高烈度区高层RC剪力墙结构隔震设计分析

李伟伟

汉嘉设计集团股份有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230000

引言

为了降低外界对高层剪力墙结构的影响，需要合理地对隔震结构进行设计，使高层剪力墙具有良好的自震特性和减震系数，使隔震层的结构稳定性能够得到有效提升。因此，需要严格按照技术要求进行剪力墙的设计，使剪力墙具有良好的抗震性能。

1 工程概况

1.1 结构概况

某工程为高层住宅建筑，采用剪力墙结构进行设计，高度为82.4m，占地面积为31.2m×23.4m。工程所在地为高烈度区，需要保障建筑具有良好的抗震等级，能够有效地应对风力对建筑稳定性的影响。该类建筑一般采用隔震结构实现减震效果，使建筑结构的震动能够得到减轻，进而提高高层建筑的安全性。

1.2 隔震设计思路

本工程防震烈度为8度，通过对剪力墙的优化来实现隔震效果。隔震层位于地下室顶板，高度为2～4m，可以有效地提高建筑的防震能力，使建筑结构更加地稳定。模型构架采用Etabs软件进行设计，隔震能力由Isolator软件进行模拟，可以有效地对建筑的强度进行判断，保障建筑的防震能力符合要求。隔震支座抗拉能力是本工程设计的重点所在，同时也是隔震结构的关键，因此，需要合理地对隔震支座进行设计，使支座的选型与布置更加合理，进而提高建筑的防震性能。

2 结构模型

2.1 模型建立

建筑结构采用有限元模型进行设计，需要通过Etabs软件构建建筑的结构模型，使模型规格与实际工程相符，对模型的参数进行验证和分析，保障模型参数具有良好的精准程度。构建模型的核心在于隔震结构的设计，需要合理地对支座进行选型和布置，可以在很大程度上提高建筑剪力墙结构的稳定性，使建筑可以更好地应对风力的影响，对剪力墙位移进行有效的控制。隔震结构一般采用有限元模型进行构建，逐步完成对模型结构的构建，进而使隔震模型结构更加的准确，能够有效地反映剪力墙隔震结构特征[1]。

2.2 模型验证

模型建立完毕后，需要对模型结构的准确性进行验证，保障模型具有结构、受力等能够与实际建筑相同，这样可以使建筑隔震结构的分析更加地准确，从而保障模型建立的有效性。为了保障模型的可靠性，需要采用多种软件进行剪力墙模型的构建，如SAP2000、JYK、Etabs等，可以通过对比分析的方式得到更为准确的模型，从而保障建筑具有良好的防震结构。对比的参数主要有结构质量、自振周期、层间剪力等，需要合理地参数进行选取，这样才能保障剪力墙具有良好的稳定性，能够有效地对建筑实际抗震效果进行分析。

为提高模型分析的准确化程度，采用了有限元模型分析形式，借助SAP2000、JYK、Etabs软件对建筑结构进行受力核算，对模型隔震稳定性进行判断。通过三种不同的软件对模型隔震效果进行验证，可以提高分析结果的准确性，进而增加分析结果的可信度。经过三种不同软件的分析，可以得到如下结果：SAP2000软件：恒载9514.62t、活载1412.44t、重力荷载10156.63t；YJK软件：恒载9517.96tt、活载1414.32t、重力荷载10158.89t；Etabs软件：恒载9512.45tt、活载1410.28t、重力荷载10155.12t。通过上述数据可知，三种软件分析得到的结构质量结果基本相同，以SAP2000、YJK软件分析结果为例，两者的恒载差值比率为0.035%，活载差值比率为0.013%，重力荷载差值比率为0.022%。由此可见，建筑有限元模型具有较高的准确性，可以将该模型作为隔震结构的设计依据。

3 隔震支座选型与布置

为了保障建筑抗震结构更加地稳定，需要合理地对隔震支座进行选型与布置。通常情况下，隔震层层高一般为2m，并且采取一柱一支座的布置形式，使隔震结构的稳定性更加地易于控制。本工程使用63个隔震支座，通过Etabs软件对隔震支座进行模拟，这样可以使分析结果更加地精准，使支座的布置更加地合理。分析过程采用隔离单元分析方式，可以有效地对支座的力学性能进行分析，使支座结构的防震稳定性能够得到有效控制。

隔震支座的结构较为复杂，并且支座的数量较多，为了提高支座整体的隔震性能，需要Gap单元对支座进行模拟，提高选型与布置的合理性。本工程支座采用线性隔震结构，可以使隔震层更加地稳定，使隔震层能够得到较好的布置。而在选型方面，采用橡胶支座作为隔震材料，使隔震效果得到了较大的提升，在很大程度上减少了震动的传递。以某一支座为例，该支座高度192mm，直径586mm，橡胶厚度125m，对其进行力学性能分析后，可以得到如下数据：刚度946kN/mm，屈服力100.8kN，极限位移364mm。通过上述数据可知，该支座具有良好的隔震效果，进而使建筑结构更好地稳定。

4 隔震结构地震响应分析

4.1 自振特性

隔震结构具有一定的自振特性，需要对该特性进行处理，使隔震结构具有良好的自振稳定性。通过改变自振特性，可以有效地对隔震结构的振型进行调整，使自振特性更加地稳定。在未采用减振措施时，振型主要以晃动为主，该振动的规律性较差，会对隔震结构的稳定性造成较大的影响。使用减振结构后，振型将会转为平动，使自振特性更加地具有规则性，可以使隔震结构更加地稳定且易于控制。振型改变前后自振周期相差5.5%左右，可以有效地自振特性进行改变，使自振特定能够沿着X轴或Y轴呈现轴向平动。

4.2 减震系数

通过减震系数可以对隔震结构的防震效果进行评估，对减震效果进行定量分析，这样可以使隔震结构更好地发挥作用，为隔震结构的改进提供参考依据。减震系数分为X向和Y向两种，为了使减震系数得到标准，需要合理地进行隔震滤波，这样可以使隔震剪力得到有效的降低。通过分析可知，采用减震滤波后，X向剪力减少54%，Y向剪力减少52%，可以有效地对剪力进行改善。通过Etabs软件分析可得，水平减震系数为0.3851。再对水平地震影响系数进行计算，计算方法如下：αmax=βmax/ψ=0.32×0.3851/0.8=0.1540。因此，水平地震影响系数的最大取值为0.16，这样可以使隔震层具有良好的隔震作用。

为了保障减震系数的稳定性，需要对隔震结构进行周期性分析，使隔震结构具有良好的抗剪力效果。采用SAP2000、JYK、Etabs软件分别对隔震结构进行分析，可以得到如下结果：SAP2000软件：周期2.324s，放大系数2.56；JYK软件：周期2.296s，放大系数2.44；Etabs软件：周期2.267s，放大系数2.38。三种软件得到的分析相差不大，因而分析结果具有较高的准确性。以SAP2000、JYK软件得到的数据为例，两者的周期差值比率为1.212%，放大系数差值比率为4.192%。由此可见，该隔震结构周期性分析具有较高的准确性。

4.3 隔震层验算

4.3.1 抗风验算。风力会对高层建筑剪力墙结构的稳定性造成较大的影响，为此，需要通过抗风验算对隔震结构的效果进行分析，保障隔震结构的稳定性能够满足要求。经过验算可以得到如下数据：X向：风荷载标准值：1667.21kN；风荷载设计值：2329.81kN；结构总重力：100759.22kN；隔震层屈服力：10175.92kN。Y向：风荷载标准值：1421.78kN；风荷载设计值：1998.63kN；结构总重力：100761.32kN；隔震层屈服力：10179.77kN。由上述数据分析可知，隔震层抗风满足要求。

4.3.2 位移验算。振动幅度将会影响到隔离支座的稳定性，为此，需要对支座的位移进行验算，保障支座能够在防震结构中能够更好地发挥作用。支座位移计算公式如下：S=1.0SD+0.5SL+1.0SEhk。通过验算可得，支座位移平均值为126.48mm，小于支座位移标准值，隔震层位移满足要求。

4.3.3 压应力验算。通过压应力分析可以对支座压应力分布情况进行判断。平均压应力计算公式如下：S=1.0SD+0.5SL，最大压应力计算公式如下：S=1.0SD+0.5SL+1.0SEhk+0.5SEvk。通过验算可得，支座平均压应力为7.12MPa，最大压应力为12.23MPa，两者都小于支座压应力标准值，压应力满足要求。

4.3.4 拉应力验算。通过压应力分析可以对支座拉应力分布情况进行判断。支座拉应力计算公式如下：S=1.0SD+0.5SL+1.0SEhk-0.5SEvk。通过验算可得，支座拉应力为0.8MPa，小于支座拉应力标准值，拉应力满足要求。

4.4 地震记录验证

为了对隔震层的实际效果进行验证，需要人工对波形进行模拟，对地震的影响进行分析，保障建筑具有良好的受力特性。地震记录需要对周期点进行分析，确定建筑振型的状态，绘制出地震影响曲线，进而对隔震层的剪力特性进行分析。采用SAP2000、JYK、Etabs软件分别对隔震层剪力进行分析，可以得到如下结果：SAP2000软件：X向1345kN，Y向1475kN；JYK软件：X向1384kN，Y向1552kN；Etabs软件：X向1364kN，Y向1522kN。三者模拟的结果相差比率不大，以SAP2000、JYK软件分析结果为例，X向差值比率：2.90%；Y向差值比率：5.22%。由此可见，地震记录剪力验证较高的准确性。

5 上部结构变形分析

一旦建筑发生较大的震动，将会对上部结构造成影响，使上部结构呈现不稳定的状态。为了建筑具有良好的隔震效果，需要对上部结构进行分析，确定上部结构的变形程度，进而保障建筑整体结构的稳定性。通常情况下，上部结构位移角限制为1/1000，需要通过位移角曲线进行分析，进而对位移角进行计算。对本工程上部结构进行变形分析可知，位移角限制为1/2865，由于1/2865＜1/1000，因而本工程上部结构位移符合要求，可以有效地对变形量进行限制。从上部结构X向、Y向进行分析可知，该隔震结构可以减少上部形变量比率如下：X向32.6%；Y向36.8%。因此，该隔震结构可以起到良好的隔震效果，可以有效地防止上部结构发生变形。

6 结束语

综上所述，高层剪力墙需要具有良好的抗震效果，使建筑的结构更加地稳定，保障建筑使用过程更加安全。因此，合理地对隔震结构进行设计非常重要，需要合理地进行结构模型的构建，使隔离支座选型与布置更加地稳定，保障隔震层能够起到良好的隔震作用，使建筑可以正常投入使用。