建成了多栋试点建筑，

其结构类型均是首层为薄弱层的多层框架结构，本工程即为其中一例。1

工程概况

工程为厦门森林扑救队综合楼，建筑平面规则，5层建筑面积2208m2，首层架空为车库兼隔震检修2～5层为办公及器材用房，层，平面及剖面如图1，南立面如图2；钢筋混凝土框架结构，隔震层位于首

*福建省住建厅科技研究开发项目（2009042）。1970年出生，第一作者：吴应雄，男，副教授。

E－mail：wyxfz2006@http://wendang.chazidian.com

收稿日期：2011－10－31

工业建筑2012年第42卷第3期

43

层柱顶，建筑抗震设防丙类，抗震设防烈度7度（0.15g）；场地10km内无发震断层，场地类别Ⅱ

2类，特征周期0.35s；基本风压0.80kN/m，楼面永22

楼面可变荷载2.5～3.5kN/m；久荷载5.0kN/m，

2层柱及以下的结构构件混凝土强度等级为C30，其余为C25；钢级级别：梁柱采用Ⅲ级钢，板和梁柱箍筋为Ⅰ级钢。

本工程经相关单位研究决定对该建筑采用隔震因为隔震层位于首层柱顶，超出GB50011—措施，

［2］

2001《建筑抗震设计规范》宜设置在结构第一层

图2

Fig．2

南立面

Elevationviewofsouthside

以下部位的规定，进行了专项论证，并于2009年竣工前进行了该结构的动力特性测试来检验隔震层的工作性能

［5］

震害经验也表明了在强烈地震作用下首层或底部薄弱层破坏严重，甚至引起建筑物倒塌，但薄弱层以上楼层的震害轻微

［4，6］

。。本工程考虑到以下因素：1）

工程建筑及结构布置规则；2）抗震结构经有限元软件SATWE初步计算基本周期小于1s，结构刚度大；3）隔震上部结构高宽比1.10；4）风荷载产生的总水平力约为结构总重力的3.5%；5）场地地质条件良好。所以结构适合进行隔震设计。

底层薄弱层结构若采用应用成熟的基础隔震体虽然降低了地震对结构的作用效应，但在超烈度系，

的地震作用下，其首层仍将率先出现较大的弹塑性变形甚至破坏。对于框架结构采用隔震技术，主要还考虑了基础隔震体系增加了地面层的梁板及基础工程量，需要设置隔震沟，施工不便，明显增加工程造价等。

底层薄弱层结构如果采用层间隔震，将隔震层则地坪处不需要设置隔震沟，位置上移至首层柱顶，

简化了隔震构造措施，降低了施工难度，节省了工程造价。同时对于首层柱顶这类低位的层间隔震结构，理论分析及试验研究均表明其减震机制基本接近于基础隔震2.2

a—首层平面；b—3～5层平面；c—剖面1—隔震检修层（架空层）；2—灭火器材室；3—办公

图1

Fig．1

建筑平面及剖面

Planandprofilegraphofarchitecture

［1，3，7］

，经综合分析，本工程采用首层

柱顶隔震体系的设计方案。

下部结构体系

下部结构主要有独立柱、独立柱加拉梁、独立柱

［8］

加短肢剪力墙3种可供选择的体系。因为首层

作为车位且高度较矮，独立柱加拉梁体系不能实现；框架柱短肢剪力墙体系易造成底层结构扭转，工程上一般不采用；独立柱稳定性差但适宜在首层高度较矮时采用，鉴于上部结构层数少且高宽比小，柱子截面不大，对首层功能的使用影响不大。经比较下部结构选用独立柱体系。33.1

隔震设计结构计算模型

本工程框架结构横向两跨、纵向五跨，隔震装置

工业建筑

2012年第42卷第3期

22.1

结构减震方案减震方案考虑

本工程首层填充墙少，而上部4层填充墙多，上

底层屈服强度系数小为薄弱部层抗侧刚度较大，层

［2］

。根据文献［6］的研究，由于结构薄弱层的存

在，在地震作用下薄弱层的层间位移角将急剧增大

。44

采用隔震橡胶支座（简称隔震支座），位于独立柱柱隔震层按一个楼顶。上部结构以隔震层为嵌固端，

层并入上部结构进行计算并简化取其层高为1000mm。3.2

隔震支座初步选取及布置

隔震支座直径确定：1）首先假定水平向减震系计算上部结构各柱子传递到支座的内力数为0.5，

值；2）支座压应力小于15MPa，经计算得各支座直径在350～600mm；3）选较大的支座直径以增加隔震层位移并减少支座的型号，初步确定支座的直径为400，500，600三种。首层共有16根独立柱，每柱设一个支座，布置如图3，其中天然橡胶支座称为LNR，铅芯橡胶支座称为LRB，橡胶剪切模

表1

Table1

量0.392MPa。支座面压在9.10～13.80MPa，LRB沿周边对称布置，以增加整体结构抗扭能力，其数量按设定的隔震层总水平屈服力确定，屈重比为1.39%。支座基本参数见表1

。

图3Fig．3

隔震支座布置

Layoutofseismicisolators

隔震支座基本参数

Basicparametersofseismicisolators

参数性能

型号

有效直径d0/mm

高度hb/mm132164132164185

竖向设计承载力P/kN17002800150026003700

水平屈服力Qd/kN38．2052．10———

等效水平刚度Kh/（kN·mmr=50%1．7122．2410．8480．9731．194

－1

等效阻尼比

heq

r=50%0．300．250．050．050．05

r=250%0．150．150．040．040．04

最大容许位移ud/mm204275204275315

）

r=250%0．9951．2100．7530．8971．098

LRB400LRB500LNR400LNR500LNR600

400500400500600

注：r为剪应变。

44.1

结构动力分析

结构动力计算模型及地震波选用

应用有限元分析软件ETABS进行三维结构模

波为南北方向分量，持续时间为28.86s；人工波则是根据GB50011—2001反应谱和场地地质条件生持续时间为35.0s。成的人工模拟加速度时程曲线，

为验证地震波选用的合理性，分别采用时程分析和振型分解反应谱（有限元分析软件SATWE）这两种分析方法计算出隔震上部结构在7度多遇（αmax=55cm/s2）地震作用下的最大层间剪力，其计算结果对比列于表2。

由表2得，两种分析方法所得结果的比值在0.86～0.95，说明所选的地震波是合适的，可用来指导工程设计

［9］

梁柱构件采用杆系单元模拟，混型非线性时程分析，

凝土楼板采用膜单元模拟，隔震支座采用ISOLATOR-1连接单元模拟。LNR计算模型为线性LRB计算模型选用空间双向耦合的非线性恢模型，复力模型。

选择适用于Ⅱ类场地的两组实际强震记录，分别是ElCentro波和Taft波及一组人工波。其中ElCentro波为南北方向分量，持续时间为34.74s；Taft

表2

Table2

楼层号2

ElCentroX向1102.65

Y向1170.08

X向1112.34

。

两种分析方法所得层间剪力对比

Analysisresultscontrastofstoryshearforcebytwomethods

时程分析法/kNTaft

Y向1151.18

X向1017.51

人工波

Y向1062.02

3条波平均X向1077.50

Y向1127.76

反应谱法/kNX向1210.67

Y向1311.35

时程法/反应谱法

X向0.89

Y向0.86

4.24.2.1

隔震数值分析基本周期对比

分别建立设置隔震层与不设隔震层（其余条件

相同）的隔震与非隔震结构模型，进行时程分析。在7度多遇地震作用下，取隔震支座50%剪应变所对应的阻尼比和等效水平刚度；在7度罕遇地震作

45

——吴应雄，某综合楼层间隔震设计与分析—等

用下，取隔震支座250%剪应变所对应的阻尼比和等效水平刚度。经模态分析得到这两种结构模型的基本周期见表3。

由表3得：在多遇地震作用下隔震结构基本周期较非隔震结构显著延长，避开场地的特征周期，在罕遇地震作用下由于隔震层刚度变小，其基本周期得到进一步的延长。

表3

Table3

结构

非隔震结构

多遇地震下隔震结构罕遇地震下隔震结构

层间位移角列于表5。建立结构模型进行分析，对首层柱的计算有：采用上部结构隔震后的各个支座在7度罕遇地震作用下的内力进行计算，其中弯矩值叠加竖向荷载引起的P－Δ效应及剪力引起的附加弯矩进行计算。

表4

Table4

层间剪力比值及水平向减震系数

Storyshearforcesratioandlateraldiscountrate

X向

层号隔震结

非隔震结层间剪力构/kN435.40686.40859.19

比值/%24.1627.2429.2630.67

隔震结构/kN110.50171.43269.40

Y向非隔震结构/kN463.51650.84896.50

层间剪力比值/%23.8426.3430.0531.12

结构基本周期

Basicperiodsofstructure

周期/sX向0．682．332．56

Y向0．662．272．50

阻尼比0．050．250．11

构/kN5432

105.20187.00251.40

330.471077.50350.961127.76

4.2.2水平向减震系数

进行了隔震与非隔震结构模型在7度多遇地震（αmax=55cm/s2）作用下的时程分析，层间剪力比值列于表4。根据GB50011—2001第12.2.5条规定确定上部结构的水平向减震系数为1.41×31.12%=0.44＜0.5，上部结构设计取水平地震影响系数的最大值为0.5×0.12=0.06，侧重于结构安全考虑，换算得上部结构地震作用为7度（0.10g，水平地震影响系数最大值0.08），即按降0.5度设计。4.2.3

7度罕遇地震验算

［9］

由表5得，在7度罕遇地震作用下：隔震上部结构层间位移角变化均匀，主要振型表现为整体水平平动，层间位移角介于1/500～1/1207，满足CECS

［10］

126∶2001《叠层橡胶支座隔震技术规程》小于

1/100的要求，基本处于弹性状态；而非隔震结构层虽然小于GB50011—间位移角介于1/141～1/227，

2001要求的弹塑性层间位移角限值1/50，但结构已经出现了较大的弹塑性变形；结构的水平变形集中在隔震支座，其最大水平位移101.70mm，为容许值的46.22%。同时，支座面压在9.10～13.80MPa且不产生拉应力。从以上数值证明了隔震层具有足够的稳定性和安全性，同时也表明了隔震支座型号及布置方案是可行的。需要说明的是，隔震层有关参数及布置是经多轮时程分析及调整后确定的。

为检验大震作用下上部结构的安全性，对隔震

与非隔震结构模型在换算烈度7度罕遇地震（αmax=220cm/s2）作用下进行了时程分析，各层层间位移、

表5

Table5

罕遇地震作用下层间位移及层间位移角

Storydriftsandinterstory-driftangleunderrareearthquake

X向

Y向

层间位移角隔震1/12071/10601/5931/5001/605

非隔震1/1701/2271/1461/1491/412

层间位移/mm隔震3.003.606.107.2098.803.93

非隔震23.3017.2024.9024.606.24

隔震1/11671/9721/5741/5141/636

层间位移角

非隔震1/1501/2031/1411/1501/401

楼层层间位移/mm隔震

非隔震20.6015.4024.0024.806.07

5432隔震层首层

2.903.305.907.40101.704.13

隔震层楼板厚度140mm，高跨比控制在1/25

55.1

结构及构造设计和工程经济性上部结构及隔震层梁板设计

0.10g）常规设上部结构按换算的烈度（7度，

计，框架抗震等级为四级，偏安全考虑取为三级。46

以内，即加密次梁间距来提高楼板的平面刚度；隔震层框架梁与二层框架柱的线刚度比值在2倍以上

［8］

，能满足框架梁作为二层框架柱的嵌固端。主

要框架梁截面宽度350mm，高度600～700mm，其

工业建筑

2012年第42卷第3期

上下截面配筋率构造上要求不小于1%。5.2

下部结构内力取值与设计

依据GB50011—2001及CECS126∶2001，下部结构的地震作用和抗震验算采用在换算烈度的罕遇地震作用下隔震支座底部的内力进行计算。因为上部结构在7度罕遇地震作用下基本处于弹性状态，所以设计计算进行一些简化，采用接力式计算上部结构的内力，将求得的罕遇地震下的水平地震影响再次计算可解得上部结构在系数0.08代入原结构，

隔震后罕遇地震下的轴力。同时对角柱、边柱内力取值考虑隔震支座受摇摆－扭转等地震效应的影响，乘以放大系数1.20

［8］

5.4构造设计

每根独立柱柱顶仅布置一个隔震支座且其在罕

遇地震作用下位移值不大，支墩经冲切、局部受压的但构造上加强配网状钢筋，使得节验算不需要配筋，

点具有抵抗超烈度地震的能力点如图5。

为了使隔震建筑在超烈度地震下具有足够的位水平隔震缝的宽度取为300mm，竖向隔震移余量，

缝的高度取为15mm，满足CECS126∶2001的要求

。

［11］

。隔震支座螺栓

数量和预埋钢板厚度等按计算并加强，支座支墩节

。

独立柱设计偏于安全考虑，计算简图简化为悬臂柱。满足计算要求的柱子截面为500mm×500mm～600mm×600mm，但构造上还需满足隔震支座的安装要求，故取柱子截面为660mm×660mm（400、500支座）和770mm×770mm（600支座）两种。独立柱抗震等级为二级［9］且设计适当加大全截面配筋配箍率。在结构抗震计算中，柱轴压比和层间位移角是两个主要的指标，经计算，柱轴压比最大值为0.57，具有较好的延性。下部结构构件布置见图4。

由上述设计及分析表明，工程所设计的独立柱具有足够的刚度、强度和稳定性，截面不大，既满足结构安全又基本不影响首层功能的利用

。

1，2—隔震支座上、下支墩；3—预埋板；4—连接板；5—网片钢筋；6—加密箍筋

图5Fig．5

隔震支座支墩节点Jointofseismicisolatorspier

首层电梯井道悬挂于隔震层梁，使得地震发生时，电梯井道产生同向位移，电梯井坑四周及底部留出300mm宽的隔离坑，剖面如图6

。

1—隔震层梁；2—钢板盖缝；3—电梯井道；4—隔离坑

图6

Fig．6

1—2层框架柱；2—隔震层梁板；3—隔震支座；4—首层独立柱；5—柱下独立基础；6—基础拉梁

图4

Fig．4

下部结构构件布置Layoutofsubstructurecomponents

电梯井剖面

Profilegraphofelevatorshaft

5.5工程经济性

与抗震结构相比较，本工程结构采用隔震设计，

其上部结构受到的地震作用效应均大幅降低，结构构造措施简化，造价降低；而下部结构、基础及相关隔震构造措施等略有增加。施工图预算造价增加23.8万元，为土建投资的6.9%。因此本工程造价虽有小幅提高，但结构的地震安全性却有较高的保障。6

结

语

5.3基础设计

工程场地表层土体即为基础持力层，采用柱下

混凝土独立基础且浅埋。为了提高独立柱与基础的沿结构纵横向设置构造的基础拉梁。地基整体性，

基础的抗震验算，依据GB50011—2001的要求，基础内力取为整体结构在换算烈度多遇地震作用下的内力组合进行计算。

——吴应雄，某综合楼层间隔震设计与分析—等

1）在设防烈度（7度，0.15g）地震作用下，首层

47