高层建筑结构隔震设计关键问题的探究

    陈燕友

    

    [摘要]高层建筑在设计施工中，如何保证安全性和稳定性，成为从业人员的关注重点。本文首先介绍了隔震装置的结构组成，然后指出高层建筑结构隔震设计要求，最后阐述了隔震设计的关键问题，以供参考。

    [关键词]高层建筑;隔震设计;要求;关键问题

    文章编号：2095 - 4085（ 2019） 04 - 0030 - 02

    隔震技术指的是在建、构筑物的基底部位，设置隔震装置，能对地震产生的能量进行隔离或消减，避免或减少地震能量传输给上部结构，从而减轻结构损害，保证震时建、构筑物的安全性。该技术最初应用在中低层建筑中，近年来又推广到高层建筑，实践证实具有良好的效果。以下探讨了高层建筑结构隔震设计问题。

    1 隔震装置的结构组成

    在建筑结构中，隔震装置是由以下三个部分组成。

    第一，隔震支座。作用是支承上部结构的重量，延长结构的自振周期，可以应对较大变形。常见支座类型如下。①滑动支座。在上部结构和平板基础之间使用滚珠，可以隔开地面运动，避免结构产生振动。实际应用时，需要配合风稳定装置与辅助复位装置。②叠层橡胶支座。使用橡胶片和薄钢板相互叠合而成，将钢板嵌入橡胶内，可避免发生锈蚀。其中，叠层橡胶具有良好的非线性特征，能有效应对结构小变形或大变形，减轻地震反应[1]。③摩擦摆支座。类似于铰装置，上部是摆头，下部是承台，中间是网状增强纤维，通过摩擦阻力耗散地震能量，并在自重作用下恢复原始位置。

    第二，阻尼器。作用是消耗地震产生的能量，阻止结构发生较大的位移。常见阻尼器类型有，①弹塑性阻尼器。塑性变形能力强，可在超过屈服应变的条件下使用。②铅棒阻尼器。面对强震铅棒可以软化，用来损耗振动能量。③干摩擦阻尼器。由叠层橡胶支座+摩擦板组成，既能产生阻尼，又具有保护作用。

    第三，复位装置。作用是提高装置的早期刚度，促使结构在风载与微震作用下具备较高安全性。一般需要设置微震和风反应控制装置，抗倾覆支座。

    2高层建筑结构隔震设计要求

    2.1适用范围

    隔震技术适用于高烈度地区或功能要求高的建筑物，具体如下[2]。①不隔震时，建筑结构周期在Is以内的砌体结构，钢混框架结构;②外观形态规则，可采用底部剪力法的建筑结构;③建筑場地为1-3类，且基础稳定的建筑结构;④风，地震，水平荷载在结构总重力中占比<10%的建筑结构。

    2.2设计要求

    在设计方案上，综合考虑场地条件，抗震设防类别，设防烈度，使用要求，主体结构等要素，针对不同设计方案，从技术性，经济性两个方面进行比较，从而确定最佳设计方案。在设防目标上，要求抗震设防目标高于抗震建筑。其中，水平方向上要比抗震结构高出0.5个设防烈度，竖直方向上不低于抗震结构的设防烈度即可[3]。在隔震部件上，要在设计文件中明确隔震部件的性能，经试验确定设计参数，耐久性指标，并在施工前抽样检测，要求合格率达到100%。

    2.3隔震层设置

    隔震层设置时，满足以下要求。①阻尼与抗风装置可以独立设置，也可以融为一体，必要时使用限位器。②隔震层的刚度中心，上部结构的质量中心，两者应该相互重合。③支座的平面位置，上、下部结构竖向受力构件的平面位置，两者要相互对应。④在同一支承部位，如果使用多个隔震支座，设置间距时要预留出合适的操作空间。⑤抗风装置对称设置，分布在建筑物的周围。

    3高层建筑结构隔震设计的关键问题

    3.1减震效果问题

    高层建筑本身周期长，其中高度为lOOm的建筑周期约为2. 5s，采用隔震技术后周期能延长至3.5S[4]。依据《建筑抗震设计规范》，长周期高层建筑在隔震设计前后，地震剪力的变化不大，隔震效果不佳，然而实际工程并不是这样。以某高层建筑为例，共计23层，纵向、横向长度为50. 6m、26. 2m，高度约90m，局部最高为97. 2m。采用等效分析法，计算隔震前后基底部位的剪力见表l。分析可知，采用隔震技术后，高层建筑的等效周期从2. 4s延长至

    4. 3s，因此减震效果比较明显。

    3.2支座受拉问题

    和多层建筑相比，高层建筑在水平地震作用下，倾覆效应更明显。采用隔震技术，在大地震作用下，隔震支座可能产生拉应力。考虑到叠层橡胶支座的抗拉性能差，成为影响减震效果的因素之一。分析认为，隔震支座受拉，是因为水平地震荷载产生的倾覆力，竖向地震振动的作用力，超出结构自重对支座施加的压力。对此，解决措施如下。一是增大支座承受的重力荷载范围。二是减小地震荷载产生的倾覆力。三是提高支座的抗拉能力。以框架一抗震墙结构为例，边缘柱和隔震支座承受的竖向重力荷载小于其它内柱，但倾覆力引起的轴力大于其他内柱，因此边缘隔震支座更容易产生拉应力。对抗震墙进行设计时，将其设置在边缘部位，有利于隔震支座受拉。

    3.3支座面压问题

    高层建筑在使用中，隔震支座长期承受上部结构的重量，面对地震可能发生水平位移。在上部结构重量与地震力的双重作用下，对滑移类支座的承压面积影响不大，对叠层橡胶支座的承压面积影响大，因承压面积减小，导致承载能力降低[5]。结合规范标准，采用隔震支座验算法，存在的问题如下。①计算支座的平均压应力时，要考虑到地震作用，如此会导致支座直径偏差增大，不仅提高了成本，也会加大隔震层的水平刚度，不利于隔震效果。②在罕遇地震作用下，没有对隔震支座的面压进行验算，只是限制了支座的水平变形，难以保证支座的安全稳定性。对此，其一在长期荷载作用下，只需验算长期荷载对隔震支座产生的面压即可，不需利用设计值进行验算，也不需要考虑地震作用。其二，面对罕遇地震，可适当放宽设计平均压力限值，采用极限面压一变形关系曲线进行变形控制。

    3.4地震响应问题

    在隔震设计上，普遍采用以下理念。①针对不同阻尼比，绘制结构加速度反应谱曲线，采用等效线性法计算隔震层位移，基底剪力。②利用非线性时程分析法，分析隔震结构，得到上部结构的速度，位移，加速度。③要求以上两种方法的误差小，具有可比性。在工程实践中，发现两种方法的误差较大，原因在于两点。一是在规范中，长周期段地震影响系数值偏高。二是结构阻尼>5%时，阻尼调整系数也会增大。对此，设计时应该注意提高建筑结构的延性，优化阻尼调整系数，以便在地震作用下，能有效吸收地震能量，保证结构稳定性。

    4结语

    综上所述，高层建筑在设计期间，隔震设计是一个重点。本文介绍了隔震装置的结构组成，指出隔震技术的适用范围和设计要求，并从减震效果，支座受拉，支座面压，地震响应四个方面，介绍了隔震装置设计的关键问题。希望为类似工程提供经验借鉴，以保证建筑结构的安全性和稳定性。

    参考文献：

    [1]杨参天，解琳琳，李爱群，等，适用于高层隔震结构的地震动强度指标研究[J].工程力学，2018，35（8）：21 -29.

    [2]吴昊，浅谈高层建筑结构设计中的隔震减震措施[J].工程建设与设计，2018，（18）：10 -11.

    [3]宋廷苏，阿拉塔，管庆松，等，近断层速度脉冲型地震动对隔震结构设计影响初探[J].建筑钢结构进展，2018，20 （4）：1-11.

    [4]徐媛.高层建筑结构设计中的隔震减震措施解析[J].装饰装修天地，2018，（15）：179.

    [5]李迪.分析高层建筑隔震设计问题[J].建筑工程技术与设计，2017，（32）：2827.