高層建筑隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計之我見

任建軍

(新疆煤炭設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830091)

地震是一種自然災(zāi)害，地震具有突發(fā)性的特點，至今可預(yù)報性仍然很低，我國屬地震多發(fā)國家，因此研究結(jié)構(gòu)的抗震性能在我國具有充分的必要性。本文專門對高層建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)原理做了分析，并對高層建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計進(jìn)行探討。

1 結(jié)構(gòu)隔震的原理與隔震結(jié)構(gòu)的特點

1.1 結(jié)構(gòu)隔震的概念與原理

在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震裝置(或系統(tǒng))形成隔震層，把房屋結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)隔離開來，利用隔震裝置來隔離或耗散地震能量以避免或減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳輸， 以減少建筑物的地震反應(yīng)，實現(xiàn)地震時建筑物只發(fā)生輕微運(yùn)動和變形，從而使建筑物在地震作用下不損壞或倒塌，這種抗震方法稱之為房屋基礎(chǔ)隔震。其原理是通過設(shè)置隔震裝置系統(tǒng)形成隔震層，延長結(jié)構(gòu)的周期，適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)的阻尼，使結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)大大減少，同時使結(jié)構(gòu)的位移集中于隔震層，上部結(jié)構(gòu)像剛體一樣，自身相對位移很小，結(jié)構(gòu)基本上處于彈性工作狀態(tài)，從而使建筑物不產(chǎn)生破壞或倒塌。

1.2 隔震結(jié)構(gòu)的特點

抗震設(shè)計的原則是在多遇地震作用下， 建筑物基本不產(chǎn)生損壞；在罕遇地震作用下，建筑物允許產(chǎn)生破壞但不倒塌。按抗震設(shè)計的建筑物，不能避免地震的強(qiáng)烈晃動，當(dāng)遭遇大地震時，雖然可以保證人身安全，但不能保證建筑物及其設(shè)備及設(shè)施安全，而且建筑物由于嚴(yán)重破壞常常不可修復(fù)。如果用隔震結(jié)構(gòu)就可以避免這類情況發(fā)生，隔震結(jié)構(gòu)通過隔震層的集中大變形和所提供的阻尼將地震能量隔離或耗散，地震能量不能向上部結(jié)構(gòu)全部傳輸，因而，上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)大大減小，震動減輕，結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生破壞，人員安全和財產(chǎn)安全均可以得到保證。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計

2.1 基底隔震原理

基底隔震是指在結(jié)構(gòu)物底部與基礎(chǔ)頂面之間設(shè)置隔震消能裝置，使之與固結(jié)于地基中的基礎(chǔ)頂面分開，限制地震動向結(jié)構(gòu)物傳遞，降低上部結(jié)構(gòu)的放大效應(yīng)，減輕建筑物破壞程度基底隔震裝置一般應(yīng)具備三個條件：

2.1.1 隔震層能使結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)面產(chǎn)生滑移，以使結(jié)構(gòu)體系的自振周期增大，遠(yuǎn)離場地卓越周期，從而能把地面運(yùn)動隔開，有效降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

2.1.2 隔震裝置具有足夠的初始彈性剛度，即在微震或風(fēng)載作用下，具有良好的彈性剛度，能滿足正常使用要求，在強(qiáng)震作用下，隔震裝置能產(chǎn)生滑動，使體系進(jìn)入耗能狀態(tài)。

2.1.3 隔震裝置具有較大阻尼和耗能能力，保證其荷載——位移曲線的包絡(luò)圖面積較大，以消耗地震能量降低結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)。

2.2 基礎(chǔ)隔震裝置

隔震裝置是由隔震器、阻尼器、復(fù)位裝置組成。

隔震器的作用是支承上部結(jié)構(gòu)全部重量。延長結(jié)構(gòu)自振周期，同時具有經(jīng)歷較大變形的能力。

阻尼器的作用是消耗地震能量，抑制結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的過大位移。

復(fù)位裝置的作用是提高隔震系統(tǒng)早期剛度使結(jié)構(gòu)在微震或風(fēng)載作用下，能夠具有和普通結(jié)構(gòu)相同的安全性。

2.2.1 隔震支座。隔震器和阻尼器往往合二而一構(gòu)成隔震支座，只有當(dāng)隔震支座阻尼不足時，才另加阻尼器。

（1）滑動支座。早期的滑動方法為滾珠隔震，即在上部結(jié)構(gòu)與平板狀基礎(chǔ)之間設(shè)置滾珠。滾珠可做成圓形，設(shè)置于平板或凹板上，也可做成橢圓形，以形成復(fù)位力。滾珠能把地面運(yùn)動幾乎全部隔開，使結(jié)構(gòu)免受振動，滾珠隔震需要有輔助裝置協(xié)助復(fù)位，并要有風(fēng)穩(wěn)定裝置保證風(fēng)載下不產(chǎn)生過大水平位移。

（2）疊層橡膠支座。由橡膠片與薄鋼板交替疊合而成，鋼板邊緣縮入橡膠內(nèi)，可防止鋼板生銹。疊層橡膠支座又可分為普通疊層橡膠支座、高阻尼疊層橡膠支座、鉛芯疊層橡膠支座和。普通疊層橡膠支座中的橡膠為有添加劑的天然橡膠或氯丁二烯橡膠，其阻尼性能較差，只具備延長周期的功能，應(yīng)用時必須同阻尼器配合作用。由于橡膠板上、下兩面的橫向變形受到剛板的約束，在豎向荷載作用下橡膠板中部處于三向壓力狀態(tài)，從而形成很高的抗壓強(qiáng)度。

疊層橡膠的水平剛度一般為豎向剛度的1%，具有明顯的非線性特性。小變形時，其水平剛度能保證建筑物在風(fēng)載下的使用功能；大變形時橡膠剪切剛度下降較多，約為初始剛度的20%，可以大幅度降低結(jié)構(gòu)振動頻率，減小地震反應(yīng)。

（3）摩擦擺支座。為了使建筑物滑移后自動復(fù)位，目前出現(xiàn)一種摩擦擺支座。摩擦擺支座類似于一個鉸裝置，上部為活動擺頭，下部為曲面承臺，擺頭與曲之間襯有網(wǎng)狀增強(qiáng)纖維，以利用摩擦阻尼耗散能量。該裝置可利用結(jié)構(gòu)本身重力回到原來位置。

2.2.2 阻尼器。鉛芯疊層橡膠支座、高阻尼疊層橡膠支座以及某些滑動支座都具有隔震系統(tǒng)所需要的阻尼。當(dāng)隔震支座阻尼不足時，可另加阻尼器，常用的基底隔震阻尼器有：彈塑性阻尼器、干摩擦阻尼器和粘彈性阻尼器。

（1）彈塑性阻尼器鋼材具有良好的塑性變形能力，可以在超過屈服應(yīng)變幾十倍情況下，經(jīng)歷往復(fù)變形不發(fā)生斷裂。利用軟鋼的變形能力和耗能能力可制成各種形狀阻尼器。

（2）鉛棒阻尼器。鉛具有軟化剛度，進(jìn)入塑性后表現(xiàn)出滯回能特點，利用獨(dú)立鉛棒變形吸能可制成鉛阻尼器，在強(qiáng)烈地震下，鉛棒軟化，可以損耗大量振動能量。鉛具有軟化剛度，進(jìn)入塑性后表現(xiàn)出滯回能特點，利用獨(dú)立鉛棒變形吸能可制成鉛阻尼器，在強(qiáng)烈地震下，鉛棒軟化，可以損耗大量振動能量。

（3）干摩擦阻尼器。在普通疊層橡膠支座上加摩擦板形成干摩擦阻尼器，上滑板為不銹鋼板，嵌于結(jié)構(gòu)底部；下滑板為青銅鉛板，置于疊層支座頂部。地震時上下兩板之間發(fā)生滑動，產(chǎn)生阻尼，同時也保護(hù)了疊層式隔震器。

2.2.3 復(fù)位裝置。為了防止建筑物在微震或風(fēng)載作用下發(fā)生運(yùn)動影響結(jié)構(gòu)使用，便于建筑物在大震后及時復(fù)位，應(yīng)設(shè)置微震和風(fēng)反應(yīng)控制裝置或建筑物復(fù)位裝置。目前已應(yīng)用的具有風(fēng)穩(wěn)定及復(fù)位功能的支座；以及抗傾覆支座。

2.3 隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計

隔震結(jié)構(gòu)通過隔震層的集中大變形和所提供的阻尼將地震能量隔離或耗散，地震能量不能向上部結(jié)構(gòu)全部傳輸，因而，上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)大大減小，振動減輕，結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生破壞，人員安全和財產(chǎn)安全均可以得到保證。

2.3.1 隔震的要求。隔震主要用于高烈度地區(qū)或使用功能有特別要求的建筑以及符合以下各項要求的建筑:

（1）不隔震時，結(jié)構(gòu)基本周期小于 1.0s 的多層砌體房屋、鋼筋混凝土框架房屋等。

（2）體型基本規(guī)則，且抗震計算可采用底部剪力法的房屋。

（3）建筑場地宜為1，2，3類，并應(yīng)選用穩(wěn)定性較好的基礎(chǔ)類型。

（4）風(fēng)荷載和其他地震作用以及水平荷載不宜超過結(jié)構(gòu)總重力的10%。隔震建筑方案的采用，應(yīng)根據(jù)建筑抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、建筑結(jié)構(gòu)方案和建筑使用要求，進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性綜合比較分析后確定。

2.3.2 隔震層的設(shè)置。隔震層的布置應(yīng)符合下列要求:

（1）隔震層可由隔震支座、阻尼裝置和抗風(fēng)裝置組成。阻尼裝置和抗風(fēng)裝置可與隔震支座合為一體，亦可單獨(dú)設(shè)置，必要時可設(shè)置限位裝置。

（2）隔震層剛度中心宜與上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心重合。

（3）隔震支座的平面布置宜與上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的豎向受力構(gòu)件的平面位置相對應(yīng)。

（4）同一房屋選用多種規(guī)格的隔震支座時，應(yīng)注意充分發(fā)揮每個橡膠支座的承載力和水平變形能力。

（5）同一支承處選用多個隔震支座時，隔震支座之間的凈距應(yīng)大于安裝操作所需要的空間要求。

（6）設(shè)置在隔震層的抗風(fēng)裝置宜對稱，分散地布置在建筑物的周圍或附近。

[1]王心田．建筑結(jié)構(gòu)體系與選型[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2011.

[2]豐定國，王社良．抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]．武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2012.