隔震減震控制技術在復雜高層建筑結構設計中的應用

王 鑫

（甘肅省建設設計咨詢集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

近年來我國減震技術逐漸成熟，在復雜高層建筑中均應用新型抗震技術，將減震裝置布設在高層建筑內[1]，以消散地震帶來的能量，分擔建筑結構中的地震能量，起到保護復雜建筑結構的作用，提升建筑的安全性。

現在有很多學者研究高層建筑結構設計中隔震減震控制技術，如吳小賓等人[2]提出組合隔震技術在復雜高層結構中的應用方法，該方法將不同減震器組合后，安裝到高層建筑中，以減少建筑結構偏置引起的結構扭曲作用，提升建筑結構的抗震性；齊毅男等人[3]提出新型抗拉裝置在建筑結構設計中的應用方法，該方法以力學試驗數據為基礎，推導出簡化的高層建筑結構抗震能力限值，再將抗拉裝置應用到高層建筑抗震結構中，提升高層建筑結構的拉壓狀態下的力學特性。以上兩種方法在實際應用中雖都取得一定成果，但均存在抗震效果欠佳的情況。因此，本文提出一種隔震減震控制技術，應用于復雜高層建筑結構設計中，可有效提升高層建筑結構的抗震能力。

1 工程概況

以某綜合建筑項目作為試驗對象，該建筑總高度72.4m，地上共17 層，由塔樓和裙房組成，地下2 層，分別為地下室和地下停車場，建筑平面呈“Z”型，長度為138.2m，最大寬度為48.4m，單肢寬度為24.5m。地上17 層中包括裙房4 層，裙房高度22.5m，建筑的矩形面長度和寬度分別為195.5m 和110m。該建筑項目形狀特殊，整體結構較為復雜，增加了其隔震減震控制難度。建筑剖面如圖1所示。

圖1 復雜高層建筑項目剖面圖

該項目為商住兩用建筑，其防震屬于重點設防類別，建設位置距離地質活躍斷裂帶小于4km，受地震影響嚴重。整體建筑結構較為復雜，雖然其底盤較大但結構為單塔結構，塔樓偏置的同時其平面也不夠規則，整體建筑高度為72.4m，已經超過9 度區鋼筋混凝土結構的適用高度。由此可見，該建筑項目為復雜高層建筑結構，其防震減震難度較大。

2 復雜高層建筑結構隔震減震控制設計

2.1 轉換梁與抗風設計

2.1.1 轉換梁設計

復雜高層建筑在遭受大風時，受風力影響樓體結構也會出現震動，在試驗對象的隔震層設置轉換梁，利用剪力墻和隔震支座對其進行固定[4]，在設計轉換梁時，考慮轉換梁構造要求，盡量避免次梁轉換。因此，該轉換梁依據中震不屈服的性能要求設計，轉換梁上部結構采用0.12 水平地震影響系數的最大值，下部結構則采用0.34水平地震影響系數的最大值。

2.1.2 抗風設計

抗風設計是復雜高層建筑隔震減震設計的重要內容。由于要考慮隔震減震結構在發揮最佳效應時建筑的舒適度要求[5]，因此，隔震減震結構需具有足夠的屈服前剛度和屈服承載力。故設計抗風設施時，抗風設施與隔震減震結構之間需滿足以下約束條件：

式中：γw——風荷載分項系數（本文取值為1.35）；

Urw——建筑抗風設置水平方向承載力設計值；

Uwk——在風荷載作用下，建筑隔震減震層水平剪力標準值。

依據公式（1）約束條件，首先設計該復雜高層建筑抗風參數，在其基礎上設計該高層建筑隔震減震系統。

2.2 組合隔震減震系統設計

該綜合建筑總體結構為框架-剪力墻結構，在滿足建筑結構防風設施與隔震減震結構之間關系的條件下[6]，使用組合基礎隔震減震技術，選擇不同類型支座和黏滯阻尼器組成隔震減震系統，其支座數量以及主要參數見表1；黏滯阻尼器分為X向和Y向，其參數如表2所示。

表1 隔震支座主要參數與使用數量

表2 黏滯阻尼器主要參數與使用數量

2.3 隔震減震效果相關參數計算分析

設計完隔震減震系統后，對其效果進行充分驗證。隔震減震系統中的隔震支座負責承載豎向力，則應用隔震減震系統后[7]建筑豎向地震作用標準值FEvk計算公式如下：

式中：αvmax——豎向地震影響系數的最大值；

δeq——建筑結構等效總重力荷載。

復雜高層建筑結構每層質心沿著垂直于地震作用方向的偏移值叫做偶然偏心[8]，則第i個質心的偶然偏心值計算公式如下：

式中：ei——第i個質心的偶然偏心值；

Yi——第i個質心垂直地震作用方向建筑物總長度。

當發生地震時，建筑結構體系的水平位移主要集中在隔震減震裝置上，隔震減震結構在抗震時的加速度反應衰減比Za計算公式如下：

式中：? ?n——固有頻率比；

η——阻尼比。

3 隔震減震效果模擬試驗

利用有限元軟件建立試驗對象仿真模型，通過在試驗環境內模擬地震作用，對結構隔震減震效果進行測試，以驗證方法的應用效果。

在仿真軟件內模擬3級、4級和5級地震，計算該建筑物隔震減震前后的結構自振周期，結果如表3所示。

表3 復雜建筑物隔震前后結構自振周期變化（單位：s）

由表3 分析可知，該復雜高層建筑進行隔震減震處理后，在地震時結構自振周期得以延長，說明其分散地震能量的能力得到增強。

以該復雜高層建筑基底剪力作為衡量指標，測試在不同震型階數情況下，隔震前和隔震后其基底剪力變化情況如圖2所示。

圖2 復雜高層建筑基底剪力曲線

由圖2 分析可知，該復雜高層建筑在隔震減震處理前，在震型階數為3 時基底剪力數值最高，隨著震型階數不斷增加，呈現波動下降趨勢，在震型階數為9 時基底剪力為小幅度上升狀態。而進行隔震減震處理后，雖然在震型階數為3 時，其基底剪力數值有所降低，但隨著震型階數增加，隔震后的建筑結構基底剪力始終保持在0MN 左右。上述結果說明，該復雜高層建筑在受到地震作用時，沒有隔震減震處理時基底剪力數值較高，結構承受的地震荷載較大，其抗震性能不佳。而使用本文方法對其進行隔震減震處理后，其基底剪力數值較小，整體建筑結構的抗震能力較強。

以偶然偏心值作為衡量指標，測試在不同地震等級情況下，該建筑隔震前后的偶然偏心值變化情況，結果如表4所示。

表4 建筑結構偶然偏心值

由表4 分析可知，依據建筑物長度可計算出該建筑結構的偶然偏心值為6.91，而在不同地震等級下，該建筑結構的偶然偏心值均小于6.91，說明在地震導致地面運動扭轉時，該建筑結構扭轉角度和位移較小，其抗震性能較好。

4 結束語

本文研究隔震減震控制技術在復雜高層建筑結構設計中的應用，并通過模擬仿真試驗的方式對其進行驗證，結果表明：利用本文方法對復雜高層建筑進行隔震減震處理后，在不同地震等級情況下建筑的偶然偏心數值較小，且建筑的基底剪力數值較小，說明該建筑抗震能力得到有效提升，本文方法應用效果較佳。