北京化工大学高精尖创新中心位于北京市朝阳区北三环东路, 总建筑面积为4.3万m², 其中地下3层, 地下建筑面积为2.2万m²;地上10层, 地上建筑面积为2.1万m²。地上主要建筑功能为实验室及办公室, 地上部分结构平面尺寸为56m×56.4m, 结构高度为43.2m。项目建筑效果图见图1。

　　 地上部分结构采用带隔震支座的钢筋混凝土框架-剪力墙结构。结构嵌固部位为地下一层顶板 (隔震支座上) 。隔震层以上框架抗震等级为三级, 剪力墙为二级;地下二层至地下一层框架抗震等级为二级, 剪力墙为一级;地下三层框架抗震等级为三级, 剪力墙为二级。地上主要柱截面尺寸为900×900, 剪力墙厚度为500mm, 采用主次梁结构体系, 局部大跨度梁采用预应力技术解决挠度问题。标准层结构平面布置见图2。

　　 主体结构基础采用天然地基, 梁板式筏板基础;纯地下室范围采用天然地基加抗浮锚杆, 基础为带柱墩的筏板基础。基础持力层位于第④层粉质黏土、④₁层粉质黏土、第⑤层粉细砂层, 综合天然地基承载力特征值为170kPa。抗浮水位相对标高为-6.5m。

　　 本工程在地下一层柱顶设置橡胶隔震支座, 柱顶设置拉梁拉结, 电梯核心筒部位在基础顶面设置滑动支座, 并在建筑物周圈设置隔震沟, 实现地上结构与地下结构的脱离。隔震结构组成及隔震支座平面布置见图3, 4。采用81个隔震支座, 规格包括LRB1100G6.0, LRB1100G4.0, LNR600G4.0和LNR900G4.0, 支座性能如表1所示。

　　 隔震支座布置时, 按照外围设置水平刚度较大的支座, 核心筒设置水平刚度较小的支座的原则。

　　 外围柱采用LRB1100G6.0铅芯橡胶支座, 内排柱采用LRB1100G4.0铅芯橡胶支座, 核心筒内部墙下采用LNR600G4.0普通橡胶支座, 保证结构的抗扭刚度。

　　 采用ETABS软件分别对隔震层以上主体结构进行多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下的静力和动力时程分析, 上部结构水平减震系数不大于0.4。地上结构按照水平地震作用降低1度进行结构计算及构造分析。

　　 采用ETABS软件对地上部分隔震结构进行建模分析。其中, 普通橡胶支座采用线性本构模型, 如图5所示。铅芯橡胶支座内部增加铅芯, 起到阻尼器作用, 其本构模型为折线型^[1,2], 如图6所示。整体计算模型如图7所示。

　　 普通橡胶支座水平刚度计算如下:

　　 ${\rm K}{}_{\text{r}}=G{}_{\text{r}}\frac{A{}_{\text{r}}}{{\rm T}{}_{\text{r}}}(1)$

　　 铅芯橡胶支座等效水平刚度计算如下:

　　 ${\rm K}{}_{\text{e}\text{q}}=\frac{Q{}_{\text{y}}}{r{}_{\text{h}}{\rm T}{}_{\text{r}}}+{\rm K}{}_{\text{y}}(2)$

　　 式中:K_r为普通橡胶支座水平刚度设计值;G_r为橡胶剪切模量;T_r为橡胶层总厚度;K_eq为铅芯橡胶支座等效水平刚度;r_h为铅芯橡胶支座水平剪切变形;K_y为铅芯橡胶支座屈服后水平刚度设计值;A_r为不含橡胶层中间开孔面积的叠层橡胶横截面积;Q_y为隔震支座水平屈服力设计值。

　　 选波时, 地震动的卓越周期尽量与场地特征周期接近, 所选地震波的反应谱与规范谱在隔震前与隔震后的第一周期点处的地震反应系数相差分别不大于20%。本工程选取7条地震波 (6条天然波、1条人工波) , 持续时间取为基本周期的5～10倍, 同时包含地震记录最强部分。

　　 地震波作用下基底剪力与反应谱基底剪力对比结果见表2。其中反应谱工况计算时, 铅芯橡胶支座取支座剪切变形50%时的等效水平刚度进行模拟, 普通橡胶支座取等效水平刚度进行模拟。从表2中可以看出, 7条波选取符合规范要求。

　　 高层建筑水平减震系数需按照弹性设计计算隔震与非隔震各层层剪力及各层倾覆力矩的最大比值, 取两者的较大值。

　　 对于基本自振周期在1s以内的结构, 设置隔震支座后隔震效果十分明显。2001版《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2001) 12.1.3条规定采用隔震设计的结构本身在不隔震时其基本自振周期小于1.0s。但随着经济社会的发展, 上部结构刚度相对较小的长周期结构也越来越多地采用隔震技术。对于长周期结构, 由于其本身已经处于反应谱的下降段, 地震效应相对较小, 因此若想达到降低1度的隔震目标, 需采用水平刚度较小的隔震支座, 尽量延长隔震后的结构周期, 以达到水平减震系数小于0.4的要求。

　　 本工程隔震前后结构的周期如表3所示。隔震前结构自振周期为1.320 6s, 布置隔震支座时, 核心筒范围内隔震支座采用水平刚度较小的LNR600G4.0支座, 使其隔震后的基本周期达到2.928 0s, 实现降低1度的隔震目标。

　　 对本工程地上部分进行设防地震下时程分析, 得出两个方向层剪力及倾覆力矩比值, 如图8所示。根据图中数据, 7条波X向平均层剪力比的最大值为0.33, 确定本工程的水平减震系数为0.33。地上部分实现降低1度的隔震目标。

　　 平面不规则或高层隔震结构, 由于其倾覆效应明显, 支座可能出现拉应力的状况, 现行规范对支座拉应力限制比较严格。根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) (2016版) (简称《抗规》) 12.2.4条规定:隔震橡胶支座在罕遇地震的水平和竖向地震同时作用下, 拉应力不应大于1.0MPa。在工程设计中如何避免支座拉应力的出现往往是一个难点问题。

　　 橡胶隔震支座在地震受拉状态下处于拉剪工作状态。相关试验研究表明, 支座的受拉刚度约为受压刚度的1/5～1/10^[3]。若在分析软件中采用单一受压刚度对支座进行分析 (图9 (a) ) , 往往会造成支座的拉力计算偏大。因此, 只有正确模拟支座的竖向拉压刚度 (图9 (b) ) , 才能使隔震支座的计算拉应力接近实际情况。

　　 利用ETABS软件对本工程进行受力分析时, 对支座采用连接属性单元进行模拟。模型定义时采用Rubber Isolator (橡胶隔震) 单元+Gap (缝) 单元综合来模拟。其中Rubber Isolator单元模拟支座水平刚度及1/10的支座竖向刚度, Gap单元只用来模拟9/10竖向刚度。在实际模型计算中, 当计算支座受拉状态时, Gap单元不参与工作, 支座抗拉刚度为抗压刚度的1/10;而当计算支座受压状态时, Gap单元与Rubber Isolator单元共同工作, 模拟全部支座抗压刚度。采用上述分析模型时, 支座的拉压刚度与实际比较吻合。

　　 图10为考虑水平地震及竖向地震作用下, 部分支座的最小面压计算结果。从计算结果中可以看出, 支座均处于受压状态, 未出现拉应力情况。

　　 对于一些特殊情况, 可以通过合理布置上部结构和隔震层使易出现拉应力的角部支座承受更大的重力荷载, 抵抗倾覆力带来的支座拉力;另一种解决支座应力问题的方式是设置抗拉隔震支座^[4]。

　　 《抗规》12.2.6条对于隔震支座在罕遇地震作用下的水平位移给出限值:对于橡胶支座, 不应超过该支座有效直径的0.55倍和支座内部橡胶总厚度3.0倍二者的较小值。支座水平刚度越大, 则在地震作用下支座水平位移越小。但对于长周期高层结构, 支座水平刚度越大, 减震效果越不明显。为解决减震系数与支座位移相互矛盾的问题, 部分支座可采用铅芯橡胶支座, 增大结构的阻尼, 从而减小地震力。本工程中柱下支座均采用铅芯橡胶支座, 部分支座在罕遇地震下的支座位移如图11所示。

　　 隔震层支座最大水平位移为177mm, 小于0.55D (=330mm) 及3T_r (≥330mm) 中的较小值, 满足要求 (其中D为支座有效直径, T_r为支座内橡胶总厚度) 。

　　 《抗规》12.2.3条规定, 丙类建筑橡胶隔震支座在重力荷载代表值下的竖向压应力不应超过15MPa;同时橡胶隔震支座在罕遇地震下的压应力不应超过30MPa, 本工程部分支座压应力计算结果如图12, 13所示, 支座最大压应力均满足规范要求。

　　 《抗规》12.2.9条规定:与隔震层连接的下部构件 (如地下室、支座下的墩柱等) 的地震作用和抗震验算, 应采用罕遇地震下隔震支座的竖向力、水平力和力矩进行承载力验算。下支墩受力示意图见图14 (a) , 其中P为在罕遇地震时设计组合工况下产生的轴向力;V_x和V_y为罕遇地震时设计组合工况下产生的X向和Y向水平剪力;U_x和U_y分别为罕遇地震作用下隔震支座产生的X向和Y向水平位移;h_b为隔震支座高度;H为隔震支墩的高度。隔震支座下支墩顶部产生的弯矩:M_x=P×U_x+V_x×h_b, M_y=P×U_y+V_y×h_b, 用于支座连接件的承载力设计;隔震支座下支墩底部产生的弯矩:M_x=P×U_x+V_x× (H+h_b) , M_y=P×U_y+V_y× (H+h_b) , 结合前面直接求得的轴力P、剪力V_x、剪力V_y, 可以进行下支墩的设计;上支墩的设计内力求解方法与下支墩类似。

　　 除考虑地震作用下进行支墩设计外, 设计中尚应考虑支座更换工况。在设计支墩牛腿时, 需预留千斤顶位置, 并考虑支座更换通道。对于牛腿截面及配筋需考虑千斤顶荷载的冲切作用。为减少牛腿截面, 此种工况可仅考虑上部恒载作用。本工程中实际设计隔震支墩见图14。

　　 为保证隔震结构中电梯的完整性, 对于地下一层的隔震结构可采用下挂电梯核心筒, 如北京新机场航站楼项目^[5,6]。本工程地下3层, 地下部分核心筒高度较高且自重较大, 因此本工程在电梯核心筒底部的基础顶面设置滑动支座。底部滑动支座结合电梯底坑及集水坑设置, 部分支座无法设置在墙下, 因此采用600mm厚支座上底板进行厚板转换, 支座设置在板底部。滑动支座的布置形式见图15。

　　 本文结合北京化工大学高精尖中心项目工程, 探讨了高层框架-剪力墙结构隔震设计中的一些重难点问题, 得出如下结论:

　　 (1) 对于上部刚度较小的结构, 可在结构中部设置水平刚度较小的隔震支座, 并在外围采用铅芯橡胶支座, 起到增大结构基本周期、增加结构阻尼的作用, 从而减小结构地震力, 达到降低1度的隔震目标。

　　 (2) 采用Rubber Isolator单元+Gap单元共同模拟隔震支座, 可以真实反映支座的拉压竖向刚度, 计算支座的实际拉应力。

　　 (3) 应综合考虑减震系数、支座位移、支座最大拉压应力来选取隔震支座类型及大小。

　　 (4) 在电梯核心筒底部的基础顶面设置滑动支座可以解决电梯竖向连续的问题。但在设置支座的时候, 需要综合考虑电梯底坑及集水坑的影响。