高層建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計關(guān)鍵問題分析

尚凱

【摘要】高層建筑作為現(xiàn)代社會發(fā)展的主要象征，在人們的生活以及工作中發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用。隔震技術(shù)作為一種高效的減震技術(shù)，逐漸被運用到了高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，在強化高層建筑結(jié)構(gòu)抗震力方面發(fā)揮著非常重要的意義，以此來有效降低強震作用引發(fā)的地震影響。鑒于此，本文就高層建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計關(guān)鍵問題展開探討，以期為相關(guān)工作起到參考作用。

【關(guān)鍵詞】高層建筑;隔震設(shè)計;隔震支座

1、隔震裝置的結(jié)構(gòu)組成

組成建筑結(jié)構(gòu)抗震裝置的構(gòu)建有以下三種：（1）隔震支座。該裝置的作用是對橡膠起到支撐作用，以此來有效避免銹蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。其中，疊層橡膠的非線性特性明顯，能夠很好地應對結(jié)構(gòu)較小或者較大的變形，以此來減輕地震現(xiàn)象的出現(xiàn)。而摩擦擺制作和鉸裝置類似，其上部位置是擺頭，下部則為承臺結(jié)構(gòu)，中間是網(wǎng)狀的增強纖維，摩擦阻力的使用能夠?qū)⒌卣鹉芰肯?，并且在自重的作用下恢復到原始的位置。?）阻尼器。其作用是耗用地震所產(chǎn)生的能量，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的位移。常用的阻尼器類型主要有：1）彈塑性阻尼器。該阻尼器具有較強的塑性變形能力，能夠?qū)⑵溥\用到屈服應變的條件下。2）鉛棒阻尼器。具有軟件強震鉛棒的作用，用以損耗振動能量。3）干摩擦阻尼器。該阻尼器由摩擦板和橡膠支座組成，不僅能夠產(chǎn)生阻尼效果，同時還能夠起到保護作用。（3）復位裝置[1]。具有強化裝置早期剛度的效果，能夠確保結(jié)構(gòu)在微震和風載的作用下有效提升其安全性。通常情況下，甚至風反應控制裝置以及微震裝置主要是用來抵抗傾覆支座。

2、隔震建筑構(gòu)造

隔震建筑不同于一般抗震建筑，地震時隔震層會產(chǎn)生較大變位，因此需要沿上部結(jié)構(gòu)周邊設(shè)置變形縫。同時上、下部結(jié)構(gòu)之間留設(shè)豎向縫，并用軟性材料填充。穿過隔震層豎向管線應采用柔性連接以適應隔震層的較大變位，如圖1所示。

3、高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計特征

（1）對于高層建筑而言，水平作用對其發(fā)揮著決定性的作用。有高層建筑結(jié)構(gòu)的自重大，對豎向構(gòu)件具有較大的軸力彎矩，其和建筑物的高度值呈正比關(guān)系。然而，水平力能夠?qū)Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸力彎矩，其值和建筑高度之間是二次正比的關(guān)系，一旦確認了建筑物的高度，豎向力矩將會成為固定值，但是，由于受到地震以及風力等因素的影響，導致水平方向存在著較大的而差異，因此加劇了力矩的壓力。（2）結(jié)構(gòu)延性：在受到外界壓力的作用下，結(jié)構(gòu)延性反應構(gòu)件會發(fā)生塑性變形，隨著建筑外荷載的逐漸增加，為了避免建筑物變形，就需要在實施建筑設(shè)計工作的時候加大對建筑構(gòu)件延性的重視力度，以此來有效確保構(gòu)件甚至是整體結(jié)構(gòu)不會受到外力破壞。（3）側(cè)移：在水平負載不斷增加的前提下，側(cè)移也會相應增加，對于高層建筑而言，結(jié)構(gòu)側(cè)移是一項非常關(guān)鍵的因素。隨著建筑物高度的不斷增加，在水平作用力下能夠不斷增加結(jié)構(gòu)側(cè)移，水平側(cè)移和高度的4次方呈現(xiàn)出正比關(guān)系。為了能夠有效確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，就需要加大對結(jié)構(gòu)側(cè)移量的控制力度。（4）軸向變型：通常情況下，軸向變性是導致建筑物受損的關(guān)鍵原因，因此，可以將軸向變型作為衡量建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的又一關(guān)鍵性指標。隨著建筑物高度的逐漸增加，其豎向荷載也越來越大，因此，對柱子產(chǎn)生的壓力作用也逐漸增加，從而引發(fā)了軸向變型，對連續(xù)彎梁帶來了較大的傷害，這樣一來就會導致連續(xù)梁中間支座位置處的彎矩變小，跨中位置的正彎矩值以及端支座位置處的負彎矩值也會變大，由此可見，在確定實際下料的長度的時候，要充分考慮到軸向變型的具體數(shù)值[2]。除此之外，還需要考慮到構(gòu)件的側(cè)移以及剪力。

4、隔震設(shè)計的關(guān)鍵問題

4.1長周期的減震效果

高層建筑其自身的施工周期比較長，一旦依據(jù)我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的設(shè)計反應可以勘察，其在較長的時間內(nèi)呈現(xiàn)出了緩慢下降的趨勢。在隔震前后，長周期的高層建筑地震剪力的變化并不大，而且隔震效果也不明顯。如果高層建筑的高度在100m左右，則其基本周期在2.5s左右，通過運用相應的技術(shù)會延長周期至3.5s左右。但是，通過分析實際情況可以發(fā)現(xiàn)并不是這樣的，比如，對于某高層隔震結(jié)構(gòu)分別使用動力時程分析法以及等效線法來計算隔震效果，對長周期的高層建筑在隔震技術(shù)前后的減震效果進行研究，實驗表明，在合理運用了高層隔震技術(shù)之后，其減震效果較為明顯[3]。

以某高層建筑為例，共計 23 層，縱向、橫向長度為50.6m、26.2m，高度約90m，局部最高為97.2m。采用等效分析法，計算隔震前后基底部位的剪力見表1。分析可知，采用隔震技術(shù)后，高層建筑的等效周期從2.4s 延長至4.3s，因此減震效果比較明顯。

4.2計算隔震結(jié)構(gòu)地震響應顯著偏大

在實施隔震設(shè)計工作的時候，我國應該嚴格遵循以下規(guī)范：（1）完成不同阻尼比下的結(jié)構(gòu)加速度反應譜曲線的設(shè)計工作，并且運用等效線性化方法迭代求解，以此來得出基底剪力以及隔震層位移的數(shù)據(jù)。（2）運用非線性時程分析方法，對隔震結(jié)構(gòu)進行分析，獲取上部各層結(jié)構(gòu)的位移、加速度以及層間的建立數(shù)據(jù)等。（3）為了能夠盡可能降低上述兩種方法所得的結(jié)果誤差，就需要建筑構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)保持一種塑性變形的特性。對于高程建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受彎構(gòu)件而言，在水平荷載重量不斷增加的前提下，可能會加劇受拉區(qū)域的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，甚至有可能引發(fā)彈性變形，而且還會導致受拉鋼筋變形，因此，會影響到整個高層建筑的受彎構(gòu)件。導致受彎構(gòu)件被破壞的關(guān)鍵因素是結(jié)構(gòu)變形的大小，因此，有效提升構(gòu)件的延性是確保高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量的關(guān)鍵性指標，一旦出現(xiàn)強烈的地震現(xiàn)象，隔震結(jié)構(gòu)也能夠起到減少建筑結(jié)構(gòu)地震反應的效果，從而將地震能量除去，并且有效強化高層建筑結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力，以免出現(xiàn)人員傷亡故障[4]。

4.3隔震支座受拉問題

目前困擾高層建筑隔震技術(shù)的關(guān)鍵是隔震支座的受拉問題，在發(fā)生地震的情況下，傾覆力的產(chǎn)生會超出隔震支座能夠承擔的結(jié)構(gòu)重量。因高層建筑的豎向荷載產(chǎn)生了較大的軸向變形，從而對高層建筑的抗彎承載力產(chǎn)生了一定程度的影響，從而見笑了連續(xù)梁中間支座負彎矩值以及跨中負彎矩值，并且對高層建筑構(gòu)件的剪力產(chǎn)生了一定程度的影響，導致高層建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了側(cè)向變形[5]。隨著高層建筑層數(shù)的不斷增加，高度也隨之增加，這種現(xiàn)象所引發(fā)的軸向變形會威脅到高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此，在實施高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的時候需要加大對軸向力值的重視力度，運用相應的措施來避免明顯的軸向變形的出現(xiàn)。

4.4支座面壓問題

在高層建筑長期使用的狀態(tài)下，隔震支座所承受的上部結(jié)構(gòu)的重量，在地震作用下可能會出現(xiàn)水平位移。在地震力以及上部結(jié)構(gòu)重量的雙重作用下，滑移類支座的承壓面積不會受到太大的影響，而對于疊層橡膠支座承壓面積的影響比較大，因此導致承壓面積減小，致使承載力下降?；谝?guī)范標準，需要用到隔震支座驗算方法，但是，在運用這一方法的時候需要重視以下方面的工作：（1）在對支座的平均壓應力進行計算的時候，需要充分考慮到地震的作用，比如，會加大支座的直徑偏差，這樣一來不僅會加劇該項工作的成本，也會使隔震層的水平剛度增加，不利于隔震效果的發(fā)揮。（2）在受到罕遇地震的影響之下，未能驗算隔震支座面壓，而只是限制了支座的水平變形，因此，很難有效確保支座的安全性以及穩(wěn)定性，面對這種現(xiàn)象，在受到較長時間荷載的作用下，只需要對長期荷載給隔震支座帶來的面壓展開驗算即可，無需借助設(shè)計值實施驗算工作，同時也不需要考慮地震作用的影響。

結(jié)語：

總而言之，隔震技術(shù)作為一種科學、簡便的減震技術(shù)，在實踐中取得了很好的效果。在社會經(jīng)濟快速發(fā)展的時代背景下，隔震技術(shù)也逐漸被運用到了高層建筑中，人們也充分意識到了該項技術(shù)的重要性。在實際運用該項技術(shù)的過程中，為了能夠有效確保使用效果，就需要不斷吸取經(jīng)驗，對建筑房屋設(shè)施、建筑結(jié)構(gòu)以及人員安全提供良好的保障，以此來有效確保我國的經(jīng)濟效益以及社會效益。

參考文獻：

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[3]張良平，楊文參.某超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中幾個關(guān)鍵問題的思考[J].建筑結(jié)構(gòu)，2019，49（07）：56-59+55.

[4]董燕，胡執(zhí)標.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計問題[J].科技創(chuàng)新導報，2011（11）：36.

[5]宋可加.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中關(guān)鍵技術(shù)問題分析與研究[J].科技傳播，2010（16）：89+92.