高层隔震结构设计方法研究

【摘要】随着高层建筑的不断兴建，高层建筑的隔震结构设计成为人们讨论和关注的焦点。本文分析了高层隔震系统的组成、技术原理及其特殊性，最终根据高层隔震结构的特点，探讨了高层结构的设计方法，仅供业内人士参考。

【关键词】高层隔震结构；组成；原理；设计方法

中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：

高层建筑的安全问题是现代建筑在设计和施工时面临的一个难题，特别是在地震多发的区域，必须要提高高层建筑的抗震能力，保护建筑的安全。而高层建筑结构隔震技术作为一种新型的抗震防灾技术，能够大大提高高层建筑的抗震能力，这一事实已经在1994年美国圣费南尔多地震、1995 年日本阪神地震中得到了验证，并且表现出了良好的减震效果。近年来, 这一技术被广泛地推广和应用到高层建筑之中。本文对目前高层建筑隔震技术的设计进行了总结，并对此展开研究，希望能够为高层建筑的隔震结构设计做出自己的贡献。

一、高层隔震系统的组成

基础隔震建筑体系通过在建筑物的基础和上部结构之间设置隔震层，将建筑物分为上部结构、隔震层和下部结构3 部分。地震能量经由下部分结构传到隔震层，大部分被隔震层的隔震装置吸收，仅有少部分传到上部结构，从而大大减轻地震作用，提高隔震建筑的安全性。经过人们不断的探索，如今基础隔震技术已经系统化、实用化，它包括摩擦滑移系统、叠层橡胶支座系统、摩擦摆系统等。目前工程最常用的是叠层像胶支座隔震系统。这种隔震系统，性能稳定可靠，采用专门的叠层橡胶支座作为隔震元件，该支座是由一层层的薄钢板和橡胶相互放置，经过专门的硫化工艺粘合而成，其结构、配方、工艺需要特殊的设计，属于一种橡胶厚制品。目前常用的橡胶隔震支座有：天然橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等。

二、高层基础隔震技术原理

传统的抗震结构是通过结构和构件来抵抗并消耗地震能量的，设计时将地震作用力作为一种外加荷载，与作用在结构上的其他荷载进行组合来设计和验算结构是否满足设计和使用要求。隔震建筑则增加了专门的变形和耗能装置：橡胶隔震支座和阻尼器（如铅阻尼器、油阻尼器、钢棒阻尼器、粘弹性阻尼器、滑板支座等）橡胶隔震支座具有提供竖向承载能力、弹性得位能力、良好的变形能力等特性，此外铅芯橡胶隔震支座同时还具有消耗地震能量的耗能特性。另一方面，传统的抗震结构体系中，低层抗震建筑的周期延长到2-5秒，有效地降低了结构的地震加速度反应。

叠层橡胶支座简化剪切刚度

采用隔震技术，上部结构的地震作用一般可减小3-6倍，地震时建筑物上部结构的反应以第一振型为主，类似于刚体平动，基本无反应放大作用，通过隔震层的相对大位移来降低上部结构所受的地震荷载。按照较高标准设计和采用基础隔震措施后，地震时上部结构的地震反应很小，结构构件和内部设备都不会发生破坏或丧失正常的使用功能，在房屋内部工作和生活的人员不仅不会遭受伤害，也不会感受到强烈的摇晃，强震发生后人员无需疏散，房屋无需修理或仅需一般修理。从而保证建筑物的安全甚至避免非结构构件如设备、装修破坏等次生灾害的发生。

三、高层隔震体系的特殊性

高层、超高层陨震体系与常规的隔震体系相比，具有特殊性。首先对高层隔震建筑，上部结构不能满足刚体运动的假定，高振型反应分量的影响不能忽视，不能简单地以结构第一振型为主确定上部结构反应；二是由于高层、超高层结构的水平地震力产生的倾覆力矩比较大，在较大地震和强风作用下，隔震支座可能会有拉应力的出现，如何避免和控制隔震支座的拉应力是一个问题。三是高层、超高层的自振周期都比较长，所以必须进一步延长高层、超高层隔震建筑的基本周期，以达到更好的隔震效果。低弹性、大变形能力的隔震支座的开发和性能研究是在强震和强风作用下的各种分析，具有较高的研究价值和重大的工程意义。

四、高层隔震结构的设计

地震对建筑物的破坏作用，是由于地面运动激发建筑物强烈振动所造成的，也就是说，破坏的能量来自地面，通过基础向上部结构传递。人们总结地震经验发现，地震时结构底部的有限滑动能大幅度地减轻上部结构的破坏程度，因此在建筑物上部结构与基础之间以及上部建筑层间设置隔震层, 利用软弱隔震层的大变形来减少地震能量的输入，减少地震地面运动对上部结构的影响（隔震一般可使结构的水平地震加速度反应降低60% 左右）, 从根本上减少地震对人身安全、建筑物及其室内重要设备的破坏，以达到防震的目的。隔震措施主要包括基础隔震和层间隔震。基于可动概念的基础隔震方案主要有以下几种：

（一）软垫式隔震

软垫式隔震是在房屋底部设置若干个带铅芯的钢板橡胶块隔震装置，使整个房屋坐落在软垫上。与传统结构相比，在结构底部设置软垫式隔震装置的楼房在遭遇地震时，楼房底面和地面之间产生相对水平位移，房屋自振周期加长，主要变形都发生在软垫处，上部结构层间侧移变得很小，从而保护结构免遭破坏。

（二）滑移式隔震

滑移隔震体系是指在上部结构和建筑物基础之间设置一个滑移面，并在滑移面上使用摩擦系数较小的摩擦材料（钢珠、石墨等），允许建筑物在发生地震时相对基础作整体水平滑动，使结构与基础解锁，起到隔离地面运动的作用。同时建筑物在滑动过程中通过摩擦耗散了地震能量，有效限制能量向上传递和向下反馈，从而达到减震的效果。

（三）摆动式隔震

摆动式隔震是将基础支撑在可摆动的短柱群或桩基上，或者将基础设计成底部呈球状的整体，并在基础侧面采用圆形弹簧作为阻尼器。在地震作用下，基础可产生一定的倾向和摆动，即以低的刚度控制结构的反应，延长自振周期，从而减轻地震作用。此种摆动隔震方式实际上是柔性底层概念的改进和引伸。

（四）悬吊式隔震

悬吊式隔震是将整个结构物悬挂在巨型钢架或钢筋混凝土内筒上，地震时，悬挂物和支撑协同工作，从而大幅度减少建筑物所受到的地震惯力。其中应用最广泛的是多层悬挂楼板结构，主要用于公共和生活建筑。层间隔震是结构隔震与抗震相结合的一种方法，它是在原结构上安装由质量和隔震支座组成的耗能减震装置，地震时，耗能减震机构吸收并消耗地震能量，从而减小原结构的地震反应。上部隔震部分结构对下部抗震部分也具有反作用。它的减震效果一般在10 ％～40％之间，显然它的减震效果不及基础隔震结构，但它可利用结构的加层或原结构的隔热层，做适当的改建，从而达到减震目的。所以这是一种简单、容易实现的方法，在增加少量投资的同时，大大提高结构的抗震能力，适用于旧房加层和抗震加固结构。层间隔震常用的支座是橡胶支座，可提高弹性回复力。

五、结语

目前，国内有关高层隔震建筑物在设计和施工方面的研究仍然相当欠缺，在这一领域存在较大的技术空白，一定程度上阻碍了高层隔震建筑的发展。而对于已经完成的研究报告仍有待各有关部门的探讨和评估，并且接受生产实际的检验，使研究的成果得以展现，最终能应用于高层隔震建筑物结构的设计审查、隔震消能材料的认证与认证机制以及评定机构的指定工作中来。如何有效的结合各有关部门和机构，研究高层结构隔震技术，是我们技术工作者的共同任务。

参考文献

[1]陈眼云，谢兆鉴，许典斌，建筑结构选型（第二版）.华南理工大学出版社，2006.01.

[2]渡边邦夫.结构设计的新理念、新方法. 中国建筑工业出版社.2008.01.

[3]徐天水,崔俊山. 高层建筑创作中的结构表现.山西建筑.2008,07.

[4]何文福.高层隔震结构地震反应振动台试验分析.[J].振动与冲击.2008.08

[5]王学庆. 高层分段隔震结构的动力响应分析.[J].地震工程与工程振动.2008.1.

[6]潘峰祖. 高层建筑夹层橡胶隔震垫施工技术.[J].山西建筑.2008.12.

[7]程华群, 刘伟庆, 王曙光. 高层隔震建筑设计中隔震支座受拉问题分析[J]. 地震工程与工程振动, 2007, 27( 4): 161- 166.