高层建筑基础隔震支座受拉问题的分析与控制

袁剑亮（广州市花都建筑设计院有限公司，广东 广州 510800）

经过几十年发展，以叠层橡胶隔震技术为首的隔震技术已经应用于许多落地工程，部分工程经受过真实强震考验，用事实证明隔震技术的优越性和经济性。然而从早些年建筑发展来看，我国的高层建筑尤其是复杂高层建筑应用该技术很少。除了经济发展水平原因外，主要原因是房屋高度过高、地震力较大时，结构在强震下产生非常大的倾覆力，使柱底支座产生很大的轴向拉应力而使橡胶支座发生变形、破坏。当支座高度较高、剪切变形过大时，结构甚至有倒塌风险。因此，如何控制橡胶支座的受拉应力对隔震技术在高层建筑中的应用和推广变得尤为关键。对此，国内外专家学者做了大量深入研究，并取得了丰富的研究成果。

王曙光等[1]对十层框架按不同柱网下角部支座进行对比，通过时程分析得出，柱网间距越小，支座就越容易受拉。还对剪力墙不同方案进行对比，认为规范要求剪力墙结构支座间距不宜过大的规定是不利于支座受拉控制的；熊伟[2]对一框筒隔震结构进行分析发现，层高越高，支座轴力呈线性增长，降低上部结构层高对控制支座受拉是有利的；程华群等[3]认为可采用高抗拉性能支座或普通橡胶支座与滑板支座混合应用来解决支座受拉大的问题；苏键等[4]提出可利用支座承压能力来抵抗拉应力的设计方法。

从以上可以看出，不少学者对控制隔震支座受拉问题研究，多从支座材料、上部结构等方面入手。尽管不少新型隔震支座已申请专利，但很多没有实用性，且造价高，无法大规模推广。

传统设计思路和流程中，高层隔震建筑往往根据结构竖向压力和厂家试验数据确定支座的初步布置方案，并根据受力结果调整支座的大小。当结构体型复杂时，边角处竖向力较小部位的支座拉应力反而非常大，为控制拉应力而盲目增大支座的直径是非常不经济合理的，必须探索更好的思路来解决这一问题。

对此，基于某国内第一高隔震楼隔震设计为依据，提出了适当降低隔震支座竖向刚度的方法可有效降低支座在地震作用下的受拉作用，方法简单，方便有效。为验证其有效性，对某一栋25 层建筑简化算例模型进行对比分析，通过研究支座刚度不同对其在地震下拉应力的变化关系，提出了保持支座直径不变的前提下，可改变部分支座的刚度来控制其拉应力过大问题，得出相应结论。

1 结构模型

如图1 所示，25 层的剪力墙结构，平面尺寸24m×15m，标准层高为3m，总高度74.5m，在基础顶设置2.5m高的隔震层进行框架托墙转换，转换梁尺寸为1m×1.6m；14 层以下剪力墙0.3m 厚，14 层以上为0.25m厚，混凝土强度等级为C30～C40。

图1 标准层结构平面图

采用ETABS和盈建科YJK对结构进行非隔震工况下受力分析并相互校验对比。根据非隔震模型柱底内力及规范对支座短期面压不应超过15MPa 的要求，隔震支座直径取1m。ETABS 和YJK 算得总重量分别为15743t和15892t，软件误差在允许范围内。按结构总重量的2%确定需要12 个屈服力为248kN 的铅芯橡胶支座。为增加结构抗扭刚度，在隔震层靠中布置了8个普通橡胶支座，沿隔震层周围及角部布置了12 个铅芯橡胶支座，各支座型号和编号布置如图2所示。

图2 隔震层平面及支座布置图

2 橡胶支座参数的调整

以国内某厂家生产的标准支座技术参数为标准，保证普通橡胶隔震支座参数不变，通过调整铅芯橡胶支座的橡胶厚度和层数，得到不同支座竖向刚度Kv值的方案。

2.1 竖向刚度

叠层橡胶支座参数受多种因素影响，两个重要指标中第一形状系数S1表示抗压能力，第二形状系数S2表示变形能力。其中S1=为计算方便，采用单一变量控制法保持支座大小不变，由Kv=EcvπdS2/4 知，Kv与S2和橡胶修正压缩弹性模量Ecv有关。而体积压缩模量Ev为定值，Ecv=EcEv/(Ec+Ev)，橡胶垫弹性压缩模量Ec=E(1+2k)与S1有关。即支座直径不变时，可通过改变橡胶总厚度ntr1来控制S2的变化。为保证橡胶修正压缩弹性模量Ecv不变，通过改变橡胶层数来保证S1为定值，进而控制Ecv为定值。

当支座直径固定时，由于竖向刚度受S2的影响，通过控制橡胶总厚度ntr1来改变S2进行参数设计，并以S2来体现同一直径支座不同的竖向刚度值。

表1中Kv=5529kN/mm为某隔震支座厂家所提供的标准型号参数，为计算简便，将S2值由2.0 增大到6.5，以0.5 的间隔不断调整，分别得到不同S2值下对应的KV。即S2由2.0 增加到6.5 时，Kv相应由2023kN/mm 增大到6602kN/mm，橡胶层总厚度则由498mm 减少到180mm。

表1 隔震支座参数（LNR为普通支座，LRB为铅芯支座）

2.2 相关参数变化计算

橡胶支座的水平刚度也会随着其厚度的变化而变化。铅芯支座水平刚度计算如下：

（1）屈服力：由唐家祥[5]等试验结果得出屈服力经验公式为Qy=+4.7。

（2）屈服刚度：普通支座屈服前后的水平刚度相差约10倍，水平屈服前刚度计算式为Kd=1.05GA/Tr。

（3）支座的等效刚度Keq与屈服前和屈服后有关，即Keq=Qd/Tr+Kd。

据此，以表1 为基础，通过调整橡胶层数和各层厚度，得出直径1m的铅芯橡胶支座对应不同层数和厚度下相应的S2和Kv值。

采用ETABS 建模并布置隔震支座相关参数，其中固定的支座按厂家标准产品参数选取，参数变化的铅芯支座取S2不同所对应的参数。隔震支座采用Isolator1单元来模拟（普通和铅芯橡胶支座分别按线性和非线性计算）。对上述模型只对隔震层边角处铅芯支座参数进行调整，按以下两种方案时程分析研究其应力变化。

方案1：改变角部单个铅芯支座的KV；

方案2：改变四周铅芯支座的KV。

按620cm/s2峰值加速度输入Elcentrol 波进行时程分析，统计不同方案下支座受拉结果。支座只考虑竖向荷载及地震作用，拉应力荷载组合为（重力荷载代表值+地震产生的最大轴力）/支座面积。支座的最大轴力为正，最小轴力为负，若某一支座地震时拉力大于其重力荷载值时，其应力为正，即支座受拉（规范限值为1MPa）。

3 支座拉应力受竖向刚度影响分析

3.1 单支座刚度变化影响其拉应力

高层建筑在地震作用下受倾覆力矩和扭转作用，边角处的剪力墙会吸收更多的地震力和变形，导致该处的隔震支座更易受拉。因此，通过改变角部1号支座的S2，输入表中不同数值，其余支座按厂家标准支座的参数进行时程分析，得到罕遇地震不同S2下拉应力的变化规律，其拉应力曲线如图3所示。

图3 1号支座应力变化图

由图3可知，支座的拉应力随S2不断增大而增大：x向地震时拉应力由-5.8MPa增到-0.8MPa，y向地震时拉应力由-4.3MPa 增到1MPa。由于y向抗倾覆力矩比x向小，当S2达到6.5 时，该支座产生了1MPa 的拉应力。即当个别支座拉应力过大时，可以减小该支座的S2来使其拉应力降低，保证该支座的受力安全。

3.2 相邻支座应力受单支座刚度变化的影响

由上一节的结果还需统计与该支座相邻支座的应力变化，统计结果分别见图4、图5。

图4 16号支座应力变化图

图5 17号支座应力变化图

由图4 和图5 知，相邻支座的拉应力均随1 号支座S2不断增大而减小。其中，x向地震时16号支座拉应力由-7.6MPa 减小到-8.8MPa，y向地震时由-3MPa 减小到-5MPa。x向地震时17号支座的拉应力由1.2MPa 减小到-0.6MPa，y向地震时由-3.6MPa 减小到-6.4MPa。这表明，通过减小边角部支座的刚度KV值能控制其受拉作用，但地震力会传递到周边尤其是与其相邻的支座中。通过该方法减小支座受拉应力时，必须考虑对其他支座受拉的不利影响。若隔震层周边的受拉作用本身较大，单一采用该方法就不一定满足，可能需要调整多个支座的参数值。

3.3 改变多个支座竖向刚度

实际工程可能结构体型多种多样，拉应力超限的支座数量可能较多，且出现的位置不一致，只通过改变单个支座的刚度KV无法根本解决受拉过大问题。对此，按方案2对本算例中所有铅芯橡胶支座的竖向刚度KV进行修改，对比受拉状况。图6为1号支座的应力变化曲线。

图6 1号支座应力变化图

由图6 可知，增大模型中的铅芯橡胶支座的S2，角部1 号支座x和y向拉应力值由-5.4MPa 和-5.2MPa 分别增大到-1.1MPa和1.1MPa，即方案2可以有效控制边角部位各个支座的应力值。当使用方案1 的方法效果不明显或者使相邻支座的应力难以控制时，方案2可有效避免该问题。

为研究其对整体结构的作用，对全楼支座的地震竖向力平均值进行统计，结果见图7。

图7 支座总拉力变化图

由图7可知，单个支座的S2变化对整个结构地震总轴力影响不大。当周围铅芯支座S2都增大时，结构地震的总拉力随之增大，说明采用小刚度的支座吸收的地震轴力比大刚度支座要小得多，这能增加支座抗压富余量。

4 结语

高层建筑隔震设计中，为控制支座受拉而盲目增大支座直径是很不经济合理的，可以通过改变拉应力过大处支座竖向刚度来解决这一难题，并通过对某高层隔震结构算例模型进行受力对比，得出以下结论：

（1）个别隔震支座拉应力难以控制时，减小该支座竖向刚度能降低其拉应力。

（2）通过调整部分支座刚度控制受拉时须兼顾周边支座的受力情况，若结构整体倾覆较大时，需综合考虑。

（3）尽管隔震支座竖向刚度越低，对抗拉越有利，但整体结构需慎重全部采用低刚度支座，从经济性和合理性考虑尽量采用厂家标准的支座型号。

尽管减小支座竖向刚度KV和第二形状系数S2能减小支座受拉应力，但相应影响了支座的稳定性，设计时不能盲目减小其值，否则支座容易失稳。同时也不能过大，否则也影响减震效果，因此，S2取值区间一般为3～6[6]。本文未考虑减小支座竖向刚度对水平刚度影响而带来水平变形增大的问题。此外，减小隔震层铅芯支座的竖向刚度会影响结构的抗扭作用。由于篇幅受限，未对上述问题做进一步分析。高层建筑基础隔震设计中橡胶支座受是一个复杂的问题，设计时应根据上部方案、柱网布置、柱底内力、减震效果等多方面入手来综合考虑。