高層建筑中隔震結構等效簡化計算模型的應用

葛根旺 潘隨偉

(馬鞍山學院，安徽 馬鞍山 243100)

隔震概念最早起源于國外，經過很多年的發展，隔震技術已經取得了很大的發展。目前，隔震技術已經相對成熟了，已建成了很多隔震建筑，且這些隔震建筑經過實驗驗證確實起到了非常好的隔震效果。如日本東京的移動鋼筋混凝土隔震建筑在面對地震時經受住了地震的考驗，起到了很好的效果；美國的一個醫院也是采用隔震建筑的方法進行建造的，在美國地震中，這棟建筑及設備都沒有損壞，成為當時的防災搶救中心；我國也有一棟隔震建筑，這棟建筑在臺灣海峽地震中仍舊良好地保存下來，且保護了建筑里面的人。采用隔震技術所建造的大樓在地震到來時能有效防止被地震破壞，盡可能地保護人類的生命與健康安全[1]。這些實際的工程實例都充分驗證了隔震技術在實際生活過程中的可靠性，隔震技術能提高原本居住地的安全性能，保障居住地人們的生命健康安全。

1 高層隔震技術發展現狀

我國大力的推廣隔震技術，很多建筑在建設的過程中都開始使用這個技術。因此，關于隔震技術的一系列規范也都相繼公布，并已建成了利用隔震技術的工程。目前，我國國內隔震結構設計常用的方法主要是以下幾個步驟：首先，利用隔震結構動力軟件對現有的建筑進行分析，計算出目標隔震參數；其次，當滿足預期的隔震要求后，就應當對隔震建筑的上部結構進行單獨計算，通過一些常見的設計軟件來進行分析，仔細采集這棟建筑上的一些關鍵性的數據，盡可能的接力計算上部結構的內力。在這個過程中必須要注意盡可能的簡化計算模型，尋找一個更為簡便的計算方法。筆者主要從力學特點出發研究出了一種隔震層計算比較簡便的計算方法，希望能得出一些有效的數據供設計人員使用。

2 疊層橡膠支座力學性能

疊層橡膠支座目前的制作工藝已非常成熟，且已廣泛應用到施工的各個環節中[2]。經過相關的數據研究表明，這個疊層橡膠制作的主要優點就是應用到隔震體系中，其剛度很大，具有非常強的承載能力。但這種物質的水平剛度比較小，水平向變量比較大。數據研究表明，鉛芯橡膠支座的計算模型可大致簡化為等效雙線性簡化模型，如圖1所示：

圖1 等效雙線性簡化模型

這種新型的支座目前在建筑工程中已廣泛應用，體現在一些動力分析軟件之中，如說橡膠制作的模型就會采用比較普遍的新型計算模型，這種方法提高了工作效率。

3 設計方法

目前，一部分的動力軟件可以通過數值計算來計算上述結構的內力，但構建內部的截面配比在處理過程中有很大難度。經過相關的數據研究結果顯示表明，對于隔震體系如果采用加連梁的方式將會更有利于整個體系的穩定性，能夠幫助體系在運行過程中更加安全。因此，本文就是采用柱頂加拉梁隔層的方法來維持整個系統的穩定性，保證隔震設計能夠更加耐用。

3.1 隔震設計

3.1.1 隔震層布置

要想精確地對隔震層進行布置，首先應當根據建筑的不同類別來確定橡膠制作的壓力極限值，在此基礎上更加細致地計算隔震支座的直徑，計算直徑后以此為基礎進一步確定支座制作的位置[3]。在整個調整過程中需確保最終的隔震層偏心率不超過一定的數值，也要保證最終的設計成果滿足抗風的要求。

3.1.2 水平向減震系數的計算

水平向減震系數是在一定前提條件下經過進一步的計算來確定的，新抗震規范中明確規定了減震系數的數值，在此基礎上再計算相關的彈性數值。如果最終的計算數值顯示為高層結構，還需要計算隔震與非隔震結構相關數值的最大力矩，隔震和非隔震結構在計算過程中需要考慮所使用橡膠支座的剪切變形量，并與正確的數值相比對。在分析過程中應按照加速度最大值從相關的規范中進一步查詢出來，并根據最終的查詢計算結果來判定最終結果是否達到預期目標。

3.1.3 相關數值的驗算

在相關數值計算完畢后需對數值進行驗算，隔震設計除滿足基本的設計目標之外還有一些具體的點需要核實，還需要校正相關隔離層的位置是否移動這些問題。這些數值都需要進行仔細的計算并處理。在這一過程中最終的計算結果會顯示出所采用的隔震制作的最小直徑。

3.2 結構設計

根據我國相關政策規定及規范，進行結構設計需要在一定的外力條件下進行靜力設計，若設計程序中含有一些支座單元就必須要進行詳細的處理，應當先選取隔震支座參數為一定數值的百分比，并將所選取的參數與水平方向的剛度設計值進行比較。目前，大多設計軟件無法考慮隔震單元，很多設計軟件，大多數情況下都是采用多個計算設計程序的方式來對隔震結構進行設計，在這個過程中，也需要對隔震結構的計算模型進行簡化和修飾。按照隔震設計的最終目標對相關數據進行進一步的配比計算，最終得出數據。3.2.1 簡化計算模型

首先，應簡化計算模型，在簡化的過程中應當從受力角度來分析，目前，大多數的隔震支座的彎曲變形都是可以忽略不計的，所以，在實際計算過程中可以不承受上部結構。其次，大多數的隔震支座的水平剛度都是非常小的，在此前提下，這些支座就會產生一定水平的位移，所以，隔震制作就可以進一步的簡化為一個類似于彈簧的組合，這些彈簧組合能在外力作用下進一步地發揮作用。但在實際軟件設計過程中卻沒有彈簧組合可以選擇，為能夠應用彈簧組合，就需要對支座進行進一步簡化。當地下室內部的固定位置假設為無限制，且相關頂梁板的剛度很大情況下，就可把隔震支座簡化為其他類型的支座，為避免因轉換層剛度過大的情況出現，導致最終承受過大壓力的情況，也可以把隔震支座改變為固定支座，這種變化更有利于承受壓力。

3.2.2 簡化計算模型

目前，隔震層消耗了大量的地震能量，因此，在運用過程中有著很多不同的特點。隔震層的上部結構實際承受地震的能力大大地減小，為解決這個問題，簡化相應的模型就會改變對應的參數。在這種狀況下，其內部參數也會發生很大的變化。由于隔震層變形引起附加力的變化，這種變化在簡化模型中無法詳細地計算，所以，在具體的設計過程中，需將隔震技術在施加相應內力后再簡化到最終的模型中。在計算相關水平地震影響系數時可以采用以下計算方法：首先，可采用隔震設計中所計算得到的最終系數，在此系數的基礎上來計算影響隔震結構的影響系數。其次，根據水平隔震系數來確定上部的具體結構，以此確定實際的設防水平。設防烈度可根據實際情況降低半度，但對應的上部結構的構造應重新設計。

經過相關的數據顯示可以證明，兩種不同方法中高層框剪體系更適合于現有的情況，在這種狀況下，隔震前后的數據值變化不大，且在高樓層處經過隔震處理后，可明顯的看出最大層次的位移角有了明顯的變化，對應的數值也有了明顯的減小[4]。所以高層框架結構體系經過最終的證明可以發揮出真正的減震效果。

根據相關的數據圖顯示可看出，剛性體系在不隔震情況下，最終簡化模型和部分樓層間的距離都已超過國家規定要求的最高限值，在這種情況下，電算模型顯示的就更加的明顯。如果引入基礎隔離體系就會改善這一情況，在引入基礎隔離體系后對相關數據進行統計計算，這種新型的隔震方式隔震效果良好，所以，在實際使用過程中可以多采用這種結構。在使用這種隔震結構設計后會發現各層的樓層剪力明顯減小，且減震效率也大幅度的提高。目前，很多基底減震效率朝著兩個不同的方向在變化，最終的減震結果表明減震效果明顯。

3.3 最終的計算結果分析

本文在原有的隔震體系模型基礎上，根據原有數據為基礎進一步提出了高層框剪隔震體系的理論模型，這個新型的模型有利于應用到實際之中。本文也詳細地論述了一個高層框剪結構隔震體系的實際應用例子，通過相關的數據分析和例子驗證可以表明以下數據：首先，高層框剪結構隔震體系簡化后的結構模型比較接近于實際值，與相關計算機計算出來的隔震模型數值相差不大，所以，可以此模型為基礎來進行高層框剪隔震體系的數據定性分析和定量分析，也可以此模型為基礎來進一步設計相關的參數[5]。其次，與最終計算體系相比較。目前，由于剛接體系的整體性能都是比較強的，但是隔震體系一旦進入，其效果就變得非常明顯。最終的反應值相較于以前的體系來說更小，所以，最終的數據分析結果可以證明這種新型的剛接框架結構更適合隔震體系。

4 工程實例分析

某一個六層的鋼體混凝土框架結構已經建設完畢，這個框架結構的隔震層設置在頂端，而且隔震層的高度為1.5m，首層層高5.1m，通過對該地的實際數據進行測量后得出該建筑的隔震結構周期相較于其他建筑來說比較大，且該建筑的隔震周期是非隔震周期的3倍左右。對相關的計算模型進行簡化后可以得出最終的數據，各個數據的分析結果比較，如下頁表1所示。

表1 數據的分析結果比較

4.1 樓層動力響應比較

簡化計算模型的動力響應經過計算與簡化其他類型模型的動力響應非常接近，其平均值都維持在一定數值之內。簡化計算模型和隔震計算模型都應維持在不同的分布形式，只有這樣才能使建筑更加穩定。通過相關的計算分析結果可知：簡化計算模型與隔震計算模型加速度比值為0.38，所以，兩種不同類型的模型非常接近，在實際應用過程中需進行仔細的辨別。

4.2 框架柱力比較

在外界地震作用下，柱子很容易出現損壞現象，為防止柱子大幅度倒塌被損壞，應充分關注柱子的彎切內力。柱子所能承受的最大彎曲程度與剪力有著密不可分的關系，且主軸方向的框架最終的受力方向也會受到剪力的影響。本文給出了相關剪力的實際情況。通過數據分析，可以得知由于基礎連接方式存在著很大的不同，使隔震層處的力度彎曲程度也有很大區別。所以，在建造建筑物過程中需選擇合適的柱子，應當對柱子的各項數據性能進行精確的考察，選擇更加安全的柱子來應用。

4.3 轉換層梁內力

在設置隔震層后，上面的結構需要通過隔震層才能將受力進一步傳遞到下部結構。在這一過程中，為保證上部結構能盡可能的穩定，應將隔震層頂部設置成梁板式樓蓋結構，且在設計此結構時要確保板子的厚度維持在一定的數值之內，不能過大，也不能過小。梁板的剛度和承載力一般來講都會大于一些普通的建筑結構。

5 結語

本文結合隔震層的力學特性及隔震層的實際框架結構特點進行了詳細分析，隔震結構的上半部分結構比較簡單，大致上可分為鉸接和固接兩種不同的形式。這兩種形式各有其特點。以一棟六層框架結構的簡化模型為例進行各種數據分析，最終得出以下結論：目前簡化計算模型的周期與傳統建筑的原有周期數值非常接近，大約維持在一定比例之內。簡化計算模型上部結構的位移數大于隔震計算模型，但經過數據測算，其加速度值卻小于隔震計算模型。經過分析表明兩種不同的模型上部結構的柱子所受的外界力度基本相同。