淺議高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的隔震減震措施

周東東

摘 要：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的抗震措施決定著建筑結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性。設(shè)計(jì)人員均依據(jù)小震不塌、大震可修這一原則開展設(shè)計(jì)工作，并采用了很多的方法抗震。然而，因多種因素的制約，此工作仍舊存在某些問題。文章?lián)苏归_探究，首先對建筑結(jié)構(gòu)隔震進(jìn)行分析，然后探討隔震措施，最后闡述減震措施。

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

1、建筑結(jié)構(gòu)隔震減震介紹

建筑物內(nèi)部的阻尼大小有利于地震能量消耗。而減震措施恰好利用這一點(diǎn)，借助建筑阻尼增加吸取地震能量，以此來維護(hù)主體結(jié)構(gòu)，降低震害。隔震技術(shù)被廣泛應(yīng)用到高層建筑中，特別是汶川地震后涌現(xiàn)出較多的隔震建筑。因隔震設(shè)計(jì)選取的材料和以往設(shè)計(jì)存在差異，和傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)對比，當(dāng)前的隔震設(shè)計(jì)，特別是高層隔震設(shè)計(jì)具有一定難度。隔震措施存在時間限制，不僅能應(yīng)用到新建結(jié)構(gòu)，而且在建筑物建成后可通過阻尼增加來實(shí)現(xiàn)減震。從適用部位層面而言，減震措施較為廣泛，無論是上部結(jié)構(gòu)，還是隔震夾層均適用。而消能減震技術(shù)利用消能減震裝置配設(shè)來提高結(jié)構(gòu)阻尼比，進(jìn)而防控結(jié)構(gòu)變形問題，借助附加裝置來吸取地震能量，實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)的全面防護(hù)，讓主體結(jié)構(gòu)遭受地震災(zāi)害時不會出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。依照數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，消能減震結(jié)構(gòu)能夠顯著增強(qiáng)抗震性能。另外，抗震構(gòu)造還能夠依據(jù)未采用消能減震之前的結(jié)構(gòu)來降低。

2、建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)的要求

在建筑結(jié)構(gòu)中進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)工作，能夠使建筑工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時，還應(yīng)結(jié)合建筑工程的形式、抗震強(qiáng)度以及施工場地和施工目標(biāo)來制定最科學(xué)可行的抗震、隔震設(shè)計(jì)方案，并比較各個方案的經(jīng)濟(jì)可行性，從中選擇成本最低、施工成效最好的方案。不僅如此，進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)工作時，一般要保證抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)比抗震建筑強(qiáng)，一旦出現(xiàn)了水平地震，則建筑的隔震結(jié)構(gòu)會有較好的安全儲備，而且要確保其超過抗震結(jié)構(gòu)半個設(shè)防烈度。確定隔震部件時，一定要檢查其各項(xiàng)參數(shù)和性能，以確保良好的安裝質(zhì)量。通常要使用抽樣檢測的方法開展工作，并結(jié)合部件的類型和規(guī)格，和元件比較完成檢驗(yàn)工作，且抽樣檢測的數(shù)量一般要大于三個，所有元件都合格時才算檢驗(yàn)通過。

3、建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)的相關(guān)措施

3.1 上部結(jié)構(gòu)的相關(guān)措施

隔震層的上部結(jié)構(gòu)位于最上方，在發(fā)生地震問題時，隔震層的上部會發(fā)生一定的位移，且位移的大小和設(shè)計(jì)方案有一定的關(guān)系，一般位移的方向是不固定的，上部結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的變形通常較大，但是加速度并不大，因此在地震期間，家具并不會產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)的問題。要想避免地震中隔震層產(chǎn)生變形，則必須做好下述幾方面的工作：（1）將樓梯、電梯和走廊中的障礙物徹底清除；（2）要在上部安裝防震縫；（3）防震縫和地面間必須有水平的隔震縫，難度較大時，可以再加上水平滑移墊層。

3.2 下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

位于隔震層下方的下部結(jié)構(gòu)，對于防震層有著重要的支撐作用。要更好的提高防震層下部結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，必須要使用最科學(xué)的原材料和施工方式。多層橡膠支座中一般都是含有鉛芯的，這是在其中加入鉛液并使其冷卻后的結(jié)果。鉛芯一般都具有雙線型結(jié)構(gòu)，滯回特性很強(qiáng)，因此在地震時會增加結(jié)構(gòu)的剛度，且強(qiáng)度較大時還能夠分散較多的能量。也就是說，這一設(shè)備綜合了隔震器和阻尼器的優(yōu)點(diǎn)，且操作起來十分簡便。所以，進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)工作時，經(jīng)常選擇這一支座材料。

3.3 選擇合理的結(jié)構(gòu)布置方案

在抗震結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)中，十分重視結(jié)構(gòu)布置方案。從減震的角度看，結(jié)構(gòu)的平而布置應(yīng)力求簡明但適當(dāng)?shù)臏p震措施亦可使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)。此外，抗震概念設(shè)計(jì)排斥抗震縫。利用抗震縫將結(jié)構(gòu)劃分成若干子結(jié)構(gòu)，通過給每個子結(jié)構(gòu)施加側(cè)向約束，利用抗震縫中的吸能器消耗子結(jié)構(gòu)的能量，從而形成了結(jié)構(gòu)聯(lián)合振動控制體系，吸能器為結(jié)構(gòu)提供水平控制作用，往往可以大幅度地降低結(jié)構(gòu)振幅。

3.4 對建成建筑物的抗震加固

在對建筑物的地基或基礎(chǔ)進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)時，我們一定要在建筑物沒有動工以前按照隔震設(shè)計(jì)的措施，完成相應(yīng)的工作。最遲也是在建筑物的施工過程當(dāng)中，在建筑物的關(guān)鍵部位設(shè)置特殊的隔震裝置。然而，建筑物建成以后，如果想對其進(jìn)行抗震加固，就要采用增加阻尼的辦法，在建筑物的結(jié)構(gòu)上重新添加消能減震裝置。

3.5 控制建筑物的側(cè)移以及水平荷載

在地震發(fā)生時，地震產(chǎn)生的荷載作用對于建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的水平剪力，這個時候建筑物就會產(chǎn)生較大的側(cè)移，建筑物越高，在地震的荷載作用之下發(fā)生的側(cè)移就會越嚴(yán)重。所以我們一定要將建筑物的側(cè)移控制在一定的安全范圍之內(nèi)，才能保證在地震荷載作用下建筑物的側(cè)移不引起建筑物嚴(yán)重破壞。

在地震發(fā)生時水平荷載會在建筑物結(jié)構(gòu)中引起巨大的軸力，很可能會造成建筑物的傾覆。這與建筑物的高度呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，建筑物高度越高，建筑物產(chǎn)生的傾覆力矩就會成倍的增長，因此在我們的高層建筑中，控制水平荷載是一個決定性因素。

3.6 建筑物的墻體和防震縫的設(shè)計(jì)

墻體是建筑物的主要承重部件，建筑物的墻體使用的多少取決于建筑物的剛度。在建筑物的墻體選擇和設(shè)計(jì)的過程中，選擇什么樣的墻體，選擇多少墻體，墻體的位置該如何放置等等都要經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)。防震縫是在建筑物各板塊結(jié)構(gòu)中預(yù)先設(shè)置的一定寬度和長度，以達(dá)到在地震發(fā)生的時候建筑物產(chǎn)生的側(cè)移或者傾倒的時保持一定的穩(wěn)定性和整體性。但是由于地震的發(fā)生屬于偶然的自然災(zāi)害，所以防震縫在普通的地區(qū)一般不設(shè)置或者很少設(shè)置，經(jīng)常設(shè)置在地殼易發(fā)生運(yùn)動的地震區(qū)，不過由于地震的時候地殼發(fā)生運(yùn)動，建筑物和地面都會產(chǎn)生一定的位移，因此地震縫的寬度和長度的設(shè)置都有一定的難度，目前運(yùn)用還不夠成熟。

4、工程實(shí)例

某地區(qū)一棟小學(xué)教學(xué)樓，抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值0.30g，設(shè)計(jì)地震分組第二組，II類場地，場地特征周期0.40s。采用框架結(jié)構(gòu)形式，樓層數(shù)為3層，建筑結(jié)構(gòu)高度12.5m，寬9.0m，高寬比1.4。屬于重點(diǎn)設(shè)防類，乙類建筑。本工程使用有限元軟件ETABS建立隔震與非隔震結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行計(jì)算與分析。計(jì)算選取了實(shí)際5條強(qiáng)震記錄和2條人工模擬加速度時程。通過計(jì)算，各時程平均反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線較接近，同時各時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差不大于20%，滿足規(guī)范要求，可以應(yīng)用本工程計(jì)算分析。本工程共使用了21個支座（其中15個LRB400，6個LRB500）。

通過計(jì)算，非隔震結(jié)構(gòu)的基本周期分別為0.639s（第一振型）、0.580s（第二振型）、0.521s（第三振型），而隔震結(jié)構(gòu)的基本周期分別為1.846s（第一振型）、1.823s（第二振型）、1.562s（第三振型）。采用隔震結(jié)構(gòu)后的自振周期延長至非隔震結(jié)構(gòu)的2.8倍左右，結(jié)構(gòu)的基本周期明顯延長。隔震層以上結(jié)構(gòu)在隔震前后的層間剪力比值平均值最大值（水平向減震系數(shù)）0.267，說明采用隔震技術(shù)能夠降低上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

結(jié)束語

隔震技術(shù)的成熟發(fā)展及推廣應(yīng)用，標(biāo)志著人類在防震減災(zāi)方面取得了長足的發(fā)展。文章依據(jù)現(xiàn)有抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，初步總結(jié)了隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程。通過工程實(shí)例，表明采用隔震減震方法是有效的。

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