试论超高层隔震建筑物结构设计技术

摘要：地震灾害是对人类造成杀伤性最大的自然灾害之一，尤其是对于人口密集的城市来说，一旦发生地震灾害，如果不能做好建筑物的抗震设计来抵御，那么后果将不堪设想，近些年随着高层建筑的不断涌现，让抗震设计显得更加重要，只有做好超高层的隔震方面的结构设计工作，才能避免在地震中最大程度的减少受影响程度，甚至可以避免受到灾害波及。在此主要浅谈一下超高层的隔震建筑物的结构设计相关的技术类问题，以期与同行共同探讨共同进步。

关键词：隔震技术 隔震设计

近代的基础隔震技术基本上可分为两大类，即弹性隔震和基础滑动隔震。在弹性隔震中，叠层钢板橡胶垫隔震技术应用最多。这类隔震方案主要是在房屋底层与基础顶面之间增设一个侧向刚度很低的隔震层，使在地震过程中整个结构体系的周期变长，变形集中在底层，上部结构基本上是刚性运动。但主要用于隔震水平地震动，对于竖向震动则几乎没有隔离作用；另一方面，这种隔震体系实际上是在地震时对上部结构起着低通滤波的作用，地震中的中高频成分几乎全部可以滤掉，但并不能完全避免结构共振。

1、隔震技术

隔震技术不仅在新建工程中获得应用，而且已用于现有建筑的抗震加固改造。隔震装置可安装在结构的防火层或设备层，隔震层可设置在结构的不同部位，如基础、中间层等，也可设置在房屋的顶层，同时起到结构加层和抗震加固的目的。由于传统的加固改造技术对结构震后的性能和不可靠程度缺乏准确地了解，故较难达到强度和延性的合理匹配。采用隔震技术对结构进行加固改造，通过在隔震层设置刚度很小的隔震装置，将地震变形集中到隔震装置上，相对于依靠结构本身的较高强度和较低变形来吸引地震能量而言，隔震结构的周期和阻尼都有很多的提高，故加速度和位移反应明显降低。

2、隔震建筑的形式

2.1基础隔震

基础隔震是建筑抗震新技术家族中的佼佼者，大量试验研究及多次强震实践表明，基础隔震以其极少的投资换取很大的安全系数。基础滑动隔震效果受地面运动频率特性的影响较小，几乎不会发生共振现象。

所谓基础隔震，就是在建筑物的基础与上部结构之间增设高度很矮， 具有足够可靠性的隔震层，控制地面运动向上部结构传递，地震时其能量可反馈到地面或由隔震层吸收，以大大减小结构及构件的地震反应，确保建筑物的整体安全，其内部设备不发生破坏或丧失使用功能，室内人员不遭受伤害也不会有强烈震感。同时，还可防止结构内部的次生灾害。主震后无需避震疏散，即使发生罕遇大震隔震房屋也不会倒塌。

2.2、基地隔震形式

1）夹层橡胶垫隔震装置用于隔震装置的橡胶垫块，可用天然橡胶，也可用人工合成橡胶（氯丁胶）。为提高垫块的垂直承载力和竖向刚度，橡胶垫块一般由橡胶片与薄铜板叠合而成.

2）铅芯橡胶支座这样就使支座具有足够的初始刚度，在风荷来和制动力等常见载荷作用下保持具有足够的刚度，以满足正常使用要求，但强地震发生时，装置柔性滑动，体系进入消能状态。

3）滚珠（或滚轴）隔震有自复位能力的；有加铜拉杆风稳定装置；横向油压千斤顶位的。另外，还有加消能装置的，消能装置有软消能杆剪，铅挤压消能器，油阻尼器，光阻尼器等。

2.3中间层隔震

在基础以上的中间楼层设置隔震层，下部结构同普通建筑物一样直接与地基接触，因此它不存在基础隔震建筑的底部体积和墙体数量问题，但隔震层以下的楼层需要做抗震处理。在市区场地不太宽裕时，可把隔震层设计在地面以上，在空中变形有利于节约用地，同时也能有效减少地基的挖土量。

2.4悬挂隔震

悬挂隔震使将结构的全部或大部分质量悬挂起来，是地震动传递不到主体质量上，产生较小的惯性力，从而起到隔震作用。悬挂结构在桥梁、火电厂锅炉架等方面有大量应用。著名的43层香港汇丰银行新大楼采用的就是悬挂结构。

悬挂结构悬杆受力较大，须采用高强钢，而高强钢忍性差，在竖向地震作用时易拉断。为减小竖向地震作用，可在吊点设减震弹簧，并配合使用阻尼器。

3、隔震结构控制理论

一种新的隔震设计理论―结构控制和控制结构理论。结构控制主要研究结构工程中控制装置的设计理论、方法及其实施，控制结构是根据给定的条件将结构和控制装置作为一个整体进行优化设计。

4、隔震建筑经济性

隔震建筑在振动性能和抗震安全性方面提高了建筑结构的附加价值。因此，与以往建筑比较时，应考虑附加价值进行综合评价。在考虑隔震建筑的造价时，不仅要考虑其初始造价，还要考虑其使用阶段期间遭受地震损坏的维修、重建、内部物品的损坏和经济损失，在此意义上，隔震建筑具有很好的经济性。

5、超高层隔震建筑物设计技术

超高层隔震建筑物设计技术主要有下列关键因素：

长周期建筑物之隔震效果

隔震建筑物之最优越抗震效果即在延长建筑物基本振动周期，但高层建筑物基本振动周期往往超过3秒，隔震后即使将建筑物基本振动周期拉长至5秒以上，由反应谱显示，两者加速度反应相差有限。但是在增加阻尼比降低地震位移反应，则有其贡献。

6、隔震应用的注意事项：

1）隔震实际上会使原有结构的固有周期演唱，在下列情况下不宜采用隔震设计：

①基础土层不稳定；②下部结构变性大，原有结构的固有周期比较长；③位于软弱场地，延长周期可能引起共振；④制作中出现负反力；

2）隔震装置必须具有足够的初始刚度，这样能满足正常使用要求。当强震发生时，装置柔性消震，体系进入消能状态。

3）隔震装置能使结构在基础面上柔性滑动，在地震来时这样必然会产生很大的位移。为减低结构的位移反应，隔震装置应提供较大的阻尼，具有较大的消能能力。

7、隔震体系的优点

1）明显有效地减轻结构的地震反应。从振动台地震模拟试验结果及美国，日本建造的隔整结构在地震中的强震记录得知，隔振体系的结构加速度反应只相当于传统结构（基础固定）加速度反应的1/3――1/10.这种减震效果是一般传统抗震结构所望尘莫及的。从而能非常有效地保护结构物或内部设备在强地震冲击下免遭任何毁坏。

2）确保安全。在地面剧烈震动时，上部结构仍能处于正常的弹性工作状态。这既适用于一般民用建筑结构，确保居民在强地震中的绝对安全，也适用于某些重要结构物和重要设备。

3）减低房屋造价。从汕头，广州，西昌等地建造隔震房屋得知，多层隔震房屋比传统多层隔震房屋节省房屋土建造价：7度区节省3――6%，8度区节省8――14%，9度区节省15――20%.并且安全度大大提高。

8、结论

目前，国内有关超高层隔震建筑物设计与施工之相关研究仍相当欠缺，已完成之研究报告仍有待产、官、学之意见补充，使研究成果得以展现，鉴于隔震建筑日趋普及，隔震建筑设计审查、隔震消能材料认证与验证机制、以及评定机构之指定工作，已刻不容缓，如何有效结合产、官、学三方，尽早订定完善之超高层隔震建筑设计审查机制、隔震消能材料试验标准、以及装设前中后之检测，实为当务之急。