淺析超高層建筑結構隔震設計技術之應用

張忠良

【摘要】：國內中低層隔震建筑物發展己漸成熟，國外由鋁心橡膠隔震組件和消能組件組合及多種隔震組件組合，所構成的隔震系統經過多次地震驗證性能，證實可行，并用于超高層建筑物；國內現階段采用的隔震系統，超高層建筑物受日本影響逐漸起步，本文以日本大阪西梅田大樓、南堀江大樓兩棟超高層建筑為例，說明超高層隔震建筑設計、施工等原則，作為國內推動超高層隔震建筑設計和施工之參考。

【關鍵詞】：超高層建筑物；隔震；消能；

1、耐震建筑物、隔震建筑物及消能建筑物

中國大部分地區地處于環太平洋地震帶上， 每年發生大地震機率較高，因此建筑物耐震設計非常重要。傳統建筑物采用耐震設計規范 設計建筑物，主要考慮強度及韌性，5.12地震后，由業界引進兩種耐震新技術隔震及消能。其技術由研究階段邁入實際應用階段。這兩種耐震新技術在日本阪神地震發生后蓬勃發展；中國大部分地區和其它世界各主要受強震破壞國家均不例外。自2008年5.12地震發生以后，國內采用隔震消能新技術的建筑物案例與日俱增，規范也適應時勢所驅，于是耐震規范中列入專章，包括了有關隔震與消能設計的規定。

1.1耐震建筑物

耐震建筑物耐震設計的基本原則，使建筑物結構體在中小度地震保持在彈性限度內，設計地震時允許產生塑性變形，但韌性需求不能超過允許韌性容量，最大考慮地震時的使用韌性可以達到規定韌性之容量。

1.1.1中小度地震：回歸期大約為30年的地震，50年超越機率大約在80%左右，故在建筑物使用年限中發生的機率非常高，所以要求建筑物在中小度地震下的結構體要保持在彈性限度內，使地震過后，建筑物結構體不受任何損壞，以避免建筑物在中小度地震過后修補麻煩。一般來說，對于高韌性容量的建筑物，這一目標常控制它的耐震設計。

1.1.2設計地震：回歸期為475年的地震，50年超越機率約在10%左右。所以該地震水平下的建筑物不得產生嚴重損壞，以避免造成嚴重的人命以及財產損失。對于重要建筑，所對應的回歸期更長。設計地震下如若限制建筑物必須保持彈性，并不經濟，因此允許建筑物在某些特定的位置（比如梁端部產生塑鉸，以此消耗地震能量，并降低建筑物所受的地震反應）才是對付地震的經濟做法。對防止過于嚴重，不可修護的損壞，建筑物產生的韌性比不能超過允許韌性容量。

1.1.3最大考慮地震：回歸期2500年的地震，50年超越機率約在2%左右。設計要使建筑物在該罕見的烈震下不產生崩塌，以避免造成嚴重 損失及二次災害。實際地震 水平己經為最大考慮地震，如還限制其韌性容量的使用，并不經濟，所以允許結構物使用韌性可以達到的韌性容量。

1.2隔震建筑物

隔震建筑物是在建筑物的基面設置隔震層。其隔震層系是由側向勁度較低的隔震組件組成，使整體隔震建筑物的周期大幅拉長，借以降低作用在結構物上的地震力。但因周期增加以后，建筑物位移增加較低，因此，再配合消能組件提高系統的阻尼比，從而降低位移量。隔震建筑物還有一個特性，就是因為隔震層相較于上部結構軟了許多，所以當它受地震水平力的作用時，隔震層的相對變位較大，但上部結構的相對變位較小。因此可以將上部結構視為剛體。

1.3消能建筑物

消能建筑物就是加上一些阻尼器，以增加建筑物的阻尼比來達到耐震 目的。依據耐震設計規范10.2節定義，消能組件大概分為位移型、速度型以及其它型式。位移型消能組件顯現剛塑性 、雙線性或三線性遲滯行為，其反應需和速度及激振頻率無關。速度型消能組件由于不同的阻尼比、勁度及材料分為：包含固態與液態黏彈性組件和液態黏滯性組件。第三類則包括括所有不屬于位移型和速度型的消能組件，典型范例包括形狀記憶合金、摩擦、彈簧組件，及兼具回復力及阻尼的液態消能組件。

2.世界各國隔震建筑物發展現狀

各國推展隔震建筑物數量不同，不過有一個共通點，即大地震來臨，往往成為催生者。比如美國北嶺地震（1994），日本阪神地震（1995），中國大部分地區集集地震（2008）等，雖然地震造成工程產官學界痛定思痛的痛楚，但經建筑物損壞情形來看，終于肯定隔震建筑物在地震中的優越性能。

3.耐震建筑與隔震建筑造價的比較

由日本統計數據顯示，隔震建筑物和耐震建筑物造價相比較，如建筑物的高度在25m以下，那么隔震建筑物造價為耐震建筑物造價的105%-109%；如建筑物高度在25m-31m，隔震建筑物造價為耐震建筑物造價的102%-104%；如建筑物高度在31m以上，隔震建筑物造價為耐震建筑物造價的99%-103%。

另外比較隔震建筑物的結構造價，辦公室的隔震建筑物結構費用大概占建筑物費用的18%，旅館隔震建筑物結構費用大概占建筑物費用的13%，醫院隔震建筑物的結構費用大概占建筑物費用的8%。數據顯示越重要的建筑物，采用隔震建筑物設計，結構費用相對來講最經濟。

4.隔震建筑的新趨勢

高層和超高層隔震建筑物，目前日本最高隔震建筑物為位于大阪城的西梅田超高層計劃，地下1層，地上50層，屋突2層（SRC+RC）， 基礎隔震，樓高177.4M，高寬比5.8：1，隔震型式有滑動支承，積層橡膠，及U型鋼板消能器+fluid damper。

5.超高層隔震建筑物設計技術

超高層隔震建筑物設計技術主要有下列關鍵因素：

5.1長周期建筑物的隔震效果

隔震建筑物最優越的抗震效果是延長建筑物的基本振動周期，但是高層建筑物的基本振動周期通常超過3秒，隔震后使建筑物基本振動周期拉長至5秒以上，由反應譜顯示，兩者之間加速度反應相差有限。但增加阻尼比降低地震位移反應，則有貢獻。

5.2傾覆作用造成隔震組件受拉力

隔震組件在設計時必須要考慮地震力作用，因此拉力試驗成為規范修訂之首要任務。

5.3風力作用

隔震層設計必須考慮地震力作用，小地震或風力作用，隔震組件是否發揮功能？仍有待深入探討。

結論

目前，國內有關超高層隔震建筑物設計與施工的相關研究仍然欠缺，己完成的研究報告仍有待產、官、學的意見補充，使研究成果得以展現，基于隔震建筑日趨普及，隔震建筑設計的審查、隔震消能材料的認證以及驗證機制、和評定機構的指定工作刻不容緩，該如何有效結合產、官、學三方，盡早制定完善超高層隔震建筑設計的審查機制、隔震消能材料試驗標準、以及裝設前中后的檢測，為當務之急。本文認為，在相關機制和配套措施仍然欠缺的情況下，隔震建筑物能否得以應付千年以上的最大地震折磨、還有待深入探討，而超高層隔震建筑物的發展，應當在上述疑慮未澄清之前，應該采取更為保守的做法。

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