超高層隔震建筑物結構設計技術

趙思強　楊志文

摘 要：國內中低層隔震建筑物發展已漸成熟，國外由鉛心橡膠隔震組件與消能組件組合或多種隔震組件組合(如滑動隔震組件、磨擦單擺隔震組件、滾動隔震組件)所構成之隔震系統經多次地震驗證其性能，證實可行，并使用于超高層建筑物；國內現階段采用隔震系統之超高層建筑物受日本影響已見起步，本文特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之設計、施工等原則，作為國內推動超高層隔震建筑設計與施工之參考。

關鍵詞：建筑物；隔震；消能；參考

1 耐震建筑物、隔震建筑物與消能建筑物

中國大部分地區地處環太平洋地震帶上，每年發生大地震機率甚高，因此建筑物之耐震設計非常重要。傳統建筑物采用耐震設計規范設計建筑結構物，主要考慮強度與韌性，5.12地震后，由業界引進兩種耐震新技術，一為隔震，另一為消能。其技術由研究階段邁入實際應用階段。此兩種耐震新技術在日本阪神地震發生后，蓬勃發展；中國大部分地區與其它世界各主要受強震侵襲國家也不例外。自2008年5.12集集地震發生后，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之基本原則，系使建筑物結構體在中小度地震時保持在彈性限度內，設計地震時容許產生塑性變形，但韌性需求不得超過容許韌性容量，最大考慮地震時則使用之韌性可以達規定之韌性容量。

1.1.1 中小度地震：為回歸期約30年之地震，其50年超越機率約為80%左右，所以在建筑物使用年限中發生的機率相當高，因此要求建筑物于此中小度地震下結構體保持在彈性限度內，使地震過后，建筑物結構體沒有任何損壞，以避免建筑物需在中小度地震后修補之麻煩。一般而言，對高韌性容量的建筑物而言，此一目標常控制其耐震設計。

1.1.2 設計地震：為回歸期475年之地震，其50年超越機率約為10 %左右。于此地震水平下建筑物不得產生嚴重損壞，以避免造成嚴重的人命及財產損失。對重要建筑物而言，其對應的回歸期更長。于設計地震下若限制建筑物仍須保持彈性，殊不經濟，因此容許建筑物在一些特定位置如梁之端部產生塑鉸，藉以消耗地震能量，并降低建筑物所受之地震反應，乃對付地震的經濟做法。為防止過于嚴重之不可修護的損壞，建筑物產生的韌性比不得超過容許韌性容量。

1.1.3 最大考慮地震：為回歸期2500年之地震，其50年超越機率約為2%左右。設計目標在使建筑物于此罕見之烈震下不產生崩塌，以避免造成嚴重之損失或造成二次災害。因為地震之水平已經為最大考慮地震，若還限制其韌性容量之使用，殊不經濟，所以允許結構物使用之韌性可以達到其韌性容量。

1.2 隔震建筑物

隔震建筑物系在建筑物基面設置隔震層。該隔震層系由側向勁度很低的隔震組件構成，讓整體隔震建筑物之周期大幅拉長，藉以降低作用在結構物上之地震力。然因周期增加后，建筑物之位移增加很多，因此再配合消能組件，提高系統的阻尼比，進而降低位移量。最常用的隔震組件為鉛心橡膠支承墊(Lead rubber bearing，簡稱LRB)，中間所加之鉛心，就是來提供消能的，而拉長周期就靠橡膠層受水平剪力作用時具有低勁度的特性來達成。LRB消能的特性很穩定，雖經過多周次之作用，其強度、勁度及消能之能力并沒有明顯的衰減。

隔震建筑物另有一個特性，就是因為隔震層相對于上部結構軟了許多，因此當其受地震水平力作用時，隔震層的相對變位很大，而上部結構的相對變位很小。因此有時為簡單計，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，藉增加建筑物的阻尼比來達到耐震的目的。依據耐震設計規范10.2節之定義，消能組件概分為位移型、速度型與其它型式。位移型消能組件顯現剛塑性(摩擦組件)、雙線性(金屬降伏組件)或三線性遲滯行為，且其反應需與速度及激振頻率無關。速度型消能組件因不同的阻尼比、勁度及材料可分為：包含固態與液態之黏彈性組件及液態黏滯性組件。第三類(其它)則含括所有不屬于位移型與速度型的消能組件，其典型范例包括形狀記憶合金(超彈性效應)、摩擦.彈簧組件，以及兼具回復力與阻尼的液態消能組件。

2 世界各國隔震建筑物發展現況

各國推展隔震建筑物數量不一，不過有一共通點，即大地震來臨，往往成為催生者。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之痛楚，但經由其它建筑物損壞情形，終于肯定隔震建筑物在地震中的優越性。

3 耐震建筑與隔震建筑造價比較

由日本統計數據顯示，隔震建筑物與耐震建筑物造價比較，建筑物高度在25m以下，隔震建筑物造價約為耐震建筑物造價之105%-109%；建筑物高度在25m-31m，隔震建筑物造價約為耐震建筑物造價之102%-104%；建筑物高度在31m以上，隔震建筑物造價約為耐震建筑物造價之99%-103%。

另比較隔震建筑物結構造價比較，辦公室隔震建筑物之結構費用約占建筑物費用之18%，旅館建筑隔震建筑物之結構費用約占建筑物費用之13%，醫院隔震建筑物之結構費用約占建筑物費用之8%。顯示越重要之建筑物，采用隔震建筑物設計，結構費用相對最經濟。

4 隔震建筑新趨勢

高層與超高層隔震建筑物，目前日本最高隔震建筑物為位于大阪城之西梅田超高層計劃，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，積層橡膠墊，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 長周期建筑物之隔震效果

隔震建筑物之最優越抗震效果即在延長建筑物基本振動周期，但高層建筑物基本振動周期往往超過3秒，隔震后即使將建筑物基本振動周期拉長至5秒以上，由反應譜顯示，兩者加速度反應相差有限。但是在增加阻尼比降低地震位移反應，則有其貢獻。

5.2 傾覆作用造成隔震組件受拉力

隔震組件設計時必須考慮拉力作用，因此拉力試驗成為規范修訂之首要任務。

5.3 風力作用

隔震層設計時必須考慮地震力作用，但是小地震或風力作用，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之相關研究仍相當欠缺，已完成之研究報告仍有待產、官、學之意見補充，使研究成果得以展現，鑒于隔震建筑日趨普及，隔震建筑設計審查、隔震消能材料認證與驗證機制、以及評定機構之指定工作，已刻不容緩，如何有效結合產、官、學三方，盡早訂定完善之超高層隔震建筑設計審查機制、隔震消能材料試驗標準、以及裝設前中后之檢測，實為當務之急。本文認為，在相關機制與配套措施均付之闕如下，隔震建筑物是否得以應付2500年以上之最大地震折磨尚待深入探討，則超高層隔震建筑物發展，應在上述疑慮未澄清前，應采取更為保守之作為。

參考文獻

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