概述超高層隔震建筑物結構設計

李琪

【摘要】地震對于人類社會的發展而言危害極大，同時也是一個危害面積廣的自然災害。自新世紀以來，因為地震引發的國民經濟損失不可估量，人員傷亡更是數以萬計。遠的不說，就08年至今，無論是汶川地震、玉樹地震還是雅安地震，都給我們留下刻骨銘心的傷害，也給中華民族帶來了重大災難。但是就這些地震所造成的損失進行分析，大多數的損失都是因為建筑物倒塌而引發的，因此也提起了人們對建筑物抗震設計觀念，使得人們越來越多的關注建筑物的抗震設計。隔震建筑物結構便是基于這種時代背景下產生的，是當前建筑業內人士研究的焦點之一。

【關鍵詞】隔震建筑物；結構設計；超高層

1、隔震建筑的形式

1.1基礎隔震

基礎隔震是建筑抗震新技術家族中的佼佼者，大量試驗研究及多次強震實踐表明，基礎隔震以其極少的投資換取很大的安全系數。基礎滑動隔震效果受地面運動頻率特性的影響較小，幾乎不會發生共振現象。

所謂基礎隔震，就是在建筑物的基礎與上部結構之間增設高度很矮，具有足夠可靠性的隔震層，控制地面運動向上部結構傳遞，地震時其能量可反饋到地面或由隔震層吸收，以大大減小結構及構件的地震反應，確保建筑物的整體安全，其內部設備不發生破壞或喪失使用功能，室內人員不遭受傷害也不會有強烈震感。同時，還可防止結構內部的次生災害。主震后無需避震疏散，即使發生罕遇大震隔震房屋也不會倒塌。

1.2基地隔震形式

1）夾層橡膠墊隔震裝置用于隔震裝置的橡膠墊塊，可用天然橡膠，也可用人工合成橡膠（氯丁膠）。為提高墊塊的垂直承載力和豎向剛度，橡膠墊塊一般由橡膠片與薄銅板疊合而成.

2）鉛芯橡膠支座這樣就使支座具有足夠的初始剛度，在風荷來和制動力等常見載荷作用下保持具有足夠的剛度，以滿足正常使用要求，但強地震發生時，裝置柔性滑動，體系進入消能狀態。

3）滾珠（或滾軸）隔震有自復位能力的；有加銅拉桿風穩定裝置；橫向油壓千斤頂位的。另外，還有加消能裝置的，消能裝置有軟消能桿剪，鉛擠壓消能器，油阻尼器，光阻尼器等。

1.3中間層隔震

在基礎以上的中間樓層設置隔震層，下部結構同普通建筑物一樣直接與地基接觸，因此它不存在基礎隔震建筑的底部體積和墻體數量問題，但隔震層以下的樓層需要做抗震處理。在市區場地不太寬裕時，可把隔震層設計在地面以上，在空中變形有利于節約用地，同時也能有效減少地基的挖土量。

1.4懸掛隔震

懸掛隔震使將結構的全部或大部分質量懸掛起來，是地震動傳遞不到主體質量上，產生較小的慣性力，從而起到隔震作用。懸掛結構在橋梁、火電廠鍋爐架等方面有大量應用。著名的43層香港匯豐銀行新大樓采用的就是懸掛結構。

2、耐震建筑與隔震建筑造價比較

由統計數據顯示，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。

3、超高層建筑結構的隔震設計要求與步驟

針對超高層建筑結構的隔震設計，需要嚴格按照有關高層建筑規范條例的相關內容，結合建筑物所在環境的實際情況，遵循隔震設計的一般要求，采取合理的設計步驟，確保超高層隔震建筑物的結構設計達到最優化的效果。

3.1隔震設計要求

（1）設計方案：建筑結構的隔震設計，應根據建筑抗震設防類別、抗震設防烈度、場地條件、建筑結構方案和建筑使用要求，與建筑抗震的設計方案進行技術、經濟可行性的對比分析后，確定其設計方案。（2）設防目標：采用隔震設計的房屋建筑，其抗震設防目標應高于抗震建筑。在水平地震方面，隔震結構具有比抗震結構至少高0.5個設防烈度的抗震安全儲備。豎向抗震措施不應降低。（3）隔震部件：設計文件上應注明對隔震部件的性能要求；隔震部件的設計參數和耐久性應由試驗確定；并在安裝前對工程中所有各種類型和規格的部件原型進行抽樣檢測，每種類型和每一規格的數量不應少于3個，抽樣檢測的合格率應為100%。

3.2隔震設計步驟

（1）結構隔震控制目標的確定。依據設防烈度或地震危險性場地條件以及工程的重要性，確定設防標準。（2）結構設計。確定上部結構方案與結構布置，初步確定上部結構構件尺寸及材料強度等級。由于設置了隔震層，上部結構所受地震作用降低很多。因此，對柱子軸壓比的限制可適當降低，柱子的截面也可適當減少。這部分設計內容與非隔震建筑相同。（3）隔震裝置的選用。根據隔震裝置的承載力、剛度、變形等性能要求和規定，確定隔震支座的類型、個數和隔震支座的尺寸、布置并進行隔震支座設計。（4）結構隔震體系動力參數的確定。選擇隔震結構動力計算分析模型，確定結構的剛度、自振周期、阻尼比等動力參數。（5）結構隔震控制驗算。計算結構地震作用和結構的加速度、速度、位移、隔震的水平位移、支座軸力等地震反應，確認是否滿足設防標準。

4、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：

4.1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。

4.2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。

4.3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。

5、隔震應用的注意事項

5.1隔震實際上會使原有結構的固有周期演唱，在下列情況下不宜采用隔震設計：

①基礎土層不穩定；

②下部結構變性大，原有結構的固有周期比較長；

③位于軟弱場地，延長周期可能引起共振；

④制作中出現負反力；

5.2隔震裝置必須具有足夠的初始剛度，這樣能滿足正常使用要求。當強震發生時，裝置柔性消震，體系進入消能狀態。

5.3隔震裝置能使結構在基礎面上柔性滑動，在地震來時這樣必然會產生很大的位移。為減低結構的位移反應，隔震裝置應提供較大的阻尼，具有較大的消能能力。

6、結語

我國也是世界上多地震的國家之一，百分之七十八的國土面積都需要進行抗震設防，而隔震技術則是一種經濟有效的防震減災技術。雖然，它的體制還西藥進一步健全，但由其原理名了、結構簡單、造價低等技術優勢，必然會在日后得到長足的發展，但就現有技術水平還未能達到可以安全面對最大等級的地震水平，所以，就目前情況而言，我們更要對人們的生命財產負責，采取更為保守的作為。

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