高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計及特點與隔震技術(shù)分析

■陳 望 ■福建省閩武建筑設(shè)計院有限公司，福建 福州 350011

世界上第一座高層建筑的形成可以追溯到上世紀80年代中期的美國芝加哥保險公司大樓，自此以后，高層建筑造型成為了時代發(fā)展的主要象征。隔震技術(shù)作為一種有效的減震技術(shù)，在廣泛應(yīng)用于中低層建筑結(jié)構(gòu)中的同時逐漸應(yīng)用高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中，而且極大增強了高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，減少了強震作用造成的地震反應(yīng)，增加了高層建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

1.1 水平荷載是決定因素

對于低層建筑結(jié)構(gòu)來說，其水平荷載作用和位移很小，對結(jié)構(gòu)影響也很小，使得豎向荷載是低層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的決定因素，然而，對于高層建筑來說，水平荷載是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的決定性因素，而且豎向荷載對高層建筑結(jié)構(gòu)的影響也大，總之，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，水平荷載會對高層建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傾覆力矩，隨著建筑的樓層增加，水平荷載也會增大，對高層建筑的影響也越大，因而，在進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一定要增強高層建筑結(jié)構(gòu)的承載力和抗震能力，確保高層建筑結(jié)構(gòu)的安全使用性能。

1.2 軸向變形要重視

由于高層建筑的豎向荷載會產(chǎn)生較大的軸向變形，極大影響了高層建筑的連續(xù)梁的抗彎承載力，進而減小連續(xù)梁中間支座負彎矩值和跨中負彎矩值，使得高層建筑端支座的負彎矩值增加，同時還影響高層建筑構(gòu)件和構(gòu)件剪力，引發(fā)高層建筑結(jié)構(gòu)側(cè)向變形，嚴重影響高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，隨著建筑樓層的增多和樓高高度的增加，會引起顯著的軸向變形，進而不利于高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，因而，在進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該重視軸向力值，采取措施避免發(fā)生明顯的軸向變形。

1.3 側(cè)向變形成為關(guān)鍵因素

結(jié)構(gòu)側(cè)向變形已經(jīng)成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素，隨著建筑樓層的增加，建筑結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，其側(cè)向變形的速度就會越快，因而，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不僅要求結(jié)構(gòu)具有較強的強度和剛度，在確保結(jié)構(gòu)具有足夠承載力的同時還應(yīng)該要求高層建筑結(jié)構(gòu)具有較輕的抗側(cè)剛度，使得高層建筑結(jié)構(gòu)在水平荷載的作用下，發(fā)生的側(cè)向變形在合理控制范圍內(nèi)，進而保證高層建筑結(jié)構(gòu)的安全使用性能，為居民提供良好的居住和生活條件。

1.4 結(jié)構(gòu)延性是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要指標

高層建筑結(jié)構(gòu)的延性是指建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在其承載力不發(fā)生變化的情況下所保持著塑性變形能力的一種特性，而這種特性可以用結(jié)構(gòu)延性來表示。對于高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的受彎構(gòu)件來說，隨著水平荷載的加重，不僅會使得受拉區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非彈性變形，而且會使得受拉鋼筋發(fā)生變形，進而會容易破壞受壓區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)，從而破壞高層建筑的受彎構(gòu)件。在這個過程中破壞受彎構(gòu)件的重要原因是結(jié)構(gòu)變形的大小，因而，提升結(jié)構(gòu)的延性是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要指標，不僅可以提升結(jié)構(gòu)抗震能力，而且增強結(jié)構(gòu)抗倒塌能力，有效避免高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌，故此，在進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該特別重視結(jié)構(gòu)的延性，要采取適當?shù)拇胧﹣硖嵘邔咏ㄖY(jié)構(gòu)的延性，從而增強結(jié)構(gòu)的抗震性能，延長高層建筑的使用壽命。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)分析

2.1 高層建筑隔震技術(shù)

隔震技術(shù)主要是利用建筑用隔震支座來提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能的技術(shù)，建筑用隔震支座主要包括橡膠隔震支座和滑動隔震支座兩大類，其中橡膠隔震支座可以分為普通橡膠隔震支座和鉛芯橡膠隔震支座兩種，普通橡膠隔震支座主要是利用橡膠層和鋼板的緊密結(jié)合，來提升建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向抗壓能力、承載力和水平變形能力，而鉛芯隔震支座具有較高的阻尼，可以有效減弱地震對建筑結(jié)構(gòu)的影響和作用，還能夠防止隔震層發(fā)生位移，避免受到地震的重大破壞，保護建筑結(jié)構(gòu)的安全使用性能和使用壽命。滑動隔震支座可以利用動力學理論，通過內(nèi)置低摩擦系數(shù)的滑動材料，能夠防止較強的地震作用危害到建筑結(jié)構(gòu)，另外，也可以利用滑動隔震支座的隔震層摩擦力，來消耗建筑結(jié)構(gòu)的振動能量，增加建筑結(jié)構(gòu)的阻尼，從而可以有效減少地震對建筑結(jié)構(gòu)的影響和反應(yīng)。

2.2 高層建筑結(jié)構(gòu)隔震結(jié)構(gòu)特點

高層建筑隔震結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點:第一，可以提升高層建筑上部結(jié)構(gòu)的水平荷載和承載力，即使在地震的環(huán)境中也可以有效的確保建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的水平剛度和側(cè)向剛度，使得整個建筑結(jié)構(gòu)始終處于合理的彈性范圍內(nèi)，保持建筑結(jié)構(gòu)的安全使用性能，另外，在強烈的地震作用影響之下，隔震結(jié)構(gòu)的建筑也能夠減少建筑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，削弱地震的能量，從而達到防震加固的效果，有效延長高層建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命。

2.3 高層建筑隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

首先，在高層建筑隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以采用分離式計算方法和隔震系數(shù)，其中隔震系數(shù)是指隔震結(jié)構(gòu)的樓層剪力與非隔震結(jié)構(gòu)樓層剪力之間比較值的最大值，而對于高層建筑結(jié)構(gòu)來說，在考慮樓層剪力隔震結(jié)構(gòu)的同時還應(yīng)該重視樓層確保樓層傾覆力矩的減震系數(shù)，在高層建筑隔震結(jié)構(gòu)具備標準的減震系數(shù)之后，可以參照非隔震結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)來設(shè)計，而關(guān)鍵的是在運用橡膠隔震支座時，對于減震系數(shù)的計算應(yīng)該在考慮橡膠隔震支座性能的基礎(chǔ)上，適當提高高層建筑結(jié)構(gòu)的減震系數(shù)數(shù)值，這樣利于隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計的施工安全，而在具體的減震系數(shù)計算中需要采用時程分析法來計算出高層建筑隔震結(jié)構(gòu)的減震系數(shù)，同時在考慮建筑結(jié)構(gòu)受拉中可以采用折線形彈性型的橡膠隔震支座模型，還可以使用庫侖摩擦滯回曲線型的滑動隔震支座，從而可以增強建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性和抗張拉承載力和水平荷載，減少高層建隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，延長高層建筑隔震結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3 結(jié)論

綜上所述，對于高層建筑來說，隔震技術(shù)和隔震結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以加固建筑結(jié)構(gòu)、有效減弱高層建筑結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)，尤其隔震支座的應(yīng)用在國內(nèi)多次地震中極大提高了高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性和防震性能，隨著隔震技術(shù)與隔震支座的大力推廣和廣泛應(yīng)用，我國高層建筑的使用壽命也越來越長，這不僅提高了人們生活的安全系數(shù)和質(zhì)量，利于安定社會，而且也推動了國家抗震建筑建設(shè)的進程。

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