高層建筑隔震結構設計之我見

任建軍

(新疆煤炭設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830091)

地震是一種自然災害，地震具有突發性的特點，至今可預報性仍然很低，我國屬地震多發國家，因此研究結構的抗震性能在我國具有充分的必要性。本文專門對高層建筑結構隔震技術原理做了分析，并對高層建筑結構隔震設計進行探討。

1 結構隔震的原理與隔震結構的特點

1.1 結構隔震的概念與原理

在建筑物基礎與上部結構之間設置隔震裝置(或系統)形成隔震層，把房屋結構與基礎隔離開來，利用隔震裝置來隔離或耗散地震能量以避免或減少地震能量向上部結構傳輸， 以減少建筑物的地震反應，實現地震時建筑物只發生輕微運動和變形，從而使建筑物在地震作用下不損壞或倒塌，這種抗震方法稱之為房屋基礎隔震。其原理是通過設置隔震裝置系統形成隔震層，延長結構的周期，適當增加結構的阻尼，使結構的加速度反應大大減少，同時使結構的位移集中于隔震層，上部結構像剛體一樣，自身相對位移很小，結構基本上處于彈性工作狀態，從而使建筑物不產生破壞或倒塌。

1.2 隔震結構的特點

抗震設計的原則是在多遇地震作用下， 建筑物基本不產生損壞；在罕遇地震作用下，建筑物允許產生破壞但不倒塌。按抗震設計的建筑物，不能避免地震的強烈晃動，當遭遇大地震時，雖然可以保證人身安全，但不能保證建筑物及其設備及設施安全，而且建筑物由于嚴重破壞常常不可修復。如果用隔震結構就可以避免這類情況發生，隔震結構通過隔震層的集中大變形和所提供的阻尼將地震能量隔離或耗散，地震能量不能向上部結構全部傳輸，因而，上部結構的地震反應大大減小，震動減輕，結構不產生破壞，人員安全和財產安全均可以得到保證。

2 高層建筑結構隔震設計

2.1 基底隔震原理

基底隔震是指在結構物底部與基礎頂面之間設置隔震消能裝置，使之與固結于地基中的基礎頂面分開，限制地震動向結構物傳遞，降低上部結構的放大效應，減輕建筑物破壞程度基底隔震裝置一般應具備三個條件：

2.1.1 隔震層能使結構在基礎面產生滑移，以使結構體系的自振周期增大，遠離場地卓越周期，從而能把地面運動隔開，有效降低上部結構的地震反應。

2.1.2 隔震裝置具有足夠的初始彈性剛度，即在微震或風載作用下，具有良好的彈性剛度，能滿足正常使用要求，在強震作用下，隔震裝置能產生滑動，使體系進入耗能狀態。

2.1.3 隔震裝置具有較大阻尼和耗能能力，保證其荷載——位移曲線的包絡圖面積較大，以消耗地震能量降低結構位移反應。

2.2 基礎隔震裝置

隔震裝置是由隔震器、阻尼器、復位裝置組成。

隔震器的作用是支承上部結構全部重量。延長結構自振周期，同時具有經歷較大變形的能力。

阻尼器的作用是消耗地震能量，抑制結構可能發生的過大位移。

復位裝置的作用是提高隔震系統早期剛度使結構在微震或風載作用下，能夠具有和普通結構相同的安全性。

2.2.1 隔震支座。隔震器和阻尼器往往合二而一構成隔震支座，只有當隔震支座阻尼不足時，才另加阻尼器。

（1）滑動支座。早期的滑動方法為滾珠隔震，即在上部結構與平板狀基礎之間設置滾珠。滾珠可做成圓形，設置于平板或凹板上，也可做成橢圓形，以形成復位力。滾珠能把地面運動幾乎全部隔開，使結構免受振動，滾珠隔震需要有輔助裝置協助復位，并要有風穩定裝置保證風載下不產生過大水平位移。

（2）疊層橡膠支座。由橡膠片與薄鋼板交替疊合而成，鋼板邊緣縮入橡膠內，可防止鋼板生銹。疊層橡膠支座又可分為普通疊層橡膠支座、高阻尼疊層橡膠支座、鉛芯疊層橡膠支座和。普通疊層橡膠支座中的橡膠為有添加劑的天然橡膠或氯丁二烯橡膠，其阻尼性能較差，只具備延長周期的功能，應用時必須同阻尼器配合作用。由于橡膠板上、下兩面的橫向變形受到剛板的約束，在豎向荷載作用下橡膠板中部處于三向壓力狀態，從而形成很高的抗壓強度。

疊層橡膠的水平剛度一般為豎向剛度的1%，具有明顯的非線性特性。小變形時，其水平剛度能保證建筑物在風載下的使用功能；大變形時橡膠剪切剛度下降較多，約為初始剛度的20%，可以大幅度降低結構振動頻率，減小地震反應。

（3）摩擦擺支座。為了使建筑物滑移后自動復位，目前出現一種摩擦擺支座。摩擦擺支座類似于一個鉸裝置，上部為活動擺頭，下部為曲面承臺，擺頭與曲之間襯有網狀增強纖維，以利用摩擦阻尼耗散能量。該裝置可利用結構本身重力回到原來位置。

2.2.2 阻尼器。鉛芯疊層橡膠支座、高阻尼疊層橡膠支座以及某些滑動支座都具有隔震系統所需要的阻尼。當隔震支座阻尼不足時，可另加阻尼器，常用的基底隔震阻尼器有：彈塑性阻尼器、干摩擦阻尼器和粘彈性阻尼器。

（1）彈塑性阻尼器鋼材具有良好的塑性變形能力，可以在超過屈服應變幾十倍情況下，經歷往復變形不發生斷裂。利用軟鋼的變形能力和耗能能力可制成各種形狀阻尼器。

（2）鉛棒阻尼器。鉛具有軟化剛度，進入塑性后表現出滯回能特點，利用獨立鉛棒變形吸能可制成鉛阻尼器，在強烈地震下，鉛棒軟化，可以損耗大量振動能量。鉛具有軟化剛度，進入塑性后表現出滯回能特點，利用獨立鉛棒變形吸能可制成鉛阻尼器，在強烈地震下，鉛棒軟化，可以損耗大量振動能量。

（3）干摩擦阻尼器。在普通疊層橡膠支座上加摩擦板形成干摩擦阻尼器，上滑板為不銹鋼板，嵌于結構底部；下滑板為青銅鉛板，置于疊層支座頂部。地震時上下兩板之間發生滑動，產生阻尼，同時也保護了疊層式隔震器。

2.2.3 復位裝置。為了防止建筑物在微震或風載作用下發生運動影響結構使用，便于建筑物在大震后及時復位，應設置微震和風反應控制裝置或建筑物復位裝置。目前已應用的具有風穩定及復位功能的支座；以及抗傾覆支座。

2.3 隔震結構的設計

隔震結構通過隔震層的集中大變形和所提供的阻尼將地震能量隔離或耗散，地震能量不能向上部結構全部傳輸，因而，上部結構的地震反應大大減小，振動減輕，結構不產生破壞，人員安全和財產安全均可以得到保證。

2.3.1 隔震的要求。隔震主要用于高烈度地區或使用功能有特別要求的建筑以及符合以下各項要求的建筑:

（1）不隔震時，結構基本周期小于 1.0s 的多層砌體房屋、鋼筋混凝土框架房屋等。

（2）體型基本規則，且抗震計算可采用底部剪力法的房屋。

（3）建筑場地宜為1，2，3類，并應選用穩定性較好的基礎類型。

（4）風荷載和其他地震作用以及水平荷載不宜超過結構總重力的10%。隔震建筑方案的采用，應根據建筑抗震設防類別、設防烈度、場地條件、建筑結構方案和建筑使用要求，進行技術、經濟可行性綜合比較分析后確定。

2.3.2 隔震層的設置。隔震層的布置應符合下列要求:

（1）隔震層可由隔震支座、阻尼裝置和抗風裝置組成。阻尼裝置和抗風裝置可與隔震支座合為一體，亦可單獨設置，必要時可設置限位裝置。

（2）隔震層剛度中心宜與上部結構的質量中心重合。

（3）隔震支座的平面布置宜與上部結構和下部結構的豎向受力構件的平面位置相對應。

（4）同一房屋選用多種規格的隔震支座時，應注意充分發揮每個橡膠支座的承載力和水平變形能力。

（5）同一支承處選用多個隔震支座時，隔震支座之間的凈距應大于安裝操作所需要的空間要求。

（6）設置在隔震層的抗風裝置宜對稱，分散地布置在建筑物的周圍或附近。

[1]王心田．建筑結構體系與選型[M].上海：同濟大學出版社，2011.

[2]豐定國，王社良．抗震結構設計[M]．武漢：武漢理工大學出版社，2012.