减震技术丨国内最高隔震建筑:昆明天湖景秀棚改项目百米高住宅隔震结构设计

1     工程概况

项目为昆明市西山区海口片区棚户区改造的天湖景秀和天湖瑅湾小区，总建筑面积为37.5万m2，地下2层（含非机动车夹层），地上由15栋住宅塔楼与若干独立商业组成，天湖景秀小区建筑效果图与其百米高塔楼结构模型见图1和图2。

图1   天湖景秀小区建筑效果图

图2   32层塔楼计算模型

15栋塔楼中有9栋地上26层，1栋塔楼地上27层，2栋塔楼地上31层，3栋塔楼地上32层，均为剪力墙结构，并采用基础隔震技术，隔震层设置在3.2m层高的非机动车夹层。本文以32层塔楼（图3）为例进行分析，此塔楼屋面高度为93.07m，最大高宽比为3.85，最大建筑总高99.75m，为目前国内最高隔震建筑。

此塔楼结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，基础设计等级为甲级。建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为8度，基本地震加速度为0.20g（第三组），场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.45s，多遇地震时阻尼比为0.05。基本风压取0.33kN/m2，地面粗糙度类别为B类。

图3   建筑剖面图

2     结构布置

结构平面为矩形，外轴线尺寸为24m×28m，标准层建筑平面见图4。混凝土强度等级：剪力墙从下到上为C50~C30，下支墩为C50，上支墩与隔震顶盖为C45，标准层楼盖为C30。剪力墙厚度：首层为300mm，标准层为250~200mm。支墩采用型钢混凝土，其截面为1400mm×1400mm，型钢截面为十字形的双H800×220×18×18(Q345B)。隔震层转换梁为型钢混凝土梁，截面为900mm×1200mm，内置型钢截面为H900×200×16×16(Q345B)。楼板厚度：隔震层顶板为180mm，标准层为100mm，屋面为120mm。

图4   标准层建筑平面图

3      结构计算与分析

3.1   设计性能目标

结构各部分具体性能目标见表1。

3.2   隔震支座布置

该塔楼布置铅锌橡胶支座（LRB）和天然橡胶支座（LNR）共26个（图5），直径为1000~1200mm。其中，LRB1000与LRB1100各6个，LRB1200为8个，LNR1000为2个，LNR1100为4个。

图5    隔震支座布置平面图

3.3   隔震分析

3.3.1  计算模型

计算隔震结构在剪切变形100%时的动力特性，隔震前、后结构的前3阶振型周期见表2。

3.3.2  时程分析

（1）时程函数输入

根据抗规选取了5条天然波（IMP，N2615，N2893，N746，TAF波）和2条人工波（REN1，REN2波），对比7条地震波和规范反应谱曲线（图6）可得，7条地震波的峰值加速度、有效持续时间都可较好地满足抗规要求。

图6  时程反应谱与规范反应谱曲线

（2）水平减震系数

由中震下非线性时程分析可得，结构隔震前后的X向层间剪力和倾覆力矩的比值及平均比值见图7。取结构两个方向两者平均比值的最大值作为水平向减震系数，其值为0.368，因此，隔震结构具有良好的减震效果。

图7   隔震前、后结构X向层间剪力及倾覆力矩的比值

（3）其他主要成果

中震作用下仅下部有部分连梁屈服，大震作用下部分连梁屈服且底部少量墙肢屈服；上部结构最大层间位移角为：中震时1/893，大震时1/537，满足性能设计目标。

3.3.3  隔震计算主要控制性指标

（1）隔震系统偏心率

隔震系统的偏心率为：X向0.11%，Y向0.27%，上部结构质心与隔震层刚心基本重合。

（2）楼层最小剪力系数

上部结构设计时，隔震后水平地震影响系数最大值αmax1实际取0.08，计算的楼层剪力系数最小值为：X向2.44%，Y向2.48%；隔震后结构基本周期为4.673s，介于3.5~5.0s之间，按8度抗规要求的最小楼层剪力系数为2.574%，故两方向计算值均小于抗规的限值2.574%，且不满足的楼层为底部2层（占总楼层数的7%），通过全楼地震作用放大系数取1.06重新计算，调整后结构两方向最小楼层剪力系数分别为2.586%与2.629%，可满足抗规要求。

（3）支座应力与变形验算

大震组合下支座最大压应力、最大拉应力分别见图8、9。均满足相关要求。

（4）抗风验算

根据《叠层橡胶支座隔震技术规程》（CECS 126：2001）第4.3.4条的规定，对抗风装置进行验算，其结果为：风荷载设计值为3400kN，小于各铅芯支座的屈服力之和6100kN，满足要求。

3.4   隔震构造

（1）隔震层房屋周边设置水平隔震沟，沟宽及所有穿越隔震层的构件和设备管线的防碰撞宽度按不小于罕遇地震时最大水平位移的1.2倍，取600mm。

（2）上部结构与下部结构之间（如隔墙、通风井等）设置了完全贯通的水平隔离缝，缝高20mm，用柔性材料填充。隔震层及以下的楼梯、电梯设置分缝、隔离井，防止碰撞。

（3）设备各专业的隔震构造原则按《建筑结构隔震构造详图》（03SG610-1）设计，并针对项目进行专门的构造设计。

（4）按建筑防火要求，采用外包防火板做法，隔震支座的耐火时限满足要求，且其构造做法不得限制和影响隔震支座在地震时的自由变形。

（5）应定期观察隔震支座的变形及外观，经常检查和清除可能限制隔震位移的障碍物，且地震后应及时检查或修复。

4      结构设计中的关键问题

4.1   减震效果与结构经济性

采用3种大直径支座，LRB与LNR混合布置，LRB支座布置在抗扭有利位置，并控制隔震层偏心率。

采用隔震技术获得了良好的整体经济性，直接建设成本增加约27元/m2，但计入地下室增加车位的因素后实际建造成本可与非隔震方案基本持平；而隔震建筑可对主体结构、围护结构及人员财产实现三重保护，并且对超烈度地震作用也具有较好的适应性，从根本上避免或大大降低了中、大震下的直接和间接经济损失。

4.2   下部结构与基础构件设计

隔震层顶盖按上部结构整体计算，基础抗震验算仍按本地区设防烈度确定。下部结构为钢筋混凝土框架-剪力墙结构，通过对不同构件采用相应水准的地震内力组合进行计算控制，确保达到抗规和性能目标的要求。

4.3   支座更换设计

由于房屋高度大，单个隔震支座轴力很大，房屋建设、使用过程中或遭受大地震时可能出现支座更换，因此需要进行更换支座（图10）模拟验算和设计。

设计更换支座的方案为：1）在地下室隔震支墩端柱外设置钢筋混凝土宽厚剪力墙翼墙，作为支座更换时的下承重构件；2）利用隔震层顶盖的型钢混凝土梁作为支座更换时的上承重构件；3）隔震层在需要更换的支座附近，在上承重型钢混凝土梁与下承重墙之间设置千斤顶组，千斤顶上下可设置钢结构或混凝土临时垫块，千斤顶顶升承重后即可更换隔震支座；4）上承重型钢混凝土梁承载力（抗弯4600kN·m，抗剪6135kN）可满足要求，下承重剪力墙承载力可满足要求，基础因荷载未增加、更换时间短且分布变化较小也满足要求；5）具体隔震装置的更换细节方案，需协同制作、安装、维护等各方进行施工专项设计。

图10   隔震支座更换装配示意图

更多详情参见《建筑结构》2016年第11期文章，题目：《昆明天湖景秀棚改项目百米高住宅隔震结构设计》；作者：罗强军，谈  燕，郭明星，潘凯云，商黔建，高国家；单位：云南怡成建筑设计有限公司。