淺談高層建筑結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)隔震技術(shù)

婁祥

摘 要：本文高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計及特點，對高層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)組成和隔震原理進行研究，并詳細分析高層隔震體系的特殊性，為高層建筑抗震領(lǐng)域和研究提供指導(dǎo)和幫助。

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

引言

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

1、高層建筑的結(jié)構(gòu)與設(shè)計理念

現(xiàn)代的高層建筑變得越來越纖細，產(chǎn)生更大側(cè)移的可能性比以往大體積的多層高樓更大。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。正因為如此，抵消這些荷載的結(jié)構(gòu)作用成為高層建筑設(shè)計的一個重要方面。高層建筑對側(cè)向荷載的動力反應(yīng)，可以通過改進結(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，同時也決定著建筑各體量的組成。

從表象面層看，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。對于某個建筑最初方案設(shè)計，建筑師考慮更多的是它的空間組成特點，而不是詳細地確定它的具體結(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，在進行高層建筑設(shè)計時，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，另一方要根據(jù)建筑功能要求、建筑立意，場地情況、外力特征，施工條件及效率等因素，尋找出最經(jīng)濟、合理、美觀的建筑方案。

2、高層建筑結(jié)構(gòu)的特殊性

（一）水平荷載成為決定因素。一方面。因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構(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，對某一定高度樓房來說，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)動力特性的不同而有效大幅度的變化。

（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，從而會對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負彎矩增大，還會對預(yù)制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響，要求要根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進行調(diào)整。另外對構(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，會得出偏小于不安全的結(jié)果。

（三）側(cè)移成為控制指標。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)計指標。相對于較低樓房而言，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)在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當?shù)拇胧瑏肀ＷC結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

3、高層隔震體系的特殊性

高層、超高層振震體系與常規(guī)的隔震體系相比，具有特殊性。首先對高層隔震建筑，上部結(jié)構(gòu)不能滿足剛體運動的假定，高振型反應(yīng)分量的影響不能忽視，不能簡單地以結(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，在較大地震和強風(fēng)作用下，隔震支座可能會有拉應(yīng)力的出現(xiàn)，如何避免和控制隔震支座的拉應(yīng)力是一個問題。三是高層、超高層的自振周期都比較長，所以必須進一步延長高層、超高層隔震建筑的基本周期，以達到更好的隔震效果。低彈性、大變形能力的隔震支座的開發(fā)和性能研究是在強震和強風(fēng)作用下的各種分析，具有較高的研究價值和重大的工程意義。

4、高層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)組成

基礎(chǔ)隔震建筑體系通過在建筑物的基礎(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，大部分被隔震層和隔震裝置吸收，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、實用化，它包括摩擦滑移系統(tǒng)，疊層橡膠支座系統(tǒng)、摩擦系統(tǒng)等。目前工程最常用的是疊層橡膠支座隔震系統(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，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。

5、高層基礎(chǔ)隔震技術(shù)原理

傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)是通過結(jié)構(gòu)和構(gòu)件來抵抗并消耗地震能量的，設(shè)計時將地震作用力作為一種外加荷載，與作用在結(jié)構(gòu)上的其他荷載進行組合來設(shè)計和驗算結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計和使用要求。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，低層地震建筑的周期延長到2-5秒，有效地降低了結(jié)構(gòu)的地震加速反應(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，地震時建筑上部結(jié)構(gòu)的反應(yīng)以第一振型為主，類似于剛體平動，基本無反應(yīng)放大作用，通過隔震層的相對大位移來降低上部結(jié)構(gòu)所受的地震荷載。按照較高標準設(shè)計和采用基礎(chǔ)隔震措施后，地震時上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)很小，結(jié)構(gòu)構(gòu)件和內(nèi)部設(shè)備都不會發(fā)生破壞或喪失正常的使用功能，在房屋內(nèi)部工作用生活的人員不僅不會遭受傷害，也不會感受到強烈的搖晃，強震發(fā)生后人員無需疏散，房屋無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。

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