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

牟連寶 王會(huì)娜

【摘 要】我國(guó)大部分地區(qū)都位于地震帶上，每年發(fā)生地震的幾率十分的大，因此對(duì)建筑物進(jìn)行耐震設(shè)計(jì)是十分必要的，傳統(tǒng)的耐震技術(shù)主要考慮強(qiáng)度和韌性，隨著我國(guó)地震的頻繁發(fā)生，隔震和消能是耐震設(shè)計(jì)的兩種耐震新技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】超高層；隔震；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地震災(zāi)害是對(duì)人類造成殺傷性最大的自然災(zāi)害之一，尤其是對(duì)于人口密集的城市來說，一旦發(fā)生地震災(zāi)害，如果不能做好建筑物的抗震設(shè)計(jì)來抵御，那么后果將不堪設(shè)想，近些年隨著高層建筑的不斷涌現(xiàn)，讓抗震設(shè)計(jì)顯得更加重要，只有做好超高層的隔震方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，才能避免在地震中最大程度的減少受影響程度，甚至可以避免受到災(zāi)害波及。在此主要淺談一下超高層的隔震建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的技術(shù)類問題，以期與同行共同探討共同進(jìn)步。

1抗震設(shè)計(jì)概述

地震是目前最為常見的自然災(zāi)害和破壞性隱患之一，而我國(guó)又地處太平洋地震帶附近，因此有著很強(qiáng)、很頻繁的地震隱患。因此，在目前的建筑工程項(xiàng)目中，做好建筑防震設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵和重要，是保證建筑結(jié)構(gòu)整體性安全中最為關(guān)鍵和重要的環(huán)節(jié)。

1.1地震概念

地震也被人們稱之為地動(dòng)，是地殼快速釋放能量的過程中所造成的振動(dòng)現(xiàn)象，在這期間極容易產(chǎn)生一定的地震波，進(jìn)而形成自然災(zāi)害。由于我國(guó)位于太平洋地震帶和歐亞地震帶上，因此我國(guó)每年都有大量的地震發(fā)生，其中更是產(chǎn)生了許多讓人難以忘記的血腥事件，給我們帶來了沉痛的記憶。如唐山大地震、汶川地震和玉樹地震等。

1.2隔震設(shè)計(jì)

隔震設(shè)計(jì)體系是目前建筑工程中最為常見的建筑結(jié)構(gòu)之一，其主要是通過上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與隔震曾剛度中心不重合來進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)的，從而避免扭轉(zhuǎn)變形給建筑物帶來的影響。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑工程施工中，其在設(shè)計(jì)的過程中通常都是采用鋼結(jié)構(gòu)作為主要的抗震層來進(jìn)行控制和分析的。

2隔震技術(shù)

隔震技術(shù)不僅在新建工程中獲得應(yīng)用，而且已用于現(xiàn)有建筑的抗震加固改造。隔震裝置可安裝在結(jié)構(gòu)的防火層或設(shè)備層，隔震層可設(shè)置在結(jié)構(gòu)的不同部位，如基礎(chǔ)、中間層等，也可設(shè)置在房屋的頂層，同時(shí)起到結(jié)構(gòu)加層和抗震加固的目的。由于傳統(tǒng)的加固改造技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)震后的性能和不可靠程度缺乏準(zhǔn)確地了解，故較難達(dá)到強(qiáng)度和延性的合理匹配。采用隔震技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造，通過在隔震層設(shè)置剛度很小的隔震裝置，將地震變形集中到隔震裝置上，相對(duì)于依靠結(jié)構(gòu)本身的較高強(qiáng)度和較低變形來吸引地震能量而言，隔震結(jié)構(gòu)的周期和阻尼都有很多的提高，故加速度和位移反應(yīng)明顯降低。

3建筑隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1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(xiàng)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(jì)時(shí)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。

3.2隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法

隔震設(shè)計(jì)前應(yīng)對(duì)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(jì)算確定。隔震結(jié)構(gòu)通常采用分部設(shè)計(jì)法，即將整個(gè)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(jì)。上部結(jié)構(gòu)計(jì)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(yàn)算；下部結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行設(shè)防地震的抗震承載力驗(yàn)算，并按罕遇地震進(jìn)行抗剪承載力驗(yàn)算；地基基礎(chǔ)的抗震驗(yàn)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(jì)。

3.3隔震結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析

建立隔震和非隔震兩種計(jì)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(jì)意義上相符的相同地震波，分別采用時(shí)程分析法計(jì)算各層剪力包絡(luò)值。對(duì)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(jì)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(jí)按照降低后的烈度取值，隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)基本地震加速度值0.2g，隔震設(shè)計(jì)模型計(jì)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(duì)應(yīng)的設(shè)防地震烈度7度，設(shè)計(jì)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)。

4超高層隔震建筑物設(shè)計(jì)技術(shù)

4.1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)。

4.2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)。

4.3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。

5結(jié)束語

在當(dāng)前的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，減震隔震措施的采用是防止地震對(duì)建筑以及生命財(cái)產(chǎn)造成威脅的重要保障，在此，本文主要針對(duì)減震隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的說明和敘述，希望能對(duì)今后高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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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