高層框架剪力墻結構的層間隔震分析

（宿遷市新筑藝建筑設計有限公司，江蘇，宿遷，223900）

【摘要】出于對工程造價和抗震安全的需要，框架剪力墻結構形式在我國高層建筑中應用廣泛，然而由于采用了不合理的抗震隔震技術，目前我國很多高層框架剪力墻結構出現輕重不同程度的震害。通過分析層間隔震技術的基本隔震減震原理，從減震效果、施工難易程度以及工程造價三個角度出發，對比分析了層間隔震與基礎隔震技術的適用范圍及優缺點，并闡述了層間隔震技術的廣闊應用前景，對于豐富我國高層框架剪力墻結構的抗震減震理論，保證廣大群眾的生命財產安全具有非常重要的理論和現實意義。

【關鍵詞】高層；框架剪力墻結構；層間隔震

1 引言

由于高層建筑可以節省大面積的建筑用地，減少市政建設投資，縮短建筑工程工期等優點，因此近年來高層建筑在建筑工程中的應用日益增多。但是多高層建筑結構與一般建筑不同，它是一種建筑面積、高度、自重大，結構平面布置、受力情況復雜的特殊性建筑，因此必須正確選擇合理的結構形式，以保證高層建筑的安全、投資和施工進度。目前高層建筑中比較常用的結構類型主要有框架結構、框架剪力墻結構以及剪力墻結構，框架-剪力墻結構就是在框架結構中布置一定數量剪力墻的結構體系，不僅使建筑具有相當大的剛度來提高建筑物的抗側能力，還可以提供局部大空間，滿足使用空間的靈活自由，而且相對框架結構、剪力墻結構來說工程造價比較低，抗震效果比較好，因此在我國高層建筑中應用廣泛。

隨著高層建筑室內外裝修以及附屬設備設施造價的提升，傳統的依靠結構構件自身的彈塑性變形和延性來抵御地震作用的抗震理論，已經不再適合現代高層建筑的防震設計，而近年來新出現的“隔震”或“制振”理論，目前在高層建筑中的防震設計中應用廣泛，即在建筑物基礎或結構頂部設置一個減震系統，使地震能量不能夠直接傳遞到建筑物上，從而起到保護高層建筑結構的作用。目前高層建筑中比較常用的隔震結構主要包括層間隔震和基礎隔震，本文主要分析層間隔震技術在高層框架剪力墻結構中的基本隔震減震原理，然后從減震效果、施工難易程度以及工程造價三個角度出發，對比分析了層間隔震與基礎隔震的優缺點，并闡述了層間隔震技術的廣闊應用前景。

2 層間隔震技術的基本隔震減震原理

層間隔震技術的基本思想是在高層建筑結構的某一層安裝耗能器，以實現消耗地震能量減小結構地震反應的作用。具體來說就是在高層建筑結構某一層的柱頂與上部樓板之間安裝由質量（具體包括增層結構、隔熱層或質量塊）和隔震支座（一般為疊層橡膠支座）組成的耗能器，從而有效吸收和消耗地震能量，減少地面運動的向上傳遞，進而降低甚至消除原結構的地震反應。

由于隔震層上部子結構的質量比下部子結構（即原結構）小，而且隔震層的水平剛度比上部子結構的層間剛度小也要小很多，使得上部子結構在地震作用下近乎于一種整體平動狀態，因此隔震層的減震效果具體可以用簡化的兩質點體系模型進行解釋。假設地震作用下建筑物的層間結構示意圖如圖1所示， 為下部子結構質量， 為下部子結構簡化為兩質點體系的等效剛度， 為上部子結構的質量， 為橡膠隔震支座的剛度， 、 分別為原結構和上部子結構的阻尼， 為地面運動的加速度，、 、 分別為原結構相對于地面運動的加速度、速度和位移， 、 、 分別為上部子結構相對于原結構運動的運動加速度、速度和位移。當層間隔震體系為線彈性體系時，那么這一體系的運動微分方程可以用以下方程式表示： ， 。從以上公式可以很明顯的看出，地震作用下隔震層與高層建筑建筑結構的上下子結構相互作用，并分擔了部分建筑本應結構承擔的地震反應。

3 層間隔震技術與基礎隔震的對比分析

基礎隔震技術出現的比較早，主要通過在建筑物的基礎頂部設置一套隔震裝置，來增加建筑結構的自振周期，使其遠離地面運動的卓越周期，以實現保護上部建筑結構的作用。基礎隔震技術隔震機理明確，適用于不同地震烈度和抗震等級要求的建筑物，但是由于基礎隔震層除了要具備足夠的豎向剛度、豎向承載力、變形能力、復位功能、阻尼和初始剛度，還必須具備充分小的水平剛度，這就決定了建筑物的高度不能太大，上、下剛度要分布均勻，因此對于高層框架剪力墻這一上、下剛度突變的建筑物來說，設置基礎隔震層則不會發揮明顯的抗震效果。由于隔震層位置上移，層間隔震技術克服了基礎隔震技術的缺點，具有其獨特的優越性，具體表現在以下幾個方面。

3.1 不用設置水平隔離縫，設計、施工方便

由于隔震層的水平剛度很小，在地震發生時隔震層較其他樓層要發生較大的位移變形，因此對于基礎隔震結構來說，由于隔震層設置在了室外地面以下，為了能夠使隔震層能更好的發揮隔震作用，在上部建筑結構的周邊應設置防震縫，而且在上部結構與地面之間還要設置水平隔離縫或水平滑移墊層。但是對于層間隔震結構來說，由于隔震層設置在建筑物某一層的柱頂上，這樣就使地震時建筑結構的大變形位置上移到了地面以上甚至空中，從而消除對于預留空間的顧慮，方便了建筑結構的設計與施工。

3.2 隔震層頂部無需加設梁板式樓蓋，節約工程成本

為了增加隔離層樓蓋的梁板剛度和承載力，對于基礎隔震結構來說，需要在隔震層頂部增設一層很厚的梁板式樓蓋，這樣就增大了結構自重，增加施工成本。但是對于層間隔震結構來說，則不需要另外加設這一梁板式樓蓋，只是將結構原來的樓蓋按隔震要求設計即可，這樣就減小了隔震層上部結構自重，減少了隔震層支座的數量和尺寸，進而節約了加設梁板式樓蓋和隔震支座的費用，節約了高層框架剪力墻結構的施工成本。

3.3 可有效利用結構增層或隔熱層進行隔震，增加高層框架剪力墻結構的抗震能力

由于層間隔震結構隔震層位置設置的特殊性，因此高層框架剪力墻結構的增層或隔熱層在進行適當改建之后，可以做成隔震層，使其在發揮原有功能的同時，承擔了部分隔震減震作用，成為了高層建筑結構抗震的第二道防線。這種方法簡單方便，在節約工程成本的基礎上，大大提高了高層框架剪力墻結構的抗震能力。

4 結束語

目前層間隔震技術還沒有形成系統的設計方法，因此在我國高層建筑結構中應用的還不夠廣泛，但是據統計層間隔震技術的隔震效果一般在10%～40%之間，雖然小于基礎隔震結構，然而對于高層框架剪力墻這一結構自重大、剛度分布不均的結構來說特別適用，不僅會滿足建筑結構高度、剛度等方面的要求，還能提高其隔震減震能力。因此高層建筑工程的設計和施工人員應合分析擬建場地的巖土性質、上部結構特點等因素，進行高層框架剪力墻結構的隔震技術選擇和設計，充分滿足現行規范允許的強度、剛度和延性的要求，從而保證高層框架剪力墻結構的安全可靠、經濟合理。

參考文獻

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作者簡介：

李茂鋒（1982-5），男，江蘇泗洪縣，職稱：助工，學歷：本科，主要研究方向：結構設計。