某高烈度地区高层住宅设计方法浅析

王书明

上海市园林设计研究总院有限公司 上海 200031

1 前言

隔震是一种合理、有效、安全、经济的被动控制减震方式[1]，隔震设计采用在基础顶或地下室顶板设置水平阻尼器等柔性隔震装置，使上部减震结构特征周期延长，阻尼增大，减少上部隔震结构的地震作用，从而达到整个隔震装置和上部结构达到抗震的三水准目标:“小震不坏、中震可修、大震不倒”。

国内外有很多学者对隔震技术进行了研究，我国住房和城乡建设部新发布的《建筑隔震设计标准》GBT51408-2021已实施，隔震设计标准的出炉将给建筑抗震设计带来革命性变化。

目前国内9度区隔震建筑实例偏少，本文介绍了云南昆明市东川区一个带大底盘地库的高层住宅楼小区隔震设计，下面对基础设计、下部结构设计、支座布置、支座设计、上部设计等进行了介绍。

2 概括

2.1 建筑概括

本工程位于云南省昆明市东川区，住宅小区，地上16层，地下1层（底部为大底盘地库），主要功能为住宅，采用隔震技术，上部结构与地下室顶板之间设置隔震层，隔震层高为3.45m, 隔震层设置粘滞阻尼器和抗拉装置，建筑高度为48.3m，层高3m，采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构形式。

地下室位于隔震层以下，层数为1层，地下室层高为4.2m~4.3m，为全埋地下室，功能为机动车库，抗渗等级为P6。本工程为标准设防类建筑。本次隔震设计采用抗规的分步式设计。

2.2 场地概况

本小区位于大缓坡上，拟建建筑西侧有12m~14的高差，距离125m左右，坡比为1：8.9，坡角约为6.5°，根据《建筑与市政工程抗震通用规范》GB55002-2021第4.1.1条，可不进行地震作用放大。特征周期取值根据《建筑与市政工程抗震通用规范》GB55002-2021第3.1.3条和地勘资料提供，场地土层等效剪切波速为250m/s，覆盖层厚度为35m，不在场地类别分界线15%的范围内，特征周期无需插值，特征周期取值为0.45s。本小区结构按抗震规范需考虑扭转耦连和多遇地震作用下的内力和变形分析。

蒙姑-东川断裂（F4），距离拟建场地约1.5km；小江西支主干断裂（F7），距离场地约为8.5km。根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）第12.2.2条，设计时考虑1.5倍的进行效应系数。小区场地类别为Ⅱ类，地震分组为第三组，设防烈度九度，加速度为0.4g。

3 地基基础及地下室设计

3.1 地基基础设计

根据岩土工程勘察报告以及建筑结构布置进行基础设计。地基基础等级为乙级，基础的抗震验算按本地设防烈度进行。基础为平板式筏板基础，筏板厚度为900mm，局部加厚，最大厚度为1200mm，持力层为④-1角砾层，地基承载能力特征值为240kpa。地库地下室部分基础形式为独立基础+防水板，防水板厚250mm，持力层为③含角砾粉质黏土和④-1角砾层，承载力特征值为220kpa和240kpa。场地属不均匀地基，整体筏板增强基础整体性，可减少上部建筑结构的不均匀沉降带来的不利影响。经基础分析计算，地基变形沉降值72mm，满足规范要求。

3.2 地下室设计

本工程有一层全埋地下室，无人防，地下室抗震等级为三级，塔楼及相邻两跨范围内抗震等级为二级，框架梁、板混凝土强度等级为C35，框架柱、墙混凝土强度等级为C40~C50。根据地勘报告，拟建地下室地下水埋深较大，可不考虑地下水的抗浮问题，但施工期间和后期地表水的大量下渗，同样会影响地下室的安全，充分考虑排水、截水措施，故在基底及地下室周边设置盲沟，坑底置水井等措施进行抽排，以减少地下水位的抬升的影响。

上部建筑嵌固端为地下室顶板，上部建筑地下室顶板厚度为180mm，塔楼外地下室顶板为厚板+框架结构布置，厚度为300mm，控制内外高差不大于0.9m，加腋坡度小于1：2，确保嵌固的有效性,和地震作用的有效传递。根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）第6.1.14条，地下室层侧向刚度需要满足大于地下室顶板上一层的侧向刚度的2倍，方可作为嵌固端。

4 上部结构设计

4.1 上部结构概况及选型

本工程地上16层，建筑高度48.30m，层高为3.0m，结构平面尺寸42.4×12.9m，结构形式为现浇钢筋混凝土剪力墙结构。嵌固端为下支墩顶、地下室顶板与0.00m标高之间设置隔震层，隔震层设置粘滞阻尼器和抗拉装置，隔震层高3.45m。丙类建筑，本工程按抗震设防丙类建筑采用。上部结构采用隔震技术，剪力墙抗震等级为二级，抗震构造措施为二级。隔震层转换梁和支墩抗震等级为提高一级，为一级，抗震构造措施为一级。

4.2 上部结构计算分析软件及主要参数取值

采用隔震设计，上部结构计算分析采用北京盈建科软件股份有限公司的盈建科YJK4.3版本计算。并用ETABS进行多遇地震下的复核、弹性时程分析以及弹塑性时程分析。

4.3 上部结构计算分析结果

4.3.1 结构动力特性分析

计算振型数：17个，YJK计算模型的有效质量系数为X向90.52%，Y向93.48%。满足规范不小于90%的要求。YJK模型第一扭转周期与第一平动周期之比0.64，满足规范要求，见表1。

表1 计算振型数

4.3.2 位移和扭转位移比分析

在小震作用下按弹性方法计算的楼层最大位移与层高之比限值，在考虑地震作用下，X向最大层间位移角为1/1706（8层）；Y向最大层间位移角为1/ 1450（10层），满足规范要求。

其它剪力和剪重比分析(CQC)、楼层承载力对比、楼层刚度比分析满足规范要求。

轴压比分析显示剪力墙最大轴压比为0.18，小于剪力墙一级抗震等级轴压比限值0.4，满足规范要求。

4.4 转换构件设计

本工程上部为剪力墙结构，采用隔震设计，在隔震层顶板对剪力墙进行转换，为增加隔震层的刚度，隔震层楼板厚度为180mm，钢筋双层双向拉通，隔震层楼板设置为弹性膜，考虑楼板实际刚度的影响，转换梁控制在二级转换之内，转换构件抗震等级提高一级，为一级。

5 隔震设计

5.1 隔震设计原则

为了建筑功能和结构抗震安全性考虑，隔震支座均设置在±0.00m楼板以下-2.3m处，隔震层高度为3.45m，隔震层设置粘滞阻尼器和抗拉装置。结构设计保证隔震层（隔震支座）水平刚度远小于上层结构楼层水平刚度，并远小于隔震层以下结构水平刚度，隔震支座以上混凝土隔震支墩及梁板水平刚度远大于上层结构楼层水平刚度。同时要求隔震层以下的墙柱梁的等构件满足上下嵌固刚度比的要求，并按罕见遇地震进行抗剪承载力验算。

隔震房屋周边以及相邻隔震建筑之间应设置隔离缝，其缝宽按照《抗规》12.2.7条第1款规定来确定。

采用ETABS NonlinearC软件进行隔震计算分析。计算前对计算模型进行了验证（与YJK模型对比）。隔震设计采用的时程分析法，地震波加速度时程按照抗规5.1.2规定选取。

隔震层的柱墩在罕遇地震下的竖向力、水平力和力矩的承载力要满足规范要求。根据抗规12.2.6原则，隔震层上下支墩按罕遇地震下的悬臂柱设计，计算模型按党育，杜永峰《基础隔震结构结构设计及施工指南》[2]第3章4节、5节分析。

5.2 隔震计算

17#作为丙类建筑，采用LRB900-II、LRB1000-II、LNR900-II类型的隔震支座，依据抗规要求橡胶隔震支座在重力荷载代表值的竖向压应力应控制在15Mpa内。隔震支座及阻尼器、抗拉装置分别见图1。

图1 隔震层隔震支座、阻尼器编号及布置图

5.3 减震系数

隔震层以上结构隔震前后计算结果显示，结构层间剪力比值的平均值和结构倾覆力矩比值的平均值的最大值为0.232。根据《抗规》12.2.2条规定，处于发震断裂带5km以内时，应考虑近场影响系数1.5，根据《抗规》4.1.8条规定，处于边坡边缘等不利地段时，应考虑不利地段对设计地震动参数产生的放大作用，本项目无边坡放大，根据《抗规》第12.条，确定隔震后水平地震影响系数最大值αmax1＝1.5*β*αmax/ψ=1.5*0.232*0.32/0.8=0.140。

综合考虑后，上部结构设计隔震后水平地震影响系数最大值为0.17。

隔震层以上抗震措施按降一度（8度）设计，与竖向地震有关的抗震措施（墙轴压比）不予降低[3]。

5.4 隔震层位移及支墩设计

根据《抗规》12.2.9条规定，需要核算罕遇地震下隔震层的位移，隔震层计算的轴力、剪力用于支墩设计。计算支墩内力配筋时，荷载组合取：1.3（1.0*恒荷＋0.5*活荷）＋1.4*水平地震+0.5*竖向地震力，计算支墩位移时，荷载组合：1.0（1.0*恒荷＋0.5*活荷）＋1.0*水平地震。

通过计算，隔震层加粘滞阻尼器最大水平位移416*1.15=479mm(考虑边支座扭转效应)，同时按构造隔震层最大位移479mm要小于0.55D=495mm及3Tr=498mm中的较小值，满足要求。

5.5 罕遇地震下支座拉应力和压应力

在罕遇地震作用下，考虑荷载组合：①1.0*恒荷+1.0×水平地震－0.5*竖向地震和①1.0*恒荷+1.0*水平地震－0.5×竖向地震，部分支座出现拉应力，最大拉应力为0.90Mpa。满足《抗规》12.2.4条规定，隔震橡胶支座拉应力不应大于1.0Mpa。同时控制同一时刻支座受拉个数，如T1Y波在12.67S时刻支座受拉个数达到最大值，共6个支座受拉，未超过支座总数的23%。

罕遇地震作用下压应力应考虑如下组合：1.0*恒荷+0.5活荷+1.0×水平地震+0.5×竖向地震和1.0×恒荷+0.5活荷+0.5×水平地震+1.0×竖向地震，计算的最大压应力为28.56Mpa,小于30Mpa。

5.6 风荷载作用下隔震层验算

本结构风荷载的产生的总水平力为1449kN，总重力为148120kN，风荷载作用下产生的总水平力占结构总重力的0.9%，满足《建筑抗震设计规范》12.1.3条要求[4]。

5.7 下支墩刚度

结构以±0.000m楼板层做为上部结构的崁固端，以下支墩顶作为隔震层以上结构的崁固端。结构±0.000m楼板层以下直接支承隔震层以上结构的相关结构（上支墩结构）与地面一层楼层侧向刚度比满足大于2的要求；隔震层以下结构中直接支承隔震层以上结构的的相关结构（下支墩结构）与上部一层楼层侧向刚度比满足大于2的要求，（抗规12.2.9条、6.1.14条、高规5.3.7条）见表2。

表2 刚度比

经验算罕遇地震作用下粘滞阻尼器的出力和位移均满足厂家参数要求。罕遇地震作用下抗拉装置的初始变形和最大出力均满足厂家参数要求。

6 结论

本文对高烈度地区建筑在地基基础及地下室设计、隔震层上部结构设计、隔震设计等方面进行了介绍，得出如下结论：（1）隔震设计基础既要满足承载力也要满足规范对沉降的要求。（2）地下室顶板作为上部主楼嵌固端时，要满足嵌固端上下的刚度比和隔震后嵌固端以上结构的抗震设防承载力要求，同时考虑罕遇地震下墙柱竖向构件的抗剪承载力要求。合理布置隔震层转换构件，转换梁和支墩的抗震等级要比上部构件抗震等级提高一级[5]。（3）隔震层要提高整体刚度，隔震层楼板厚度为180mm，局部电梯同周边楼板板厚为200mm，钢筋双层双向拉通，配筋率不小于0.25%。（4）上部结构设计隔震后水平地震影响系数最大值既要满足隔震计算，也要根据现场和当地实际合理选取。（5）隔震层与阻尼器相连的框架梁、吊住和支墩，均按子结构进行设计，满足罕遇地震作用下极限承载能力的要求。