淺議高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的隔震減震措施

王海

摘要：在高層建筑建設(shè)過程中，能否充分的考慮到建筑本身的抗震問題，并且能夠使用有效的措施來使其能夠在長時間內(nèi)抵抗一定強(qiáng)度的地震，是當(dāng)前高層建筑工程中的重點研究項目之一，這對于建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性有著十分重要的影響，長久以來，很多建筑工程設(shè)計技術(shù)人員都是秉著小震不塌，大震能修的原則來進(jìn)行其結(jié)構(gòu)設(shè)計的，但是由于受到來自各個方面的影響，該方面的工作仍然存在著一些問題。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；隔震減震

1隔震減震結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施以及其維護(hù)管理

隔震減震結(jié)構(gòu)的構(gòu)造主要包括隔震底座的設(shè)計和布置、隔震支座和建筑上、下部結(jié)構(gòu)的連接、隔震層的梁、柱、墩和板的加強(qiáng)，隔震層所安置的防火措施，便于操作和更換隔震底座的空間等一系列隔震裝置。在高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，除了以上結(jié)構(gòu)的施工設(shè)計需要考慮之外，還要注意防震縫和水平隔離縫的設(shè)置和維修，樓梯、電梯以及擋土墻和坡道等隔震層的設(shè)置，還有建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)部配管和配線等設(shè)備的構(gòu)造和設(shè)計，也是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中必不可少的一部分，這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計和設(shè)定都會直接對建筑物在日后投入運(yùn)營之后的抗震能力起到至關(guān)重要的作用。高層建筑內(nèi)部不同的隔震減震結(jié)構(gòu)也應(yīng)該有不同的保護(hù)和維修方案，在日常的使用過程中，要有一項針對性較強(qiáng)的維護(hù)管理措施，要保證隔震層不管在任何時候都能夠正常發(fā)揮其所擁有的功能，尤其是高層建筑，采用隔震技術(shù)的住宅一定要明確了解其對于隔震層裝置和設(shè)備維護(hù)管理的責(zé)任，結(jié)構(gòu)設(shè)計者有必要對其進(jìn)行說明，并給予建筑管理工作者一定的指導(dǎo)和幫助，以此來讓建筑管理工作者認(rèn)識到建筑減震隔震層正常工作的重要性和建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部隔震結(jié)構(gòu)的特殊性。

2建筑隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計

2.1建筑隔震體系的組成。隔震系統(tǒng)由隔震支座、阻尼器、抗風(fēng)裝置、限位裝置等組成，隔震系統(tǒng)須具備三項基本功能：可靠支撐上部結(jié)構(gòu)的豎向承載能力、水平向耗能隔震能力、震后自復(fù)位能力。隔震系統(tǒng)通常設(shè)置在基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間，故又稱之為隔震層，建筑隔震體系由上部結(jié)構(gòu)、隔震層和下部結(jié)構(gòu)三部分組成。隔震房屋常選用疊層橡膠支座，主要類型為普通橡膠支座和鉛芯橡膠支座。疊層橡膠支座的主要性能參數(shù)有：水平和豎向剛度、豎向承載力、屈服后的剛度比、水平變形能力、阻尼比等。疊層橡膠支座抗拉屈服強(qiáng)度較低，抗震設(shè)計時應(yīng)盡量避免其受拉，宜通過控制建筑物高寬比來控制結(jié)構(gòu)整體傾覆力矩，防止支座壓屈破壞或拉應(yīng)力超過1Mpa。

2.2隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法。隔震設(shè)計前應(yīng)對建筑物的結(jié)構(gòu)形式、荷載、所在地區(qū)設(shè)防烈度等認(rèn)真分析，設(shè)定經(jīng)濟(jì)合理的預(yù)期控制目標(biāo)。預(yù)估隔震結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的水平向減震系數(shù)和隔震層在罕遇地震下的最大位移，隔震支座的規(guī)格、數(shù)量和布置形式應(yīng)根據(jù)其材料性能參數(shù)通過計算確定。隔震結(jié)構(gòu)通常采用分部設(shè)計法，即將整個隔震結(jié)構(gòu)分為上部結(jié)構(gòu)、隔震層和下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)，分別進(jìn)行設(shè)計。上部結(jié)構(gòu)計算仍采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)多遇地震下的振型分解反應(yīng)譜法，水平地震作用下的地震加速度和地震影響系數(shù)最大值采用隔震以后的折算值，豎向地震作用不降低；隔震層除滿足正常使用狀況下豎向承載力要求外，還應(yīng)滿足罕遇地震下的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力以及隔震支座的位移，隔震層與上下部結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行罕遇地震下強(qiáng)度驗算；下部結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行設(shè)防地震的抗震承載力驗算，并按罕遇地震進(jìn)行抗剪承載力驗算；地基基礎(chǔ)的抗震驗算不考慮隔震產(chǎn)生的減震效應(yīng)，按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度設(shè)計。

2.3隔震結(jié)構(gòu)的計算分析。建立隔震和非隔震兩種計算模型，按抗震規(guī)范要求選取一定數(shù)量的地震波，其中地震影響系數(shù)最大值和峰值加速度按設(shè)防地震輸入，兩種模型應(yīng)選用在統(tǒng)計意義上相符的相同地震波，分別采用時程分析法計算各層剪力包絡(luò)值。對于多層建筑，隔震與非隔震結(jié)構(gòu)各層層間剪力的最大比值即為水平向減震系數(shù)β。隔震后的水平地震影響系數(shù)最大值αmax1=βαmax/ψ，其中αmax為非隔震的地震影響系數(shù)最大值，ψ為調(diào)整系數(shù)，一般取0.80，αmax1減小相當(dāng)于降低了設(shè)防地震烈度，上部結(jié)構(gòu)可用多遇地震振型分解反應(yīng)譜法按降低烈度后的普通抗震結(jié)構(gòu)計算。隔震后的設(shè)防地震烈度和加速度以減震系數(shù)0.40劃分界限，隔震結(jié)構(gòu)抗震等級按照降低后的烈度取值，隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計最小水平地震烈度不得低于6度。如某工程抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計基本地震加速度值0.2g，隔震設(shè)計模型計算所得水平向減震系數(shù)0.35<0.40，根據(jù)規(guī)范隔震后結(jié)構(gòu)水平地震作用所對應(yīng)的設(shè)防地震烈度7度，設(shè)計基本地震加速度值0.1g，即采用此隔震技術(shù)本工程結(jié)構(gòu)能達(dá)到降低一度設(shè)防的目標(biāo)。

3減震措施

建筑物場地的實際種類一般影響著隔震技術(shù)使用，當(dāng)下的工程實踐活動表明，硬土場地比較適合應(yīng)用構(gòu)造隔震房屋，在弱土場地構(gòu)造隔震房屋相反可能會增加地震損害，這主要因為弱土場地通常會過濾地震波內(nèi)部的高頻分量，以此來延長結(jié)構(gòu)周期，增強(qiáng)地震效應(yīng)。由此可知，選擇消能隔震技術(shù)之前需全面調(diào)查建筑場地，仔細(xì)分析。

3.1基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)隔震指代針對建筑基礎(chǔ)部分減小地震波，進(jìn)而無法傳遞到上部結(jié)構(gòu)，使其在某種程度控制地震所產(chǎn)生的損壞。一般在基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)布設(shè)隔震裝置，和高層建筑相比，外形規(guī)則勻稱的底層建筑具有優(yōu)良的隔震效果，產(chǎn)生這一問題的根本原因是高層建筑結(jié)構(gòu)布設(shè)隔震裝置可能會增加自振周期，以此來削弱隔震效果。當(dāng)前基礎(chǔ)隔震全面進(jìn)步，且發(fā)展形態(tài)呈現(xiàn)出多樣化特性，不斷完善。

3.2隔震地基材料

因建筑物不同選取的地基材料存在差異，這主要因為地震波反應(yīng)的作用?？山柚厥獠牧厦嫦蚪ㄖ锏鼗鶎嵤┨幚聿僮鳎M(jìn)而削弱地震波，以此來減小震感。在以往的建筑物中，一般通過粘土與砂子完成基礎(chǔ)部分墊層，再有人借助糯米墊層探索抗震，多年的發(fā)明探索和試驗表明原料是瀝青的這種新型材料開展隔震層設(shè)置對應(yīng)的效果十分顯著。

3.3懸掛隔震

懸掛隔震原理為阻隔地面地震波傳送到建筑主體結(jié)構(gòu)，以免主體結(jié)構(gòu)被損壞。這一結(jié)構(gòu)中的大多數(shù)質(zhì)量基本均附著在地面上，一旦地震到來，結(jié)構(gòu)上層分離使得無慣性力出現(xiàn)，以此來達(dá)到大大隔震目的。主要應(yīng)用在大型鋼結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)中，又可細(xì)分成主框架與子結(jié)構(gòu)。當(dāng)懸掛子結(jié)構(gòu)時，則主框架結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)隨即分離。待地震波移動至懸掛部位時，則地震能量顯著減少，全面控制了地震的進(jìn)一步傳遞，降低了地震損害。

3.4層間隔震裝置

層間隔震是面向原結(jié)構(gòu)裝設(shè)耗能減震裝置，包含質(zhì)量與隔震支座這兩部分。當(dāng)?shù)卣饋砼R時，一般由隔震與減震來吸收相應(yīng)的地震能量，降低地震損害，減小地震所產(chǎn)生的不良影響?？拐鸺夹g(shù)輔以隔震技術(shù)便是層間隔震。然而，層間隔震的實際減震效果低于基礎(chǔ)隔震技術(shù)效果，大約低至20%左右。該技術(shù)具有較大的應(yīng)用空間，除可應(yīng)用在新建筑物，還能鞏固強(qiáng)化既有建筑物。隔震裝置內(nèi)部的支座材料通常可選擇橡膠，利用結(jié)構(gòu)夾層改建便可達(dá)到減震效果。

4結(jié)語

在當(dāng)前的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，減震隔震措施的采用是防止地震對建筑以及生命財產(chǎn)造成威脅的重要保障，在此，本文主要針對減震隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行了簡單的說明和敘述，希望能對今后高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中關(guān)于減震隔震措施的研究和采用提供一些文本上的幫助和思考。

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