淺議高層建筑結構設計中的隔震減震措施

周東東

摘 要：建筑結構設計采用的抗震措施決定著建筑結構的可靠性與安全性。設計人員均依據(jù)小震不塌、大震可修這一原則開展設計工作，并采用了很多的方法抗震。然而，因多種因素的制約，此工作仍舊存在某些問題。文章?lián)苏归_探究，首先對建筑結構隔震進行分析，然后探討隔震措施，最后闡述減震措施。

關鍵詞：高層建筑 結構設計 隔震 減震

1、建筑結構隔震減震介紹

建筑物內部的阻尼大小有利于地震能量消耗。而減震措施恰好利用這一點，借助建筑阻尼增加吸取地震能量，以此來維護主體結構，降低震害。隔震技術被廣泛應用到高層建筑中，特別是汶川地震后涌現(xiàn)出較多的隔震建筑。因隔震設計選取的材料和以往設計存在差異，和傳統(tǒng)抗震設計對比，當前的隔震設計，特別是高層隔震設計具有一定難度。隔震措施存在時間限制，不僅能應用到新建結構，而且在建筑物建成后可通過阻尼增加來實現(xiàn)減震。從適用部位層面而言，減震措施較為廣泛，無論是上部結構，還是隔震夾層均適用。而消能減震技術利用消能減震裝置配設來提高結構阻尼比，進而防控結構變形問題，借助附加裝置來吸取地震能量，實現(xiàn)主體結構的全面防護，讓主體結構遭受地震災害時不會出現(xiàn)嚴重破壞。依照數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，消能減震結構能夠顯著增強抗震性能。另外，抗震構造還能夠依據(jù)未采用消能減震之前的結構來降低。

2、建筑結構隔震設計的要求

在建筑結構中進行隔震設計工作，能夠使建筑工程結構的穩(wěn)定性大大增強。進行設計工作時，還應結合建筑工程的形式、抗震強度以及施工場地和施工目標來制定最科學可行的抗震、隔震設計方案，并比較各個方案的經(jīng)濟可行性，從中選擇成本最低、施工成效最好的方案。不僅如此，進行抗震設計工作時，一般要保證抗震設計目標比抗震建筑強，一旦出現(xiàn)了水平地震，則建筑的隔震結構會有較好的安全儲備，而且要確保其超過抗震結構半個設防烈度。確定隔震部件時，一定要檢查其各項參數(shù)和性能，以確保良好的安裝質量。通常要使用抽樣檢測的方法開展工作，并結合部件的類型和規(guī)格，和元件比較完成檢驗工作，且抽樣檢測的數(shù)量一般要大于三個，所有元件都合格時才算檢驗通過。

3、建筑結構隔震設計的相關措施

3.1 上部結構的相關措施

隔震層的上部結構位于最上方，在發(fā)生地震問題時，隔震層的上部會發(fā)生一定的位移，且位移的大小和設計方案有一定的關系，一般位移的方向是不固定的，上部結構所產(chǎn)生的變形通常較大，但是加速度并不大，因此在地震期間，家具并不會產(chǎn)生翻轉的問題。要想避免地震中隔震層產(chǎn)生變形，則必須做好下述幾方面的工作：（1）將樓梯、電梯和走廊中的障礙物徹底清除；（2）要在上部安裝防震縫；（3）防震縫和地面間必須有水平的隔震縫，難度較大時，可以再加上水平滑移墊層。

3.2 下部結構的設計

位于隔震層下方的下部結構，對于防震層有著重要的支撐作用。要更好的提高防震層下部結構的安全穩(wěn)定性，必須要使用最科學的原材料和施工方式。多層橡膠支座中一般都是含有鉛芯的，這是在其中加入鉛液并使其冷卻后的結果。鉛芯一般都具有雙線型結構，滯回特性很強，因此在地震時會增加結構的剛度，且強度較大時還能夠分散較多的能量。也就是說，這一設備綜合了隔震器和阻尼器的優(yōu)點，且操作起來十分簡便。所以，進行隔震設計工作時，經(jīng)常選擇這一支座材料。

3.3 選擇合理的結構布置方案

在抗震結構的概念設計中，十分重視結構布置方案。從減震的角度看，結構的平而布置應力求簡明但適當?shù)臏p震措施亦可使復雜的結構得以實現(xiàn)。此外，抗震概念設計排斥抗震縫。利用抗震縫將結構劃分成若干子結構，通過給每個子結構施加側向約束，利用抗震縫中的吸能器消耗子結構的能量，從而形成了結構聯(lián)合振動控制體系，吸能器為結構提供水平控制作用，往往可以大幅度地降低結構振幅。

3.4 對建成建筑物的抗震加固

在對建筑物的地基或基礎進行隔震設計時，我們一定要在建筑物沒有動工以前按照隔震設計的措施，完成相應的工作。最遲也是在建筑物的施工過程當中，在建筑物的關鍵部位設置特殊的隔震裝置。然而，建筑物建成以后，如果想對其進行抗震加固，就要采用增加阻尼的辦法，在建筑物的結構上重新添加消能減震裝置。

3.5 控制建筑物的側移以及水平荷載

在地震發(fā)生時，地震產(chǎn)生的荷載作用對于建筑物結構產(chǎn)生巨大的水平剪力，這個時候建筑物就會產(chǎn)生較大的側移，建筑物越高，在地震的荷載作用之下發(fā)生的側移就會越嚴重。所以我們一定要將建筑物的側移控制在一定的安全范圍之內，才能保證在地震荷載作用下建筑物的側移不引起建筑物嚴重破壞。

在地震發(fā)生時水平荷載會在建筑物結構中引起巨大的軸力，很可能會造成建筑物的傾覆。這與建筑物的高度呈現(xiàn)一定的線性關系，建筑物高度越高，建筑物產(chǎn)生的傾覆力矩就會成倍的增長，因此在我們的高層建筑中，控制水平荷載是一個決定性因素。

3.6 建筑物的墻體和防震縫的設計

墻體是建筑物的主要承重部件，建筑物的墻體使用的多少取決于建筑物的剛度。在建筑物的墻體選擇和設計的過程中，選擇什么樣的墻體，選擇多少墻體，墻體的位置該如何放置等等都要經(jīng)過精心的設計。防震縫是在建筑物各板塊結構中預先設置的一定寬度和長度，以達到在地震發(fā)生的時候建筑物產(chǎn)生的側移或者傾倒的時保持一定的穩(wěn)定性和整體性。但是由于地震的發(fā)生屬于偶然的自然災害，所以防震縫在普通的地區(qū)一般不設置或者很少設置，經(jīng)常設置在地殼易發(fā)生運動的地震區(qū)，不過由于地震的時候地殼發(fā)生運動，建筑物和地面都會產(chǎn)生一定的位移，因此地震縫的寬度和長度的設置都有一定的難度，目前運用還不夠成熟。

4、工程實例

某地區(qū)一棟小學教學樓，抗震設防烈度8度，設計基本地震加速度峰值0.30g，設計地震分組第二組，II類場地，場地特征周期0.40s。采用框架結構形式，樓層數(shù)為3層，建筑結構高度12.5m，寬9.0m，高寬比1.4。屬于重點設防類，乙類建筑。本工程使用有限元軟件ETABS建立隔震與非隔震結構模型，并進行計算與分析。計算選取了實際5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程。通過計算，各時程平均反應譜與規(guī)范反應譜曲線較接近，同時各時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應譜法所用的地震影響系數(shù)曲線在對應于結構主要振型的周期點上相差不大于20%，滿足規(guī)范要求，可以應用本工程計算分析。本工程共使用了21個支座（其中15個LRB400，6個LRB500）。

通過計算，非隔震結構的基本周期分別為0.639s（第一振型）、0.580s（第二振型）、0.521s（第三振型），而隔震結構的基本周期分別為1.846s（第一振型）、1.823s（第二振型）、1.562s（第三振型）。采用隔震結構后的自振周期延長至非隔震結構的2.8倍左右，結構的基本周期明顯延長。隔震層以上結構在隔震前后的層間剪力比值平均值最大值（水平向減震系數(shù)）0.267，說明采用隔震技術能夠降低上部結構的地震響應。

結束語

隔震技術的成熟發(fā)展及推廣應用，標志著人類在防震減災方面取得了長足的發(fā)展。文章依據(jù)現(xiàn)有抗震設計規(guī)范，初步總結了隔震結構設計的設計流程。通過工程實例，表明采用隔震減震方法是有效的。

參考文獻

[1]羅強軍，談燕，郭明星，潘凱云，商黔建，高國家.昆明天湖景秀棚改項目百米高住宅隔震結構設計[J].建筑結構，2016，11：33-38.

[2]楊臻.高層建筑結構隔震設計研究[J].建筑知識，2016，10：36.

[3]趙志鵬，殷棕康，曹麗麗.建筑結構設計隔震和消能減震措施分析[J].民營科技，2016，12： 148.

[4]羅智勤.高層建筑結構隔震設計關鍵問題[J].住宅與房地產(chǎn)，2016，33：41.