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1、第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文 2016 年 作者简介：胡东卫（1992-） ，男，学士，助理工程师 高层隔震结构设计中若干问题的探讨 胡东卫，潘杰，韩雪，许佶 （云南省设计院集团，云南昆明 650000） 摘 要：运用 ETABS 软件进行高层建筑隔震设计，当采用非线性模态时程（FNA）分析算法时，结构振型数的取 值；以及隔震设计（需考虑近场影响）确定水平减震系数时，与之对比的非隔震模型是否考虑近场影 响系数，都会影响隔震结构的水平地震作用计算。而规范中针对上述问题解释不够明确，设计人员在 实际工程中做法不一， 计算结果差异显著。 本文针对上述问题对某实际工程进行对比计算分析、 探讨
2、， 相关结论可供类似工程设计参考。 关键词：隔震结构，振型数，近场影响系数，水平地震剪力 0 引言 隔震结构设计的具体要求在建筑抗震设计规 范 1（GB 50011-2010） （后简称为抗规）中均有 相关规定，但在实际工程应用中，由于规范部分条 文不够明确，导致设计人员做法不一，计算结果差 异显著，本文对实际隔震工程设计中遇到的若干常 见问题进行分析和讨论。 某实际工程概况：乙类建筑，框架结构，共 9 层（包括隔震层） ，除隔震层层高 1.6m 外，其余层 高均为 3.6m，房屋高度 29.4m，采用基础隔震，抗 震设防烈度 8 度（0.30g） ，场地类别类，设计地 震分组第 3 组，抗震
3、等级一级。标准层平面如图 1。 图 1 楼层标准层平面图 1 振型数对楼层水平剪力的影响 1.1 ETABS建模 运用软件 PKPM 建立非隔震模型，运用有限元软件 ETABS 同时建立隔震与非隔震结构模型，并进行模 态分析。ETABS 软件具有方便灵活的功能和强大的线性和非线性动力分析功能，使用 FNA 算法(快速非线 性分析法)进行隔震结构分析设计，能准确地考虑橡胶隔震支座等连接单元的非线性。分析时采用非线性 连接 ISOLATOR1 单元模拟隔震橡胶支座；对于隔震支座抗拉刚度与抗压刚度不同时，采用 GAP 单元和 ISOLATOR1 单元共同组合模拟；抗拉刚度按抗压刚度的 1/10 取值
4、。将 ETABS 和 SATWE 非隔震模型计算得到 的质量周期和层间剪力进行对比，结果如表 1表 3 所示。表中差值为（|ETABS-SATWE|/SATWE） 100%。 表 1 非隔震结构质量对比 表 2 非隔震结构周期对比 阶数SATWE（s）ETABS（s） 差值（%） 1 0.9240 0.9272 0.35 2 0.9158 0.9196 0.41 3 0.7932 0.7959 0.34 SATWE（ton） ETABS（ton） 差值（%） 5140.847 5168.173 0.38% 第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文 2016 年 表 3 非隔震模型剪力对比 由表
5、1、表 2 和表 3 可知，ETABS 模型与 SATWE 模型的结构质量、周期、各层间剪力计算结果相近。 综上所述，用于本工程隔震分析计算的 ETABS 模型和 SATWE 模型是一致的。 1.2 地震动输入 据抗规5.1.2 条规定：采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用强震记录和人 工模拟的加速度时程，其中实际强震记录的数量不应少于总数的 2/3，多组时程的平均地震影响系数曲线 与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。弹性时程分析时，每条时程计算的结 构底部剪力不应小于振型分解反应谱计算结果的 65%，多条时程计算的结构底部剪力的平均值不应小于振 型分解
6、反应谱法计算结果的 80%。 本工程选取了实际 5 条强震记录和 2 条人工模拟加速度时程，7 条时程反应谱和规范反应谱曲线如图 2、图 3 所示，基底剪力对比结果如表 4 所示。 表 4 非隔震模型基底剪力 工况 反应谱 RH1 RH2 LK0820 LK11 LK14 LK0831 LK0833 平均 剪力 （KN） X 25467.3 20055.9 18049.919119.3520597.1221968.424719.8 26058.8 21509.9 Y 25124.2 20729.1 17734.218924.3720798.4521811.824375.3 26379.6 21
7、536.1 比例（%） X 100.00% 78.75% 70.87% 75.07% 80.88% 86.26%97.06% 102.32% 84.46% Y 100.00% 82.51% 70.59% 75.32% 82.78% 86.82%97.02% 105.00% 85.72% 注：比例为各个时程分析与振型分解反应谱法得到的结构基底剪力之比。 抗规规定：输入的地震加速度时程曲线的有效持续时间，一般从首次达到该时程曲线最大峰值的 10%那一刻算起，到最后一点达到最大峰值的 10%为止；无论是实际的强震记录还是人工模拟波形，有效持 续时间一般为结构基本周期的（510）倍。 抗规规定：多组时
8、程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相 比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于 20%。 图 2 图 3 层数 SATWE（KN） ETABS（KN） 差值 X Y X Y X Y 9 5131.94 5154.60 4953.31 5010.53 -3.48%-2.79% 8 9745.41 9743.40 9785.17 9855.92 0.41%1.15% 7 13836.92 13775.93 14087.45 14134.53 1.81%2.60% 6 17396.45 17259.07 17837.97 17839.01 2.54%3.36% 5
9、 20392.22 20177.63 20994.23 20941.88 2.95%3.79% 4 22774.70 22495.38 23497.81 23397.30 3.18%4.01% 3 24471.00 24148.23 25272.17 25137.81 3.27%4.10% 2 25379.93 25038.42 26215.93 26066.77 3.29%4.11% 1(隔震层)25467.34 25124.22 26356.01 26205.91 3.49%4.31% 第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文 2016 年 表 5 7 条时程反应谱与规范反应谱曲线对比表 振
10、型 非隔震差值（%） 隔震差值（%） 1 8.7% -13.0% 2 9.2% -11.0% 3 10.1% -4.7% 由图 2、图 3 及表 5 可知，非隔震和隔震模型各时程平均反应谱与规范反应谱较接近，满足规定。 1.3 隔震支座布置 本工程采用的橡胶隔震支座，在选择其直径、个数和平面布置时，主要考虑了以下因素： （1）根据抗规12.2.3 条，同一隔震层内各个橡胶隔震支座的竖向压应力宜均匀，竖向平均应力 不应超过乙类建筑的限值 12MPa。 （2）罕遇地震作用下，隔震支座不宜出现拉应力，当少数隔震支座出现拉应力时，其拉应力不应大 于 1MPa。 （3）罕遇地震作用下，隔震支座的水平位移
11、限值应小于其有效直径的 0.55 倍和各橡胶层总厚度 3 倍 二者的较小值。 本工程共使用了 24 个支座，各类型支座数量及力学性能详见表 6。隔震结构屈重比为 0.048。 表 6 有铅芯隔震支座力学性能参数 类别 符号 LRB500 LRB600 类别 符 号 LRB500 LRB600 使用数量(套) N 80 78 屈服前刚度 (kN/mm) Ku 10.40 13 第一形状系数 S1 15 15 屈服后刚度 (kN/mm) Kd 0.8 1 第二形状系数 S2 5 5 屈服力(kN) Qd 40 60 竖向刚度(kN/mm) Kv 2200 2600 橡胶层总厚度 (mm) Tr 9
12、2 110 等效水平刚度(剪 应变) (kN/mm) Keq 1.10 (100%)1.3 (100%)支座总高度(mm)H 219 247 1.4 振型数对隔震结构层间剪力的影响 采用振型分解法进行结构地震反应分析时应确定合理的振型数；输入足够的振型数，以保证不丧失高 振型的影响；不应输入过多的振型数，以致引起计算结果的不可靠。振型数的取值，根据抗规5.2.2 条文说明：振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量 90%所需的振型数。 ETABS 非隔震模型，当振型数取 18 时，计算所得 X、Y 向振型质量参与系数分别为：91.35%，91.35%； 满足规范要求，最低振型数采用 18。模型
13、选取一条人工波 RH1 和一条天然波 LK11 进行计算分析。计算结 果见表 7表 12： 表 7 隔震模型人工波 RH1 作用下层间剪力(X 向/kN) 楼层振型数 18 36 54 72 90 108 126 144 8 512.17 585.38 588.33590.96917 959.89959.89 959.89 7 1063.58 1215.59 1221.721227.191666.781654.291654.29 1654.29 6 1614.98 1845.8 1855.11863.412008.742010.052010.05 2010.05 5 2166.39 2476.
14、01 2488.492499.632546.982548.212548.21 2548.21 4 2717.79 3106.23 3121.883135.863024.943024.243024.24 3024.24 3 3269.19 3736.44 3755.273772.083447.083445.813445.81 3445.81 2 3820.6 4366.65 4388.664408.313781.983780.873780.87 3780.87 1 4372 4996.86 5022.055044.534221.24220.764220.76 4220.76 第二十四届全国高层建
15、筑结构学术会议论文 2016 年 表 8 隔震模型人工波 RH1 作用下层间剪力(Y 向/kN) 楼层振型数 18 36 54 72 90 108 126 144 8 1417.8 1326 1327.11326.71574 1573.51573.5 1573.5 7 2944.2 2753.7 2755.82755.13213.13215 3215 3215 6 4470.6 4181.3 4184.44183.44774.64774.34774.3 4774.3 5 5997 5608.9 5613.15611.76224.16225.96225.9 6225.9 4 7523.4 703
16、6.5 7041.87040 7542.57543.47543.4 7543.4 3 9049.8 8464.1 8470.58468.48726.48726.38726.3 8726.3 2 10576 9891.7 9899.29896.79788 9789.69789.6 9789.6 1 12103 11319 11328 11325 10757 10756 10756 10756 表 9 隔震模型天然波 LK11 作用下层间剪力(X 向/kN) 楼层振型数 18 36 54 72 90 108 126 144 8 361.26 432.85 430.26427.69715.94754.56754.56 754.56 7 750.19 898.86 893.47888.131308.81305.81305.8 1305.8 6 1139.1 1364.9 1356.71348.61843.31844.21844.2 18
