超高層隔震建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

趙思強(qiáng)　楊志文

摘 要：國(guó)內(nèi)中低層隔震建筑物發(fā)展已漸成熟，國(guó)外由鉛心橡膠隔震組件與消能組件組合或多種隔震組件組合(如滑動(dòng)隔震組件、磨擦單擺隔震組件、滾動(dòng)隔震組件)所構(gòu)成之隔震系統(tǒng)經(jīng)多次地震驗(yàn)證其性能，證實(shí)可行，并使用于超高層建筑物；國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段采用隔震系統(tǒng)之超高層建筑物受日本影響已見起步，本文特以日本大阪西梅田大樓、南堀江大樓兩棟超高層建筑為例，說明超高層隔震建筑之設(shè)計(jì)、施工等原則，作為國(guó)內(nèi)推動(dòng)超高層隔震建筑設(shè)計(jì)與施工之參考。

關(guān)鍵詞：建筑物；隔震；消能；參考

1 耐震建筑物、隔震建筑物與消能建筑物

中國(guó)大部分地區(qū)地處環(huán)太平洋地震帶上，每年發(fā)生大地震機(jī)率甚高，因此建筑物之耐震設(shè)計(jì)非常重要。傳統(tǒng)建筑物采用耐震設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)物，主要考慮強(qiáng)度與韌性，5.12地震后，由業(yè)界引進(jìn)兩種耐震新技術(shù)，一為隔震，另一為消能。其技術(shù)由研究階段邁入實(shí)際應(yīng)用階段。此兩種耐震新技術(shù)在日本阪神地震發(fā)生后，蓬勃發(fā)展；中國(guó)大部分地區(qū)與其它世界各主要受強(qiáng)震侵襲國(guó)家也不例外。自2008年5.12集集地震發(fā)生后，國(guó)內(nèi)采用隔震消能新技術(shù)的建筑物案例與日俱增，規(guī)范也適應(yīng)時(shí)勢(shì)所驅(qū)，于耐震規(guī)范中列入專章包括了有關(guān)隔震與消能設(shè)計(jì)的規(guī)定。

1.1 耐震建筑物

耐震建筑物耐震設(shè)計(jì)之基本原則，系使建筑物結(jié)構(gòu)體在中小度地震時(shí)保持在彈性限度內(nèi)，設(shè)計(jì)地震時(shí)容許產(chǎn)生塑性變形，但韌性需求不得超過容許韌性容量，最大考慮地震時(shí)則使用之韌性可以達(dá)規(guī)定之韌性容量。

1.1.1 中小度地震：為回歸期約30年之地震，其50年超越機(jī)率約為80%左右，所以在建筑物使用年限中發(fā)生的機(jī)率相當(dāng)高，因此要求建筑物于此中小度地震下結(jié)構(gòu)體保持在彈性限度內(nèi)，使地震過后，建筑物結(jié)構(gòu)體沒有任何損壞，以避免建筑物需在中小度地震后修補(bǔ)之麻煩。一般而言，對(duì)高韌性容量的建筑物而言，此一目標(biāo)?？刂破淠驼鹪O(shè)計(jì)。

1.1.2 設(shè)計(jì)地震：為回歸期475年之地震，其50年超越機(jī)率約為10 %左右。于此地震水平下建筑物不得產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞，以避免造成嚴(yán)重的人命及財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)重要建筑物而言，其對(duì)應(yīng)的回歸期更長(zhǎng)。于設(shè)計(jì)地震下若限制建筑物仍須保持彈性，殊不經(jīng)濟(jì)，因此容許建筑物在一些特定位置如梁之端部產(chǎn)生塑鉸，藉以消耗地震能量，并降低建筑物所受之地震反應(yīng)，乃對(duì)付地震的經(jīng)濟(jì)做法。為防止過于嚴(yán)重之不可修護(hù)的損壞，建筑物產(chǎn)生的韌性比不得超過容許韌性容量。

1.1.3 最大考慮地震：為回歸期2500年之地震，其50年超越機(jī)率約為2%左右。設(shè)計(jì)目標(biāo)在使建筑物于此罕見之烈震下不產(chǎn)生崩塌，以避免造成嚴(yán)重之損失或造成二次災(zāi)害。因?yàn)榈卣鹬揭呀?jīng)為最大考慮地震，若還限制其韌性容量之使用，殊不經(jīng)濟(jì)，所以允許結(jié)構(gòu)物使用之韌性可以達(dá)到其韌性容量。

1.2 隔震建筑物

隔震建筑物系在建筑物基面設(shè)置隔震層。該隔震層系由側(cè)向勁度很低的隔震組件構(gòu)成，讓整體隔震建筑物之周期大幅拉長(zhǎng)，藉以降低作用在結(jié)構(gòu)物上之地震力。然因周期增加后，建筑物之位移增加很多，因此再配合消能組件，提高系統(tǒng)的阻尼比，進(jìn)而降低位移量。最常用的隔震組件為鉛心橡膠支承墊(Lead rubber bearing，簡(jiǎn)稱LRB)，中間所加之鉛心，就是來提供消能的，而拉長(zhǎng)周期就靠橡膠層受水平剪力作用時(shí)具有低勁度的特性來達(dá)成。LRB消能的特性很穩(wěn)定，雖經(jīng)過多周次之作用，其強(qiáng)度、勁度及消能之能力并沒有明顯的衰減。

隔震建筑物另有一個(gè)特性，就是因?yàn)楦粽饘酉鄬?duì)于上部結(jié)構(gòu)軟了許多，因此當(dāng)其受地震水平力作用時(shí)，隔震層的相對(duì)變位很大，而上部結(jié)構(gòu)的相對(duì)變位很小。因此有時(shí)為簡(jiǎn)單計(jì)，可以將上部結(jié)構(gòu)視為剛體。

1.3 消能建筑物

消能建筑物就是加上一些阻尼器，藉增加建筑物的阻尼比來達(dá)到耐震的目的。依據(jù)耐震設(shè)計(jì)規(guī)范10.2節(jié)之定義，消能組件概分為位移型、速度型與其它型式。位移型消能組件顯現(xiàn)剛塑性(摩擦組件)、雙線性(金屬降伏組件)或三線性遲滯行為，且其反應(yīng)需與速度及激振頻率無關(guān)。速度型消能組件因不同的阻尼比、勁度及材料可分為：包含固態(tài)與液態(tài)之黏彈性組件及液態(tài)黏滯性組件。第三類(其它)則含括所有不屬于位移型與速度型的消能組件，其典型范例包括形狀記憶合金(超彈性效應(yīng))、摩擦.彈簧組件，以及兼具回復(fù)力與阻尼的液態(tài)消能組件。

2 世界各國(guó)隔震建筑物發(fā)展現(xiàn)況

各國(guó)推展隔震建筑物數(shù)量不一，不過有一共通點(diǎn)，即大地震來臨，往往成為催生者。如美國(guó)北嶺地震(1994)，日本阪神地震(1995)，中國(guó)大部分地區(qū)集集地震(2008)等，雖然地震造成工程產(chǎn)官學(xué)界痛定思痛之痛楚，但經(jīng)由其它建筑物損壞情形，終于肯定隔震建筑物在地震中的優(yōu)越性。

3 耐震建筑與隔震建筑造價(jià)比較

由日本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，隔震建筑物與耐震建筑物造價(jià)比較，建筑物高度在25m以下，隔震建筑物造價(jià)約為耐震建筑物造價(jià)之105%-109%；建筑物高度在25m-31m，隔震建筑物造價(jià)約為耐震建筑物造價(jià)之102%-104%；建筑物高度在31m以上，隔震建筑物造價(jià)約為耐震建筑物造價(jià)之99%-103%。

另比較隔震建筑物結(jié)構(gòu)造價(jià)比較，辦公室隔震建筑物之結(jié)構(gòu)費(fèi)用約占建筑物費(fèi)用之18%，旅館建筑隔震建筑物之結(jié)構(gòu)費(fèi)用約占建筑物費(fèi)用之13%，醫(yī)院隔震建筑物之結(jié)構(gòu)費(fèi)用約占建筑物費(fèi)用之8%。顯示越重要之建筑物，采用隔震建筑物設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)費(fèi)用相對(duì)最經(jīng)濟(jì)。

4 隔震建筑新趨勢(shì)

高層與超高層隔震建筑物，目前日本最高隔震建筑物為位于大阪城之西梅田超高層計(jì)劃，地下1層，地上50層，屋突2層(SRC+RC)，基礎(chǔ)隔震，樓高177.4M，高寬比5.8：1，隔震型式有滑動(dòng)支承，積層橡膠墊，及U型鋼板消能器+fluid damper。

5 超高層隔震建筑物設(shè)計(jì)技術(shù)

超高層隔震建筑物設(shè)計(jì)技術(shù)主要有下列關(guān)鍵因素：

5.1 長(zhǎng)周期建筑物之隔震效果

隔震建筑物之最優(yōu)越抗震效果即在延長(zhǎng)建筑物基本振動(dòng)周期，但高層建筑物基本振動(dòng)周期往往超過3秒，隔震后即使將建筑物基本振動(dòng)周期拉長(zhǎng)至5秒以上，由反應(yīng)譜顯示，兩者加速度反應(yīng)相差有限。但是在增加阻尼比降低地震位移反應(yīng)，則有其貢獻(xiàn)。

5.2 傾覆作用造成隔震組件受拉力

隔震組件設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮拉力作用，因此拉力試驗(yàn)成為規(guī)范修訂之首要任務(wù)。

5.3 風(fēng)力作用

隔震層設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮地震力作用，但是小地震或風(fēng)力作用，隔震組件是否發(fā)揮功能？仍有待深入探討。

結(jié)論

目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)超高層隔震建筑物設(shè)計(jì)與施工之相關(guān)研究仍相當(dāng)欠缺，已完成之研究報(bào)告仍有待產(chǎn)、官、學(xué)之意見補(bǔ)充，使研究成果得以展現(xiàn)，鑒于隔震建筑日趨普及，隔震建筑設(shè)計(jì)審查、隔震消能材料認(rèn)證與驗(yàn)證機(jī)制、以及評(píng)定機(jī)構(gòu)之指定工作，已刻不容緩，如何有效結(jié)合產(chǎn)、官、學(xué)三方，盡早訂定完善之超高層隔震建筑設(shè)計(jì)審查機(jī)制、隔震消能材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、以及裝設(shè)前中后之檢測(cè)，實(shí)為當(dāng)務(wù)之急。本文認(rèn)為，在相關(guān)機(jī)制與配套措施均付之闕如下，隔震建筑物是否得以應(yīng)付2500年以上之最大地震折磨尚待深入探討，則超高層隔震建筑物發(fā)展，應(yīng)在上述疑慮未澄清前，應(yīng)采取更為保守之作為。

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