高層建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題分析與處理探究

劉 鍵

（云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 云南 昆明 650228）

0 引言

高層建筑中的隔震技術(shù)是其上部結(jié)構(gòu)和地基之間的柔性連接，應(yīng)用擁有一定承載能力的隔震材料以達(dá)到“吸震”的效果，是近幾年地震地震工程領(lǐng)域應(yīng)用較廣且較為成熟的技術(shù)之一。該項(xiàng)技術(shù)讓高層建筑物在地震中不倒塌成為可能，因此，應(yīng)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析。

1 高層建筑隔震結(jié)構(gòu)構(gòu)成及設(shè)計(jì)要求

1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

高層建筑物中的隔震設(shè)備主要涉及到三個(gè)構(gòu)件。

其一，隔震支座。其屬于基礎(chǔ)性的構(gòu)件，主要負(fù)責(zé)支撐上部建筑的重量，由此延長(zhǎng)整個(gè)框架的自振周期，能夠有效降低過大變形情況的概率。目前，市面上有滑動(dòng)支座、疊層橡膠支座以及摩擦擺支座三種。其中，滑動(dòng)支座，主要借助滾珠，隔離上部建筑與地面。在具體的建筑項(xiàng)目中，其和風(fēng)穩(wěn)定以及輔助復(fù)位兩個(gè)裝置聯(lián)合使用。疊層橡膠是將橡膠和鋼板疊合起來，使鋼板能夠鑲嵌在橡膠中，延緩其生銹的時(shí)間。摩擦擺支座是借助摩擦形成的作用力，消耗地震能量，同時(shí)借助建筑物本身的重量，使其復(fù)位。橡膠隔震支座如下圖所示。

圖1 橡膠隔震支座

其二，阻尼器。該設(shè)備能夠有效消耗地震能量，避免整體架構(gòu)出現(xiàn)過大的位移問題。現(xiàn)階段，常用的有彈塑性裝置、鉛棒裝置以及干摩擦裝置。其中鉛棒阻尼器在地震期間能夠軟化，以此來消減地震能量。阻尼器原理如下圖所示。

圖2 阻尼器工作原理圖

其三，復(fù)位裝置。該設(shè)備應(yīng)用的主要目的在于強(qiáng)化裝置的強(qiáng)度，以確保整體架構(gòu)在輕震環(huán)境中保持較好的穩(wěn)定性。實(shí)際使用中，通常會(huì)與相應(yīng)的裝置和支座配合使用[1]。

1.2 設(shè)計(jì)要求

結(jié)構(gòu)隔震處理主要應(yīng)用在高烈度以及對(duì)建筑本身功能性標(biāo)準(zhǔn)較高的建筑項(xiàng)目。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考量現(xiàn)場(chǎng)的情況，明確抗震的類別、強(qiáng)度、整體架構(gòu)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)等，設(shè)計(jì)出不同的建設(shè)方案，綜合分析實(shí)施技術(shù)以及整體造價(jià)，以此選出較優(yōu)的方案。對(duì)設(shè)防目標(biāo)而言需高出建筑物框架的半個(gè)烈度，且在垂直方向上高于框架烈度。構(gòu)件裝置選擇上，需根據(jù)前期的設(shè)計(jì)方案確定其性能，并通過試驗(yàn)的方式明確具體的參數(shù)，在正式建設(shè)前需進(jìn)行檢測(cè)，要求完全無不合格構(gòu)件裝置。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題及處理

2.1 長(zhǎng)期減震問題

高層建筑本身周期較長(zhǎng)，依據(jù)相關(guān)規(guī)范，長(zhǎng)周期建筑在隔震措施實(shí)施前后，相應(yīng)的地震剪力無明顯差異，造成實(shí)際的減震效果較弱。若高層建筑的高度達(dá)到一百米，其原本的受其為2.5s，借助該項(xiàng)施工作業(yè)，可以使周期增長(zhǎng)1s 左右。但在具體的實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目中卻與理論內(nèi)容存在較大的差異。假設(shè)某高層建筑物，其樓層數(shù)超過二十，縱向和橫向分別超過五十米和二十五米。高度大致在九十米左右，且部分位置的最高值接近一百米。對(duì)此，運(yùn)用等效分析的方式，其建設(shè)前后的等效位移提升百分之五十左右，且周期也延長(zhǎng)2s左右。例如，在某高層建筑項(xiàng)目中，采取等效線性以及動(dòng)力時(shí)程分析兩種方式結(jié)合使用，以得到相應(yīng)的隔震效果，經(jīng)最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，合理設(shè)計(jì)的高層隔震結(jié)構(gòu)可以得到較為明顯的減震效果。

2.2 結(jié)構(gòu)延性問題

在進(jìn)行建筑隔震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意考慮結(jié)構(gòu)延性問題，需先提出各種阻尼比下的整體結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)情況，并借助等向線性化的形式獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，由此，能夠得出建筑物的位移以及剪力等信息。之后，借助非線性的分析模式，掌握建筑物整體架構(gòu)的位移和各層的剪力等內(nèi)容。此期間盡量使用多種方式進(jìn)行分析計(jì)算，以降低錯(cuò)誤率。建筑的延性是指其在承載力有所波動(dòng)的基礎(chǔ)上，整體結(jié)構(gòu)和其中的部件能夠維持的變形性。在高層建筑物中，其中受彎構(gòu)件會(huì)根據(jù)實(shí)際的承載量，出現(xiàn)變形，使相連的其他結(jié)構(gòu)形成縫隙，嚴(yán)重情況下還會(huì)引發(fā)非彈性變化，造成結(jié)構(gòu)中的鋼筋出現(xiàn)變形，又對(duì)受彎結(jié)構(gòu)本身造成不良影響，形成惡性循環(huán)。而造成受彎部分出現(xiàn)問題的主要原因在于整體結(jié)構(gòu)本身的變形程度。由此可知，結(jié)構(gòu)延性對(duì)于建筑物本身存在關(guān)鍵性的作用，若遇到級(jí)別較高的地震，結(jié)構(gòu)延性出現(xiàn)有助于降低地震對(duì)整體結(jié)構(gòu)的破壞程度，有效消減地震能量，以降低建筑整體倒塌的概率，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的人員傷亡，切實(shí)提高結(jié)構(gòu)抗震的效果[2]。

2.3 支座受拉問題

高層建筑的整體高度相較于多層建筑更高，因此，在水平地震作用下結(jié) 構(gòu)傾覆效應(yīng)明顯。采用隔震設(shè)計(jì)后，在遇到大地震時(shí)，隔震支座極易出現(xiàn)拉應(yīng)力，而支座構(gòu)件中的橡膠類支座，其受拉效果較差，從而使得減震效果較差。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，該支座構(gòu)件出現(xiàn)受拉力，是由于水平地震引起的傾覆力以及縱向地震產(chǎn)生的向上作用力大于建筑物本身重量對(duì)該支座構(gòu)件形成的壓力而形成。對(duì)此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)擴(kuò)大該支座構(gòu)件所承受的重力荷載范圍，提高支座構(gòu)件的抗拉水平，同時(shí)盡量減小由于地震形成的傾覆作用力，減小支座構(gòu)件受拉的可能。例如在框架柱結(jié)構(gòu)中應(yīng)采用柱距較大的方案，避免較小柱距的方案，盡量增大單柱的承受重力的范圍，減小支座構(gòu)件受拉的可能。在框架-抗震墻結(jié)構(gòu)中，要注意邊緣柱承受的重力荷載相對(duì)于內(nèi)柱較小，而由傾覆力矩引起的柱軸力相對(duì)于內(nèi)柱較大，因此邊緣柱下支座構(gòu)件比較容易產(chǎn)生受拉情況，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，墻結(jié)構(gòu)往往會(huì)設(shè)置建筑物的邊緣位置，有助于強(qiáng)化支座的抗拉能力。另一方面，盡量采用抗拉能力較高的隔震支座。

2.4 支座面壓計(jì)算

支座在實(shí)際應(yīng)用期間，需要長(zhǎng)時(shí)間承載建筑物整體框架的自重。一旦遇到地震，其會(huì)往往會(huì)出現(xiàn)水平位移的情況，需要面對(duì)整體框架自重和地震二者產(chǎn)生的作用力。對(duì)于多層建筑而言，由于實(shí)際的承載力以及位移幅度較小，因此，對(duì)整體框架無過于明顯的影響。而在高層建筑項(xiàng)目中，自重產(chǎn)生的作用力是隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考量的關(guān)鍵性因素之一。另外，由于橫向荷載會(huì)對(duì)整體架構(gòu)形成較強(qiáng)的傾覆作用力，因此，在隔震設(shè)計(jì)中，應(yīng)注重強(qiáng)化承載力以及抗震水平，此處使用橡膠支座，能夠縮小實(shí)際的承壓面積，會(huì)出現(xiàn)降低承載水平的情況。在實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，面壓的計(jì)算應(yīng)以其平均壓應(yīng)力作為計(jì)算數(shù)據(jù)，并加入地震的因素。此種計(jì)算方式產(chǎn)生較大的誤差，且增加該部分設(shè)計(jì)建設(shè)的造價(jià)，但有助于提升結(jié)構(gòu)的橫向剛度，對(duì)實(shí)際的隔震效果產(chǎn)生作用。此外，在計(jì)算過程中，雖然考慮地震的問題，但未能對(duì)其面壓進(jìn)行準(zhǔn)確核算。此種情況下，僅能提高結(jié)構(gòu)在橫向方向的抗震能力，而地震屬于不可控的因素，因此，該種計(jì)算方式難以確保在特殊狀況下，建筑物的整體結(jié)構(gòu)保持較高的穩(wěn)定性及安全性。由于地震屬于短期作用，因此，需合理擴(kuò)大平均壓應(yīng)力的范圍，將極限面壓及變形關(guān)系作為相應(yīng)的控制參數(shù)。

2.5 結(jié)構(gòu)懸掛隔震

該種隔震處理方式是將建筑本身包含的部分設(shè)施以懸掛的方式呈現(xiàn)，若遇到地震，采用懸掛式的設(shè)備往往不會(huì)受到地震作用力的影響，有助于控制實(shí)際的破壞程度。目前，該種隔震方式在鋼結(jié)構(gòu)的建筑物中較為常見。具體而言，該方面的設(shè)計(jì)難度較大，要求將主體結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的子結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，對(duì)子框架起到保護(hù)的作用。懸掛式隔震的處理是使建筑物整體的主結(jié)構(gòu)能夠在遇到地震時(shí)，跟隨地殼活動(dòng)進(jìn)行擺動(dòng)，利用鎖鏈實(shí)現(xiàn)連接，可以使地震產(chǎn)生的能量進(jìn)行較好的傳遞，在此過程中，逐漸消耗能量，以此來降低地震對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞程度。該種隔震方式最終呈現(xiàn)的效果較為明顯，避免地震能量對(duì)建筑本身包含的設(shè)備造成傷害。但在隔震設(shè)計(jì)中，還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性的問題，該種建設(shè)方式實(shí)際的造價(jià)較好，因此，在常規(guī)的高層建筑中，通常不會(huì)選擇[3]。

3 結(jié)束語

總而言之，隔震設(shè)計(jì)需要在建筑項(xiàng)目施工過程中完成。借助有效的隔震建設(shè)，可以在保證高層建筑正常使用的同時(shí)，控制后續(xù)的養(yǎng)護(hù)工作投入，降低工程的運(yùn)行成本，推動(dòng)該行業(yè)的創(chuàng)新性進(jìn)步。通過對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的隔震方式進(jìn)行探究，希望可以為相關(guān)方提供基礎(chǔ)性幫助。