9度区某双塔高层结构隔震设计

 张建新1，  倪金涛1，  张文圣2，  刘  站1

（1昆明民用建筑设计研究院有限公司，昆明650221;2云南震安减震技术有限公司，昆明650211）

[摘要]  结合9度(0. 40g)区寻甸汇龙印象住宅小区的双塔高层结构，介绍其隔震设计的基本步骤及隔震支座受拉应力的控制方法。提出按同一时刻出现拉应力的隔震支座数量占隔震支座总数量比例不宜超过15%的原则来进行隔震支座布置；在对双塔结构模型进行整体隔震分析的同时，对单塔模型也进行隔震分析校验，并进行包络设计；对该双塔高层结构的超长楼板进行了地震作用和温度作用下的应力分析，在楼板应力变化较大及应力集中处按分析结果进行了板厚及配筋的加强。结果表明，该结构隔震设计满足要求。

[关键词]  隔震设计；受拉隔震支座；双塔高层结构；超长楼板

中图分类号：TU352. 12 文章编号：1002-848X( 2016) 11-0039-05

1  工程概况

 寻甸汇龙印象住宅小区位于云南省寻甸县县城，小区共14栋均采用隔震的高层建筑，结构形式为现浇混凝土剪力墙结构。其中，5 N14栋为11层的小高层建筑，1~2栋和3～4栋均为18层的双塔高层建筑结构，建筑效果图如图1所示。

 本文主要介绍1~2栋双塔结构的隔震设计（3～4栋的情况与1～2栋基本一致，本文从略），1～2栋为带2层底盘的双塔高层结构，平面长度为61. 50m，超过《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)（简称混规）45m的限值。该双塔结构为《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3-2010)（简称高规）所定义的竖向体型收进结构，属复杂高层建筑结构。该双塔结构由2层裙房连接，1层层高3.7m，2层层高3.6m，标准层层高2.9m，室内外高差0. 45m，建筑总高54.15m。1层结构平面布置如图2所示，结构局部剖面如图3所示。

 工程抗震设防烈度为9度，设计基本地震加速度为0. 40g，设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅲ类，特征周期0. 55s。地基基础设计等级为甲级，建筑结构安全等级为二级，结构设计使用年限为50年。

 隔震层设置于塔楼地下1层与首层之间（图3)，隔震层层高为2. 45m。隔震层以上剪力墙厚度为200，250，450mm；隔震层以上梁截面尺寸为200×400,200×600，200×700;隔震层梁主要截面尺寸为800 x1500，600 x1200，900 x1500；隔震层柱（隔震支座）主要截面尺寸为900×900，900×1800，1000 x2 000;隔震层以上构件的混凝土强度等级为C30~ C45，隔震层构件的混凝土强度等级为C45。

2  隔震分析及隔震层设计

 本工程初步确定的隔震目标为上部结构按8度(0.2g)设计。采用SATWE软件进行上部结构设计；采用ETABS软件进行模型验证。在对双塔结构模型进行隔震分析的同时，对单塔模型也进行隔震分析并校验，进行包络设计，本文给出的验算结果均为包络值。本工程嵌固端设在地下车库顶板。

2.1隔震支座的布置及分析

 工程共使用了110个有铅芯隔震支座，各类型支座数量及力学性能见表1，隔震支座平面布置见图4，隔震结构屈重比为0. 029。

 (1)拉应力验算

 按原来隔震支座的布置验算，在罕遇地震作用下，隔震支座拉应力最大值虽均未超过《建筑抗震设计规范》( GB  50011-2010)（简称抗规）规定的1. 0MPa，但出现拉应力情况的支座较多，达到74. 28%。经与多方专家沟通，提出按同一时刻出现拉应力的隔震支座数量占隔震支座总数量的比例不宜超过15%、不应超过20%的原则来布置隔震支座。经验算，调整优化隔震支座布置（图4）后，同一时刻出现拉应力的隔震支座数量占隔震支座总数量的比例为16. 4%；本工程的隔震支座拉应力最大值为0. 65MPa，出现在编号为187的隔震支座，满足抗规拉应力不应大于1. 0MPa的要求。隔震支座有充分的安全储备。

 (2)压应力验算

 经验算，隔震支座压应力最大值为11.26MPa，出现在编号为382的隔震支座，满足抗规要求。

2.2地震动选择

 根据抗规要求，时程分析法时选取了5条实际强震记录（549波、N11波、N12波、N29波、N94波）和2条人工波（REN1波、REN1波），图5为所选取的7条地震波时程反应谱与规范反应谱曲线。

2.3隔震层的抗风承载力验算及隔震效果分析

2.3.1隔震层抗风承载力的验算

 根据抗规第12.1.3条，采用隔震的结构风荷载产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%，本结构总重力为309 994kN，采用隔震支座后，结构风荷载产生的总水平力为2 051kN，小于309  994×10%=3 099. 4kN，满足要求。

 隔震层必须具备足够的屈服前刚度和屈服承载力，以满足风荷载和微振动的要求。根据《叠层橡胶支座隔震技术规程》( CECS126: 2001)第4.3.4条规定，抗风装置应按下式进行验算：

2.3.2隔震效果

 通过设置隔震支座延长整个结构的自振周期，减小输入上部结构的水平地震作用，达到预期防震的要求。如表2所示，本工程隔震前结构的自振周期为1. 178~1.240s，隔震后延长到2.430~2.698s，自振周期放大系数最小为2. 063，最大为2.236。计算结果表明，本工程在罕遇地震作用下，隔震层最大水平位移285mm，发生在编号508，510，517隔震支座，

小于0. 55D= 330mm（D为最小隔震支座直径，本工程采用隔震支座最小直径为600mm）及3Tr=330mm（T r为最小隔震支座的橡胶层总厚度）中的较小值，满足抗规要求。隔震层以上结构的水平作用降至相当于抗震设防烈度8度(0.20g)的水平。另外，从表2和表3可以看出，隔震效果明显。

2.5隔震层以下结构分析

 根据抗规12.2.9条要求，隔震层以下的结构（包括地下室和隔震塔楼下的底盘）中直接支承隔震层以上结构的相关构件，隔震后在设防地震作用下应满足抗震承载力的要求，在罕遇地震作用下应进行抗剪承载力的验算。

 支墩的受力简图见图8，其中，P为在设防（罕遇）地震时设计组合工况下上部结构产生的轴力；V x，Vy为设防（罕遇）地震时设计组合工况下上部结构产生的X向和y向水平剪力；U x，U y为设防（罕遇）地震作用下隔震支座产生的水平位移；h b为隔震支座高度；H为隔震支墩的高度。

 隔震支座下支墩底部产生的

 按上述要求对隔震支座的下支墩进行设计，最终设计的支墩节点详图见图9，其中L a E为钢筋锚固长度。

2.6相关设计措施

 (1)严格控制墙柱轴压比，提高柱的延性，本工程隔震层以上墙肢最大轴压比为0. 39，隔震层转换柱的最大轴压比为0. 60。

 (2)隔震转换层的主梁抗震等级提高一级，由二级提高为一级。

 (3)加强节点连接，楼梯间框架柱和楼梯柱的箍筋全柱段加密设置。对突出屋面的结构及较高的女儿墙采取加强构造措施。

 (4)采取不阻碍隔震层在罕遇地震下发生大变形的构造措施。上部结构的周边设置竖向隔离缝，缝宽不宜小于隔震橡胶支座在罕遇地震下的最大水平位移的1.2倍且不宜小于200mm。上部结构和下部结构之间，应设置完全贯通的水平隔离缝，缝高可取20mm，并用柔性材料填充；当设置水平隔离缝确有困难时，应设置可靠的水平滑移垫层。

3  双塔上部结构设计

 结构计算时采用SATWE和SAP2000两个软件．并采用较不利结果进行结构设计。

3.1温度效应下裙房楼板应力分析

 工程位于昆明市寻甸县城，根据《建筑结构荷载规范》( GB  50009-2012)，基本气温最低取-1℃，最高取28℃，后浇带闭合时间在10月份，考虑该地区10月份温差较大，后浇带闭合时的温度取5～20℃。综上所示，取升温29℃、降温- 21℃情况进行分析，采用SAP2000软件计算。计算所得楼板的应力分布见图10、图11。由图10可知，在降温21℃情况下，裙房屋面板的拉应力绝大部分小于混凝土抗拉强度标准值f t k=2.51MPa，但在裙房屋面板的中部、四角及洞口附近拉应力较大，接近f t k，少数地方超过了f t k。由图11可知，在升温29℃情况下，裙房屋面板基本处于受压状况，最大压应力远小于混凝土抗压强度标准值f c k= 29. 6MPa。

3.2地震作用下裙房楼板应力分析

 由图12，13可知，在多遇地震作用下，裙房屋面板的拉应力大部分小于混凝土抗拉强度标准值f t k=2. 51MPa，在两塔楼之间的裙房屋面板连接部分、与主楼直接连接的楼板处，拉应力超过了ft k；在设防地震作用下，连接两塔楼之间的裙房屋面板连接部分的拉应力大部分超过混凝土抗拉强度标准值ft k=2. 51MPa。

 综上，设计时将裙房屋面板的四角、洞口周边的楼板板厚加厚至160mm，楼板采用亚12@150双层双向配筋；将两塔楼之间的裙房屋面板连接部分

3.3构造及加强措施

 (1)两个塔楼结构布置要一致且对称布置，不存在塔楼偏置情况。

 (2)塔楼中与裙房相连的外围柱、剪力墙从固定端至裙房屋面上一层的高度范围内，按高规第

7.2. 15条的规定设置约束边缘构件。

 (3)为保证结构大底盘与塔楼的整体作用，除了满足计算要求外，裙房屋面板厚度不小于150mm，且双层双向配筋，每层每方向的配筋率不小于0. 25%；将两塔楼之间的裙房屋面板连接部分（11轴与14轴之间楼板）板厚加厚至180mm，根据设防地震作用下楼板的应力进行配筋，并在应力集中的位置采用亚14@150进行配筋加强；裙房屋面上、下层结构的楼板厚度不小于120mm，根据设防地震作用下楼板的应力情况配筋；在应力集中、突变的位置将板厚加厚至160mm，采用亚12@150加强楼板的配筋。

 (4)为减少温度效应对楼板的影响，采用以下技术措施：1）设置温度后浇带：通过在超长结构适当位置处（主楼旁一跨，与沉降后浇带位置同，共两条）设置后浇带来减小混凝土结构的早期自身收缩，主体结构断水1个月后用强度高一级的膨胀混凝土浇筑封闭。2）加强楼板配筋：通过计算确定楼板在温度变化下所产生的拉应力，根据应力情况进行梁、板配筋。3）加强养护保温，做好混凝土浇捣后的保湿养护工作，合理控制混凝土水灰比等材料配置参数，减小混凝土自身的材料收缩，并在混凝土中添加膨胀剂。4）加强梁、板构造配筋，加强梁腰筋配置并满足纵筋的抗扭锚固要求；楼板板底钢筋在支座处尽量拉通，需要截断时，应满足受拉锚固要求。

4  结论及建议

 (1)双塔高层建筑隔震设计时，在对双塔结构模型进行隔震分析的同时应对单塔模型进行校核，采取包络设计，按最不利的情况进行隔震支座布置、隔震层设计、地下室及地基基础等相关的隔震设计。

 (2)隔震支座拉应力的验算应满足抗规不大于1. 0M Pa的要求，且同一时刻产生拉应力的隔震支座数量占隔震支座总数量的比例不宜超过15%，不应超过20%。

 (3)为保证双塔结构在地震作用下的变形协调，裙房屋面板应有一定的刚度及变形协调能力，双塔之间裙房屋面板的连接部分应按设防地震作用下板的应力进行配筋。

 (4)双塔结构往往房屋总长超过混规限值，除采取温度后浇带、外加膨胀剂等措施外，还建议采用SAP2000软件对升温及降温情况下的结构进行定量分析，在应力集中或变化较大的位置进行配筋加强。