结合某高层建筑,谈建筑的隔震设计

【摘要】：通过建筑结构隔震和减震技术的阐述，结合具体工程实例，对建筑隔震设计进行了研究，分别就隔震方案的选择及隔震结构计算作了说明，从而得出一些有益的结论，指导类似建筑物隔震设计。

【关键词】：高层建筑，隔震设计，时程分析

中图分类号： TU97 文献标识码： A 文章编号：

1.概述

隔震和消能减震是建筑结构减轻地震灾害的有效技术。

隔震体系通过延长结构的自振周期能够减少结构的水平地震作用，已被国外强震记录所证实。国内外的大量试验和工程经验表明：隔震可使结构的水平地震加速度反应降低60％左右，从而消除或有效的减轻结构和非结构的地震破坏，提高建筑物及其内部设施和人员的地震安全性，增加震后建筑物继续使用的功能。

钢筋混凝土抗震结构通常采用梁柱以及剪力墙结构抵抗水平地震，通过结构构件的变形来吸收地震能量。相比于此结构形式，隔震结构采用具有竖向承载能力，水平向具有很大变形能力的支座，同时采用抑制结构产生过大变形的阻尼器装置使结构在地震时的变形集中在隔震层的体系，减少上部结构的加速度和层间变形。抗震结构采用结构整体吸收地震能量。而隔震结构吸收的地震能量几乎全部集中在隔震装置上。

2.工程概要

国内某工程，主楼为地上10层的办公用房，建筑总高度为40m，框架一剪力墙结构形式；地下为2层的地下车库。抗震设防烈度为8度，框架抗震等级为二级，剪力墙为一级。为提高建筑的抗震性能，加强房屋在地震下对室内设施及人员的保护，经与业主协商决定对本建筑采用隔震措施，进行隔震设计。隔震层设置在地下室顶板处，隔震面积达到10000m2。经隔震后的隔震层以上主体结构的水平向地震可按7度计算，而隔震层以上剪力墙的抗震等级可降为二级。图1为建筑剖面图。

3.隔震设计

3.1隔震方案的选择

汶川地震中，非结构构件受损，室内装修及家具、设备损坏，经营活动及生活受到严重影响，也造成了巨大的经济损失。而采用隔震技术的甘肃陇南武都区邮政职工宿舍表现出良好的性能，结构没有出现地震引起的裂缝，人员没有站立不稳的情况，家具没有翻倒。可见隔震结构与常规设计相比也具有以下的特点：

1)在保证结构构件安全的同时也保证非结构构件的安全；2)可防止室内的器械家具等倾倒所导致的二次灾害；3)使业主具有安全感；4)设计自由度得到扩大。

鉴于此。本项目为了提高抗震安全性，采用了隔震技术。因本项目地下空间范围大于主楼范围，且地下室顶板和主楼正负零楼板之间有1.2m的高差，因此将隔震层设置在地下室顶板和主楼正负零楼板之间，这样设置的优点是地下室结构使用完整，隔震沟较浅，且方便隔震装置的安装和维修。

在主楼范围内的所有框架柱和剪力墙下布置了数量不等的橡胶隔震垫支座，吸收并消耗地震能量，减小地震剪力对结构的影响；另外在隔震层增加了19个阻尼器，减小了结构60％的整体扭转效应，进一步减小了地震效应，并有效限制了隔震垫的最大位移极限。如图2所示为隔震支座和阻尼器的平面布置图。

3.2隔震结构计算

3.2.1隔震支座的确定

橡胶隔震支座的布置要同时考虑竖向和水平向荷载的要求。首先通过结构在非隔震正常烈度下的计算得到每根框架柱在隔震层以上的竖向荷载，根据建筑抗震设计规范表12.2.3，保证隔震支座的平均压应力小于15MPa，确定每根框架柱上隔震支座的选型与数量。然后依据隔震层刚度中心宜与上部结构的质量中心重合的原则，调整隔震支座的平面布置。各隔震支座的竖向布置也在同一标高上。后经采用MIDAS程序整体计算分析，普通橡胶支座弹性过大，使得水平向减震系数过大，为了控制隔震层的位移在合理的范围之内，保证合理的减震效果，全部采用铅芯橡胶支座GZY500，并在适当的位置增设了阻尼器。

3.2.2结构整体分析

对于本工程笔者采用了PKPM和MIDAS两种程序分别进分析了计算分析，并最终采用两者计算结果的最不利组合进行了施工图的设计。表1为隔震与非隔震结构的周期，可以看出隔震结构的基本周期较原结构增大了许多，从原结构的1.2s延长至2.37s，并且远离了建筑场地的卓越周期。

采用时程分析方法对隔震结构和非隔震结构进行了计算分析。根据抗震设计规范的规定，选择了两条天然波(Elcent—h波，Taft—h波)和一条人工波。如图3所示为隔震结构和非隔震结构各楼层剪力图，可以看出，隔震结构的楼层剪力较非隔震结构减小很多，根据计算，隔震结构和非隔震结构的层间剪力最大比值为0.335，则依据抗震设计规范表12.2.5，水平向减震系数可取为0.5，隔震层上部结构的地震作用可按降低1度，即按7度设防烈度来计算。

隔震层以下结构的抗震验算则根据规范要求采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和弯矩进行设计。

3.2.3其他构造措施

隔震层上部相邻楼板采用厚180mm，并采用双层双向贯通钢筋，另在隔震层下车库顶板(标高-1.200)处加设了水平框架梁，从而提高了隔震层的整体刚度。因本项目隔震支座位于室外地坪以下，在外圈隔震支座外设置了隔震沟，给隔震层足够的变形空间。穿过隔震层的设备配管、配线，采用柔性连接适应隔震层的罕遇地震水平位移。

4.结语

从本工程的隔震设计可以得出以下几点结论:

1)工程采用隔震设计以后，在罕遇地震下的各楼层剪力较原结构降低很多。2)在罕遇地震作用下，隔震层的最大水平位移达到55mm，满足规范要求。3)工程采用隔震设计后，隔震层上部结构的基本周期延长，地震反应加速度降低。

【参考文献】：

【1】GB50011.2001(2008版)，建筑抗震设计规范【s】.

【2】肖从真，薛彦涛.成都凯德风尚高层建筑隔震设计与研究【J】.建筑结构，2009(6)：56.57.

【3】黄世敏，杨沈.建筑震害与设计对策【M】.北京：中国计划出版社，2009：11.

【4】温流汉，黑沙.隔震技术现状与未来【J】.建筑结构技术通讯，2009(2)：11-12.