淺談高層建筑結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)隔震技術(shù)

陶其鳳

摘要：本文結(jié)合高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特點(diǎn)，對(duì)高層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)紐成和隔震原理進(jìn)行了研究，并詳細(xì)分析高層膈震體系的特殊性，為高層建筑抗震領(lǐng)域的研究提供指導(dǎo)和幫助。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；隔震體系；技術(shù)

建筑的誕生之初就被認(rèn)為是技術(shù)與審美融合的產(chǎn)物。這就意味著一個(gè)好的建筑，它必經(jīng)得起適用性、經(jīng)濟(jì)性與美觀性這三重考驗(yàn)。而伴隨著高層建筑在我國(guó)的迅速發(fā)展和建筑高度的不斷增加，高層建筑的安全性，堅(jiān)固耐用性亦成為人們所追求的目標(biāo)。

一、高層建筑的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)理念

現(xiàn)代的高層建筑變得越來(lái)越纖細(xì)，產(chǎn)生更大側(cè)移的可能性比以往大體積的多層高樓要大。建筑愈高，自然界所產(chǎn)生的重力荷載、風(fēng)荷載和地震荷載的影響愈大。正因?yàn)槿绱?，抵消這些荷載的結(jié)構(gòu)作用成為高層建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。高層建筑對(duì)側(cè)向荷載的動(dòng)力反應(yīng)，可以通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以及選擇有效建筑形式的措施加以控制。因此，高層建筑的形式在很大程度上和結(jié)構(gòu)的有效性有關(guān)，這也就決定了建筑的經(jīng)濟(jì)性。建筑的結(jié)構(gòu)性能可以定義為建筑承受荷載以及抵抗側(cè)移的能力，同時(shí)也決定著建筑各體量的組成。

從表象層面看，建筑表現(xiàn)為空間方面的概念的形式是表現(xiàn)總體環(huán)境的。對(duì)于某個(gè)建筑物最初方案設(shè)計(jì)。建筑師考慮更多的是它的空間組成特點(diǎn)，而不是詳細(xì)地確定它的具體結(jié)構(gòu)。但是，關(guān)于空間形式的整體設(shè)想，也要求建筑師必須考慮建筑形式中有關(guān)荷載與抗力之間關(guān)系的某些準(zhǔn)則。即結(jié)構(gòu)概念。這包括以下幾方面：一是所設(shè)想的空間形式應(yīng)當(dāng)固定在地面上。二是所設(shè)想的空間形式必須能抵抗水平風(fēng)力作用的地震作用。所以，在進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，建筑師的基本任務(wù)是；一方面要與結(jié)構(gòu)工程師及其他工程技術(shù)人員協(xié)調(diào)合作，另一方面要根據(jù)建筑功能要求、建筑立意，場(chǎng)地情況、外力特征，施工條件及效率等因素，尋找出最經(jīng)濟(jì)、合理、美觀的建筑方案。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊性

（一）水平荷載成為決定因素。一方面。因?yàn)闃欠孔灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與樓房高度的一次方成正比，而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面，對(duì)某一定高度樓房來(lái)說(shuō)，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同而有較大幅度的變化。

（二）軸向變形不容忽視。高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會(huì)對(duì)連續(xù)粱彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負(fù)彎矩值增大，還會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計(jì)算值，對(duì)下料長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。另外對(duì)構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響，與考慮構(gòu)件豎向變形比較，會(huì)得出偏于不安全的結(jié)果。

（三）側(cè)移成為控制指標(biāo)。與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。

（四）結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。相對(duì)于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧瑏?lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

三、高層隔震體系的特殊性

高層、超高層隕震體系與常規(guī)的隔震體系相比，具有特殊性。首先對(duì)高層隔震建筑，上部結(jié)構(gòu)不能滿足剛體運(yùn)動(dòng)的假定，高振型反應(yīng)分量的影響不能忽視，不能簡(jiǎn)單地以結(jié)構(gòu)第一振型為主確定上部結(jié)構(gòu)反應(yīng)；二是由于高層、超高層結(jié)構(gòu)的水平地震力產(chǎn)生的傾覆力矩比較大，在較大地震和強(qiáng)風(fēng)作用下，隔震支座可能會(huì)有拉應(yīng)力的出現(xiàn)，如何避免和控制隔震支座的拉應(yīng)力是一個(gè)問(wèn)題。三是高層、超高層的自振周期都比較長(zhǎng)，所以必須進(jìn)一步延長(zhǎng)高層、超高層隔震建筑的基本周期，以達(dá)到更好的隔震效果。低彈性、大變形能力的隔震支座的開(kāi)發(fā)和性能研究是在強(qiáng)震和強(qiáng)風(fēng)作用下的各種分析，具有較高的研究?jī)r(jià)值和重大的工程意義。

四、高層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)組成

基礎(chǔ)隔震建筑體系通過(guò)在建筑物的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震層，將建筑物分為上部結(jié)構(gòu)、隔震層和下部結(jié)構(gòu)3部分。地震能量經(jīng)由下部分結(jié)構(gòu)傳到隔震層，大部分被隔震層的隔震裝置吸收，僅有少部分傳到上部結(jié)構(gòu)，從而大大減輕地震作用，提高隔震建筑的安全性。經(jīng)過(guò)人們不斷的探索，如今基礎(chǔ)隔震技術(shù)已經(jīng)系統(tǒng)化、實(shí)用化，它包括摩擦滑移系統(tǒng)，疊層橡膠支座系統(tǒng)、摩擦擺系統(tǒng)等。目前工程最常用的是疊層像膠支座隔震系統(tǒng)。這種隔震系統(tǒng)。性能穩(wěn)定可靠，采用專門的疊層橡膠支座作為隔震元件，該支座是由一層層的薄鋼板和橡膠相互盛置，經(jīng)過(guò)專門的硫化工藝粘合而成，其結(jié)構(gòu)、配方、工藝需要特殊的設(shè)計(jì)，屬于一種橡膠厚制品。目前常用的橡膠隔震支座有：天然橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座等。

五、高層基礎(chǔ)隔震技術(shù)原理

傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)是通過(guò)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件來(lái)抵抗并消耗地震能量的，設(shè)計(jì)時(shí)將地震作用力作為一種外加荷載，與作用在結(jié)構(gòu)上的其他荷載進(jìn)行組合來(lái)設(shè)計(jì)和驗(yàn)算結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)和使用要求。隔震建筑則增加了專門的變形和耗能裝置：橡膠隔震支座和阻尼器（如鉛阻尼器、油阻尼器、鋼棒阻尼器、粘彈性阻尼器、滑板支座等）橡膠隔震支座具有提供豎向承載能力、彈性得位能力、良好的變形能力等特性。此外鉛芯橡膠隔震支座同時(shí)還具有消耗地震能量的耗能特性。另一方面，傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系中，低層震建筑的周期延長(zhǎng)到2—5秒，有效地降低了結(jié)構(gòu)的地震加速度反應(yīng)。

采用隔震技術(shù)，上部結(jié)構(gòu)的地震作用一般可減小3—6倍，地震時(shí)建筑物上部結(jié)構(gòu)的反應(yīng)以第一振型為主。類似干剛體平動(dòng)，基本無(wú)反應(yīng)放大作用，通過(guò)隔震層的相對(duì)大位移來(lái)降低上部結(jié)構(gòu)所受的地震荷載。按照較高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和采用基礎(chǔ)隔震措施后，地震時(shí)上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)很小，結(jié)構(gòu)構(gòu)件和內(nèi)部設(shè)備都不會(huì)發(fā)生破壞或喪失正常的使用功能，在房屋內(nèi)部工作和生活的人員不僅不會(huì)遭受傷害。也不會(huì)感受到強(qiáng)烈的搖晃，強(qiáng)震發(fā)生后人員無(wú)需疏散，房屋無(wú)需修理或僅需一般修理。從而保證建筑物的安全甚至避免非結(jié)構(gòu)構(gòu)件如設(shè)備、裝修破、壞等次生災(zāi)害的發(fā)生。（作者單位：南京恒友腳手架工程有限公司）

參考文獻(xiàn)：

[1]姚亞雄.建筑創(chuàng)作與結(jié)構(gòu)形態(tài)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2000.

[2]美國(guó)高層建筑和城市環(huán)境協(xié)會(huì).高層建筑設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[3]雷春濃.現(xiàn)代高層建筑設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.