近年来, 随着城市化进程的加快, 地震功能可恢复城市已逐渐成为未来城市发展的重要趋势^[1]。高层结构是未来城市的重要组成部分, 如何提高该类高层建筑的地震功能可恢复能力成为了研究热点, 隔震技术被视为实现高烈度区高层结构地震功能可恢复的重要手段。

　　 对于高层隔震结构, 已有研究主要关注对结构构件损伤程度影响较大的地震响应指标 (减震系数、大震层间侧移角和隔震层位移等) ^[2,3,4,5]。值得注意的是, 楼面绝对加速度是引起重要设备损伤的关键地震响应指标, Pan^[6]、Mizuno^[7]等指出当楼面加速度超过3.0 m/s²时, 将会对重要设备造成一定程度的损伤。

　　 目前部分学者对于高层隔震结构的楼面绝对加速度响应特征 (包括沿高度方向的分布及其峰值) 开展了研究。肖从真等^[8]对位于7度区的剪力墙高层隔震结构进行了分析, 结果表明楼面绝对加速度峰值约为地面输入加速度峰值的91%。刘阳^[9]对位于8.5度区的框架-剪力墙高层隔震结构进行了罕遇地震下的弹塑性分析, 结果表明其楼面绝对加速度呈现出较为明显的K型分布特征。赖正聪等^[10]对位于8度区的剪力墙高层隔震结构展开了振动台试验研究, 结果表明楼面绝对加速度也呈现出明显的K型分布特征。总的来说, 目前对于高烈度区RC框架-核心筒高层隔震结构楼面加速度响应特征的研究还相对较少, 而这类研究对于该类结构的地震功能可恢复能力评价和提升极其重要, 相关研究亟待开展。

　　 基于上述研究需求, 本文以2栋设防烈度为8.5度、近断层且高度不同的RC框架-核心筒高层隔震工程案例为原型, 考虑不同隔震设计方案 (核心筒下沉隔震方案和整体±0.00隔震方案) 和合理范围内不同屈重比的影响, 基于精细有限元模型, 研究了该类结构的楼面绝对加速度响应特征。

　　 本研究选取了2栋具有不同高度的RC框架-核心筒高层隔震工程案例 (C1和C4) 作为原型结构展开研究, 其抗震设防烈度均为8.5度, 场地类别为Ⅲ类场地, 设计地震分组为第二组。2栋结构均近断层, 该工程隔震设计专项审查专家委员会 (简称专家委员会) 建议考虑近断层影响, 相应的近场影响系数取为1.25。C1上部结构共22层, 总高79.2m, 地下4层, 总高16.05m;C4上部结构共17层, 总高65.8m, 地下4层, 总高14.15m。结构高宽比分别为2.3和1.91。原型结构混凝土强度等级为C40～C60, 外墙厚度为350 ～600mm, 内墙厚度为200～400mm, 柱截面为700mm×700mm～900mm×900mm。

　　 对于本文所选取的高层隔震结构, 若采用传统的整体±0.00隔震方案 (即框架和核心筒剪力墙隔震支座均于±0.00同标高处隔震) , 难以满足建筑使用功能需求;若整体结构在地下室基础底部隔震, 结构高度为76.30～95.25m, 由于设计地震力较大, 控制支座拉应力不超过1MPa较难, 设计难度大。因此, 本研究团队提出了“局部地下室下沉隔震”方案并获得专家委员会认可。具体而言, 剪力墙或核心筒部分下沉至地下室底部隔震, 而框架在±0.00处隔震, C1和C4的隔震层设置如图1所示。相应的隔震支座主要参数如表1所示。为满足工程设计中对隔震层位移响应的要求 (隔震沟宽度600mm) , 上述结构在工程设计的过程中均采用了16个黏滞阻尼器。本研究团队设计了位于该场地的29栋高层隔震结构, 基本均采用了16个阻尼器和相近的阻尼器参数, 阻尼器的最大出力均在2 000kN左右, 因此在本研究中不将阻尼器作为一个变量。原型结构设计关键指标如表2所示。

　　 采用C1和C4设计时所选取的地震动 (2条天然波和1条人工波) , 地面输入加速度峰值取为6.375m/s², 基于ETABS精细有限元模型对其进行大震弹塑性时程分析。不同于传统抗震结构, 大震作用下隔震结构的上部结构损伤程度通常较轻, 塑性行为主要集中于隔震层。因此, 对于上部结构, 可采用弹性模型, 隔震层则用弹塑性模型^[8,9,11,12]。其中, 隔震支座采用Rubber Isolator单元与Gap单元模拟, 黏滞阻尼器采用Damper-Exponential单元模拟, 梁柱采用Frame单元模拟, 剪力墙采用壳单元模拟。分析时整体结构阻尼比取为5%。

　　 罕遇地震下原型结构楼面绝对加速度峰值分布如图2所示。从图中可以看出, 3条地震动下, 高层隔震结构的顶部和底部绝对加速度峰值较大, 中部的绝对加速度峰值则相对较小。从顶部到中部以及从底部到中部呈现出明显的递减趋势。因此, 可采用如图3所示的双折线简化分布来近似考虑大震下RC框架-核心筒高层隔震结构的楼面绝对加速度峰值沿着结构高度方向的分布规律。这种简化分布与框架-剪力墙高层隔震结构^[9]和剪力墙高层隔震结构^[10]中的楼面绝对加速度峰值分布一致, 均可视为典型的K型分布。

　　 由上述简化分布可知, 对于RC框架-核心筒高层隔震结构, 其楼面绝对加速度峰值存在三个特征点:顶点、中部楼面最小加速度点 (简称中部点) 和底部点。在此, 本研究分别计算原型结构顶点、中部点和底部点楼面绝对加速度峰值与地面输入加速度峰值之间的比值如表3所示。从表中可以看出, 出现在结构中部的楼面绝对加速度峰值约为输入加速度峰值的20%。底层的楼面绝对加速度峰值均不小于输入加速度峰值的57%。顶层的楼面绝对加速度峰值均不小于输入加速度峰值的61%。

　　 对原型结构楼面绝对加速度峰值进行数据统计, 统计结果表明, 在罕遇地震作用下, C1楼面绝对加速度峰值超过3m/s²的楼层主要分布在结构底部和顶部, 分别为1～4层和18～22层, 占总楼层数的41%。与C1相类似, C4的1～4层和15～18层的楼面绝对加速度峰值超过3m/s², 占总楼层数44%。

　　 上述结果表明, RC框架-核心筒高层隔震结构的楼面绝对加速度峰值存在以下三点特征:1) RC框架-核心筒高层隔震结构和剪力墙高层隔震结构以及框架-剪力墙高层隔震结构可能存在相近的楼面绝对加速度峰值分布, 即K型分布; 2 ) 该类高层隔震结构的顶/底部绝对加速度峰值与地面输入加速度峰值的比值较大, 达57%以上;3) 该类高层隔震结构楼面绝对加速度峰值超过3m/s²的楼层数较多, 主要集中在底部和顶部, 占总楼层数40%左右。值得注意的是, 不同的隔震方案和不同的屈重比可能会对楼面绝对加速度响应特征存在影响, 有必要基于原型结构设计采用不同隔震方案且具有不同屈重比的案例, 并在此基础上进一步深入研究该类高层隔震结构的楼面绝对加速度响应特征。

　　 RC框架-核心筒高层结构在进行隔震设计时, 根据建筑使用功能的不同要求需选择不同的隔震设计方案, 不同的隔震设计方案对加速度响应特征可能存在一定的影响。原型结构在设计过程中采用了局部地下室下沉隔震方案 (即核心筒部分下沉至地下室底部隔震, 框架在±0.00处隔震) , 为了考虑不同隔震设计方案的影响, 本研究采用了原型结构C1和C4的上部结构, 设计相应的整体±0.00隔震案例。

　　 不同的隔震结构基本周期 (即不同的隔震支座布设) 对加速度响应也存在一定的影响, 考虑到影响隔震结构基本周期的因素较多且较复杂, 而屈重比是隔震结构设计和影响基本周期的关键参数^[13,14,15]。因此, 本研究在原型结构的基础上, 通过调整屈重比设计了一系列具有不同基本周期的高层隔震结构分析案例。笔者对适用于RC框架-核心筒高层隔震结构的屈重比范围展开了研究, 结果表明, 减震系数和隔震沟尺寸限值要求决定了该类结构的屈重比下限值 (2%) 和上限值 (3%) , 随着结构高度的减小可适当提高屈重比上限值^[16]。

　　 综合考虑不同隔震设计方案和屈重比影响, 本文设计了C1结构的核心筒下沉隔震方案和整体±0.00隔震方案, 考虑了4种介于2%～3%间的屈重比。对于C4结构, 同样分别设计了核心筒下沉隔震方案和整体±0.00隔震方案, 考虑了5种介于2%～3%间的屈重比, 由于原型结构采用了3.2%的屈重比, 因此本研究也设计了相应的整体±0.00隔震方案, 其屈重比为3.3%。各案例的基本信息如表4所示。

　　 在设计过程中, 本研究采用了该实际工程中所使用的地震动, 相应的加速度反应谱与规范反应谱的对比如图4所示。从图中可以看出, 在1.31～1.59s (非隔震结构周期段) 和3.94～4.63s (隔震结构周期段) 内各地震动加速度反应谱值与规范反应谱值最大误差基本不超过35%, 平均误差基本不超过20%, 满足规范^[17]要求。动力时程分析结果表明, 在上述地震动下, 结构的减震系数、大震下隔震层位移和支座拉压应力、上部结构楼层剪重比等关键指标均可满足设计要求, 85%的案例的大震下最大层间侧移角均不超过1/300, 结构塑性程度相对较轻, 上部结构采用弹性模型具有一定的合理性。这表明上述案例可用于研究不同影响因素对该类结构楼面绝对加速度响应特征的影响。

　　 各案例的楼面绝对加速度峰值均呈现出明显的K型分布特征, 且楼面绝对加速度峰值同样存在三个特征点。由于各案例X方向的楼面加速度响应均大于Y方向的楼面加速度响应, 在此仅列出各案例X方向三个特征点的楼面绝对加速度峰值与地面输入加速度峰值的比值如表5所示。从表5可以看出, 三个特征点顶点、底部点、中部点绝对加速度峰值与地面输入加速度峰值的比值范围分别为59%～70%, 63%～76%, 18%～22%。经统计分析得到, 分析案例楼面绝对加速度峰值超过3m/s²的楼层主要集中在结构底部和顶部, 占总楼层数28%～45%。

　　 为了进一步明确不同隔震设计方案、不同结构高度以及屈重比对楼面绝对加速度峰值的影响规律, 本文对不同影响因素下的楼面加速度响应进行了分析。经分析得到不同因素对各案例X, Y方向的影响规律大致相同, 在此仅列出加速度响应较大的X方向的结果, 具体结果如图5所示。

　　 图5 各影响因素对特征点绝对加速度峰值与地面输入加速度峰值比值的影响

　　 从图5中可以看出, 对于绝大部分案例, 在设计方案确定后, 随着屈重比的增大楼面绝对加速度峰值存在较为明显的增长趋势, 这与传统抗震结构存在相似之处。具体而言, 随着结构基本周期的减小, 传统抗震结构整体刚度增大, 楼面绝对加速度存在增大趋势。对于高层隔震结构, 随着屈重比的增大, 结构周期有所减小, 因此楼面绝对加速度也出现了较为明显的增大趋势。同时, 数据统计结果表明, 分析案例楼面绝对加速度峰值超过3m/s²的楼层数也随屈重比的增大而呈现增长趋势。

　　 然而不同的隔震设计方案下和不同的结构高度下, 结构的加速度响应特征不存在明确的定性关系, 尽管整体±0.00隔震方案周期略小于核心筒下沉隔震方案, 结构高度较低的方案周期略小于结构高度较高的方案, 然而两者受力行为存在显著差异, 这可能是导致两者不存在明确关系的主要原因。

　　 本研究以2栋具有不同高度、设防烈度为8.5度的近断层RC框架-核心筒高层隔震结构作为原型结构, 综合考虑了不同隔震设计方案和不同屈重比影响, 设计了20个高层隔震结构案例, 研究了大震下RC框架-核心筒高层隔震结构的楼面加速度响应特征, 得到以下主要结论:

　　 (1) 高烈度区RC框架-核心筒高层隔震结构楼面绝对加速度峰值分布规律呈现出明显的K型分布规律, 这与剪力墙高层隔震结构和框架-剪力墙高层隔震结构基本一致。

　　 (2) 高烈度区RC框架-核心筒高层隔震结构楼面加速度分布存在三个特征点, 即顶点、中部点、底部点。顶点绝对加速度峰值与地面输入加速度峰值比值达59%～70%;底部点绝对加速度峰值与地面输入加速度峰值比值达63%～76%;中部点绝对加速度峰值与地面输入加速度峰值比值达18%～22%。罕遇地震下, 楼面绝对加速度峰值超过3m/s²楼层主要集中在结构的底部和顶部, 占总楼层数28%～45%, 会引起重要设备一定程度的损伤。

　　 (3) 屈重比对该类高层隔震结构楼面绝对加速度峰值存在显著影响。随着屈重比的增大楼面绝对加速度峰值逐渐增大, 楼面绝对加速度峰值超过3m/s²的楼层数也呈增大趋势。

　　 (4) 高层结构顶部往往设有电力系统控制设备等重要设施, 这类设施往往是绝对加速度敏感型设施且对高层结构的震后功能可恢复起着至关重要的作用。目前对该类高层隔震结构楼面加速度响应特征的研究较少, 本文研究结果表明, 该类高层隔震结构楼面绝对加速度控制效果还有待进一步提升, 如何进一步提高该类结构的楼面绝对加速度控制效果还有待深入研究。