某高烈度区高层框架-剪力墙结构基础隔震设计与分析 项目抗震设防烈度高、结构高度高、平面超长、平面布置不规则、存在少量穿层柱，采用基础隔震技术设计过程中，存在整体或者分缝的设计方案选择，减震效果如何满足降低一度的目标要求，隔震层扭转效应和最大位移有效控制，上部结构优化设计等一系列技术难点。设计团队针对超长隔震结构温度应力分析、隔震效果敏感性分析、不规则结构隔震层扭转偏心率调整、隔震层位移控制、高层隔震结构地震作用分布模式等方面做了有益探索，可供高烈度区不规则隔震结构设计参考。
某高烈度区高层框架-剪力墙结构基础隔震设计与分析
项目抗震设防烈度高、结构高度高、平面超长、平面布置不规则、存在少量穿层柱，采用基础隔震技术设计过程中，存在整体或者分缝的设计方案选择，减震效果如何满足降低一度的目标要求，隔震层扭转效应和最大位移有效控制，上部结构优化设计等一系列技术难点。设计团队针对超长隔震结构温度应力分析、隔震效果敏感性分析、不规则结构隔震层扭转偏心率调整、隔震层位移控制、高层隔震结构地震作用分布模式等方面做了有益探索，可供高烈度区不规则隔震结构设计参考。
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工程简介
本工程位于甘肃省天水市麦积区甘肃林业职业技术学院内。地上建筑为一栋十一层的综合实训大楼和一栋2层报告厅，报告厅与综合实训大楼在地下室顶板（标高-2.100）以上采用抗震缝分开，地下室顶板及以下连为一体。地上建筑面积41458m 2 ，地下建筑面积8378m 2 。综合实训大楼建筑高度47.25m，地下1层，层高3.85m；地上11层(不含隔震层)，其中1层层高4.8m，2～11层层高4.2m。建筑效果图、立面图、平面图和剖面图见图1。
▲ 图1 建筑效果图、平面图及剖面图
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结构选型及设防目标
1. 结构方案
该建筑属于标准设防类，抗震设防烈度8度(0.30g)，场地类别Ⅱ类，设计地震分组第二组( T g =0.40s)。“综合实训楼主体为钢筋混凝土框架-剪力墙结构，依据甘肃省住房和城乡建设厅文件（甘建筑[2014]260号）要求，采用基础隔震技术。”
考虑到结构平面布置不规则，地上部分采用抗震缝将结构分隔为三个独立的隔震单体：主楼、东副楼、西副楼。结构计算模型如图2所示。在地下室顶板与地上一层之间（标高–2.100～–0.050）设置隔震层，上部结构剪力墙在隔震层设托梁转换，隔震支座采用柱下布置、一柱一支座的布置原则。
(a) 主楼计算模型
(b) 西副楼计算模型 (c) 东副楼计算模型
▲ 图2 结构计算模型
2. 抗震设防目标
（1）上部结构按减震一度（8度0.3g减为7度0.15g）采取计算和构造措施（与抵抗竖向地震作用相关的抗震措施不降低，如轴压比等）。
（2）罕遇地震作用下上部结构层间位移角小于1/200，结构构件满足FEMA356第6章人身安全性能水平的设防目标要求。
3. 分析、设计软件
本工程结构设计采用YJK软件，隔震分析采用ETABS软件，使用ETABS中的连接单元“Rubber isolator+gap”模拟橡胶隔震支座。大震弹塑性分析采用PERFORM-3D软件。设计过程中采用多个软件进行比对，保证分析结果的可靠性。
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工程项目设计特点及难点
1.上部结构特点
（1）平面凸凹不规则处理
实训楼平面呈“凹”形，为平面不规则结构，底部楼层存在局部穿层柱，考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2，属于超限建筑。若上部结构连为整体，隔震层的扭转偏心率非常难以控制，同时，罕遇地震作用下隔震层楼板最大拉应力接近6MPa，远超混凝土抗拉强度标准值。
综上，综合实训楼在凹口内边侧设置抗震缝，分隔为三个独立的规则平面抗震结构单元。
（2）平面超长及处理措施
实训楼主楼长103m，大于框架-剪力墙结构伸缩缝最大间距50m的要求，除计算温度作用外，采用以下处理措施：
1）每隔30～40m设置超长后浇带；
2）楼板钢筋双层双向拉通配置，沿长向配筋率不小于0.25%；
3）加强各层长向框架梁的腰筋，单侧腰筋配筋率>0.15%，并按受拉锚固。
由于底部设置了隔震层，有效释放了上部结构的水平向约束作用，温度作用下主楼隔震层楼板最大拉应力约0.2MPa，远小于混凝土抗拉强度标准值。
（3）穿层柱
综合实训楼三~八层（标高4.75~29.95）轴A/Y交轴1-8、1-9处2个穿越6层的穿层柱（总高25.20m），结构设计时控制穿层柱高宽比不大于35，并对地震作用下穿层柱承载力进行调整，不小于本层同截面框架柱。
（4）上部结构刚度控制
为满足隔震层上部结构地震作用、抗震措施降低一度的要求，需要控制隔震结构水平向减震系数不大于0.4。经过项目组已有50个隔震结构统计，水平向减震系数与上部结构非隔震模型的自振周期反相关（图3）。
▲ 图3 减震系数与上部结构非隔震模型自振周期关系
由图3可知，上部结构非隔震模型的基本自振周期控制在1.2s以内，能更好地保证隔震效果。通过调节上部结构刚度，各主楼基本自振周期与对应减震系数如表1。
表1 结构自振周期及减震系数
（5）隔震层转换梁设计
在隔震层将上部结构剪力墙设托梁转换，转换梁中心线与上部剪力墙截面中心线重合以减少剪力墙偏心的影响，计算分析时将转换梁及上一层剪力墙定义为实体单元进行精细化分析，减小转换梁配筋。
2.隔震设计特点
本工程建筑高度高、抗震设防烈度高，为控制隔震层大震位移，支座布置尽量采用LRB型支座。隔震层共布置隔震支座98个，其中LRB700支座12个、LNR700支座2个、LRB800支座18个、LRB900支座30个、LNR900支座2个、LRB1000支座10个、LRB1100支座18个、LRB1200支座6个。
▲ 图4 隔震支座初始布置方案
（2）隔震效果敏感性分析及支座优化调整
为达到主楼上部结构降低一度的设防目标，对增大结构阻尼比，延长自振周期与主楼水平向减震系数关系进行了敏感性分析。以《建筑隔震设计标准》（GB/T 51408-2021）反应谱为计算依据，计算出主楼上部结构水平向减震系数与周期、阻尼比的关系见图5。
▲ 图5 主楼结构水平向减震系数与周期、阻尼比关系
由图5可知，阻尼比大于0.15时，进一步提升阻尼比对降低结构水平向减震系数的影响有限，而基本自振周期处于3s左右时，延长周期仍能有效的降低结构水平向减震系数，因此，可采取替换LRB支座为LNR支座的方式进一步提升减震效果（见图7主楼部分隔震支座调整）。
（3）隔震层位移控制及隔震支座优化调整
罕遇地震作用下，主楼、东楼、西楼隔震层最大位移分别为417mm、358mm、401mm。西附楼已超出隔震支座极限位移允许值（700×55%=385mm）。
分析原因，罕遇地震作用下西副楼Y向扭转偏心率达到1.02%，远大于0.14%的初算结果（隔震支座100%剪应变对应结果），造成边部支座位移超限。主要由于铅芯叠层橡胶支座与普通叠层橡胶支座的刚度退化机制不同（图6），导致大位移时隔震层刚心偏移，因此，将西副楼Y向边跨隔震支座均调整为LRB型，保证隔震层刚度退化机制的一致性（见图7）。
考虑到本项目结构高度高，设防烈度高，将东、西楼角部的三个LRB700型支座换为LRB800型支座（图6），但通过调整隔震支座第二形状系数的方式，保证二者水平剪切刚度一致（式1），进而保证隔震层刚度分布均匀性，同时解决位移超限问题。
（a）LRB型支座 （b）LNR型支座
▲ 图6 LRB型支座与LNR型支座刚度退化机理
▲ 图7 隔震支座调整及优化
（4）上部结构侧移模式研究及荷载分布优化
隔震结构设计时，上部结构非隔震计算模型的底层柱下端一般按铰接考虑，与实际隔震模型的侧移模式差异较大，导致两种计算模型侧向荷载分布模式、层剪力等差异较大。以主楼为例，当隔震模型与底部铰接模型二者底部剪力相等时，算得两种模型的层剪力分布见图8。
▲ 图8 底部隔震模型与铰接模型楼层剪力分布
由图8可知，采用底部铰接模型进行隔震结构振型分解反应谱法分析和设计时，在相同基底剪力情况下，其上部楼层剪力均大于底部隔震模型（真实模型），即上部楼层设计均偏于保守，不经济。
本工程结构设计时，基底剪力选用传统传统降度设计方法结果，侧向荷载分布模式选用实际隔震模型结果，既保证了结构安全，又做到了合理经济。
（5）隔震层下部结构性能化设计
对隔震层下部结构设定以下性能目标，按《抗规》附录M对其进行性能化设计。其中隔震支座传递给支墩的荷载由罕遇地震弹塑性时程分析计算求得。
表2 罕遇地震隔震层下部结构抗震性能目标
（6）隔震层的承载力、抗风及自复位性能均满足相关规范要求。
（7）大震弹塑性时程分析及性能评估
为准确分析隔震结构在大震时各构件的损伤耗能情况，采用PERFORM 3D软件对主楼结构进行大震性能评估，结构构件塑性转角指标参考FEMA356见表3。简单起见，以地震剪力最大的天然波（NRG-00波）双向输入结果为依据。
表3 结构构件塑性转角指标
大震弹塑性时程分析得到隔震层以上结构各层层间位移角分布，构件变形指标如图9所示。由图9可知，结构大震时层间位移角最大值为1/327，主要抗侧力构件塑性转角小于LS性能水准要求，明显优于传统抗震结构。
（a）大震层间位移角分布
（b）大震结构构件塑性转角利用率（X向：Y向=1:0.85）
▲ 图9 大震层间位移角及构件LS性能指标
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隔震构造措施
1. 隔震层构造
（1）隔震层采用现浇混凝土梁板结构，现浇板厚度160mm；
（2）与隔震支座相连的支墩计算抗冲切和局部承压，加密箍筋并根据需要配置网状钢筋。
2. 隔震支座的上下连接
隔震支座的上下连接板与上下结构分别采用螺栓连接，该螺栓采用可拆换性的外插入螺栓连接方案。
所有连接螺栓，均按8度（0.30g）罕遇地震作用下产生的水平剪力、弯矩和可能出现的拉力进行强度验算。
3. 上部结构与周边的隔离措施
隔震层以上的上部结构与周边任何固定物均应有隔离空隙，竖向隔离空隙为20mm，水平隔离空隙为500mm，两栋隔震建筑之间空隙净距为800mm。
4. 楼梯的隔离措施
穿越隔震层的楼梯在隔震层设水平缝，缝高（竖向隔离空隙）20mm。
5. 上部结构与室外连接的建筑节点处理
出入口、踏步、台阶、室外散水等建筑节点应进行柔性处理，原则是不阻挡上部结构在地震时的水平摆动，竖向隔离空隙为20mm，水平隔离空隙应不小于500mm。
6. 管线处理
穿越隔震层的管线及其处理方案：
（1）电线：在隔震层处留足多余的长度；
（2）上水管、消防管、下水管：穿越隔震层处设置柔性段，采用立管的方式。
▲ 图10 金属（橡胶）软管安装方式示意图
▲ 图11 穿越隔震层管线示意图
7. 隔震层构造做法
本工程隔震层构造做法参考《建筑结构隔震构造详图》03SG610-1，保证建筑、结构及机电专业相关构造做法不影响上部结构的有效滑动，并保证建筑震后使用功能快速恢复。
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结构设计总结
1. 对上部结构水平向减震系数进行了刚度、阻尼比、隔震前后周期比等多参数敏感性分析，使得上部结构和隔震层布置最经济的前提下，达到了最佳的减震效果。
2. 上部结构设计采用基于实际隔震模型的反应谱法，同时兼顾现行《抗规》GB50011的分部降度设计法，优化了楼层剪力分布，大幅减小了上部结构配筋。
3. 综合实训楼地上建筑总长为103.4m，采用隔震技术后，温度变形集中于隔震层，楼板最大拉应力仅0.23MPa，有效减少了上部结构温度应力配筋量。
4. 对隔震层扭转效应进行大震弹塑性敏感分析，通过支座对称布置、等刚度代换置换等方式，在未设置粘滞阻尼器的前提下，以最小代价解决了隔震层大震位移超限问题。
5. 采用隔震设计大幅提升了结构抗震性能水平。罕遇地震下的弹塑性时程分析表明，结构抗震性能得到了明显的提高，基本达到了中震弹性，大震可修的抗震性能。
项目施工过程现场照片如下图所示。
▲ 图12 隔震支座安装
▲ 图13 隔震层照片
该项目现已竣工，竣工照片如下图所示。
▲ 图14 项目竣工照片
项目信息：
项目名称： 甘肃林业职业技术学院 综合实训大楼
设计时间： 2016.10-2017.10
施工时间： 2018.01-2019.12
用地面积： 8000m 2
建筑面积： 49836m 2
建设地点： 甘肃省天水市
设计单位： 中国建筑西北设计研究院有限公司
结构设计团队： 辛力，王红群，邹胜利，邬培文，荆罡，田敏等
