高層建筑結構隔震設計關鍵問題分析與處理探究

劉 鍵

（云南省設計院集團有限公司， 云南 昆明 650228）

0 引言

高層建筑中的隔震技術是其上部結構和地基之間的柔性連接，應用擁有一定承載能力的隔震材料以達到“吸震”的效果，是近幾年地震地震工程領域應用較廣且較為成熟的技術之一。該項技術讓高層建筑物在地震中不倒塌成為可能，因此，應對該項技術設計的關鍵問題進行分析。

1 高層建筑隔震結構構成及設計要求

1.1 結構構成

高層建筑物中的隔震設備主要涉及到三個構件。

其一，隔震支座。其屬于基礎性的構件，主要負責支撐上部建筑的重量，由此延長整個框架的自振周期，能夠有效降低過大變形情況的概率。目前，市面上有滑動支座、疊層橡膠支座以及摩擦擺支座三種。其中，滑動支座，主要借助滾珠，隔離上部建筑與地面。在具體的建筑項目中，其和風穩定以及輔助復位兩個裝置聯合使用。疊層橡膠是將橡膠和鋼板疊合起來，使鋼板能夠鑲嵌在橡膠中，延緩其生銹的時間。摩擦擺支座是借助摩擦形成的作用力，消耗地震能量，同時借助建筑物本身的重量，使其復位。橡膠隔震支座如下圖所示。

圖1 橡膠隔震支座

其二，阻尼器。該設備能夠有效消耗地震能量，避免整體架構出現過大的位移問題?，F階段，常用的有彈塑性裝置、鉛棒裝置以及干摩擦裝置。其中鉛棒阻尼器在地震期間能夠軟化，以此來消減地震能量。阻尼器原理如下圖所示。

圖2 阻尼器工作原理圖

其三，復位裝置。該設備應用的主要目的在于強化裝置的強度，以確保整體架構在輕震環境中保持較好的穩定性。實際使用中，通常會與相應的裝置和支座配合使用[1]。

1.2 設計要求

結構隔震處理主要應用在高烈度以及對建筑本身功能性標準較高的建筑項目。在進行結構隔震設計時，應充分考量現場的情況，明確抗震的類別、強度、整體架構、應用標準等，設計出不同的建設方案，綜合分析實施技術以及整體造價，以此選出較優的方案。對設防目標而言需高出建筑物框架的半個烈度，且在垂直方向上高于框架烈度。構件裝置選擇上，需根據前期的設計方案確定其性能，并通過試驗的方式明確具體的參數，在正式建設前需進行檢測，要求完全無不合格構件裝置。

2 高層建筑結構隔震設計的關鍵問題及處理

2.1 長期減震問題

高層建筑本身周期較長，依據相關規范，長周期建筑在隔震措施實施前后，相應的地震剪力無明顯差異，造成實際的減震效果較弱。若高層建筑的高度達到一百米，其原本的受其為2.5s，借助該項施工作業，可以使周期增長1s 左右。但在具體的實際應用項目中卻與理論內容存在較大的差異。假設某高層建筑物，其樓層數超過二十，縱向和橫向分別超過五十米和二十五米。高度大致在九十米左右，且部分位置的最高值接近一百米。對此，運用等效分析的方式，其建設前后的等效位移提升百分之五十左右，且周期也延長2s左右。例如，在某高層建筑項目中，采取等效線性以及動力時程分析兩種方式結合使用，以得到相應的隔震效果，經最終實驗結果可得，合理設計的高層隔震結構可以得到較為明顯的減震效果。

2.2 結構延性問題

在進行建筑隔震設計時，應注意考慮結構延性問題，需先提出各種阻尼比下的整體結構加速度反應情況，并借助等向線性化的形式獲取相應的數據，由此，能夠得出建筑物的位移以及剪力等信息。之后，借助非線性的分析模式，掌握建筑物整體架構的位移和各層的剪力等內容。此期間盡量使用多種方式進行分析計算，以降低錯誤率。建筑的延性是指其在承載力有所波動的基礎上，整體結構和其中的部件能夠維持的變形性。在高層建筑物中，其中受彎構件會根據實際的承載量，出現變形，使相連的其他結構形成縫隙，嚴重情況下還會引發非彈性變化，造成結構中的鋼筋出現變形，又對受彎結構本身造成不良影響，形成惡性循環。而造成受彎部分出現問題的主要原因在于整體結構本身的變形程度。由此可知，結構延性對于建筑物本身存在關鍵性的作用，若遇到級別較高的地震，結構延性出現有助于降低地震對整體結構的破壞程度，有效消減地震能量，以降低建筑整體倒塌的概率，避免出現嚴重的人員傷亡，切實提高結構抗震的效果[2]。

2.3 支座受拉問題

高層建筑的整體高度相較于多層建筑更高，因此，在水平地震作用下結 構傾覆效應明顯。采用隔震設計后，在遇到大地震時，隔震支座極易出現拉應力，而支座構件中的橡膠類支座，其受拉效果較差，從而使得減震效果較差。據有關數據顯示，該支座構件出現受拉力，是由于水平地震引起的傾覆力以及縱向地震產生的向上作用力大于建筑物本身重量對該支座構件形成的壓力而形成。對此，在進行結構隔震設計時，應擴大該支座構件所承受的重力荷載范圍，提高支座構件的抗拉水平，同時盡量減小由于地震形成的傾覆作用力，減小支座構件受拉的可能。例如在框架柱結構中應采用柱距較大的方案，避免較小柱距的方案，盡量增大單柱的承受重力的范圍，減小支座構件受拉的可能。在框架-抗震墻結構中，要注意邊緣柱承受的重力荷載相對于內柱較小，而由傾覆力矩引起的柱軸力相對于內柱較大，因此邊緣柱下支座構件比較容易產生受拉情況，在實際設計中，墻結構往往會設置建筑物的邊緣位置，有助于強化支座的抗拉能力。另一方面，盡量采用抗拉能力較高的隔震支座。

2.4 支座面壓計算

支座在實際應用期間，需要長時間承載建筑物整體框架的自重。一旦遇到地震，其會往往會出現水平位移的情況，需要面對整體框架自重和地震二者產生的作用力。對于多層建筑而言，由于實際的承載力以及位移幅度較小，因此，對整體框架無過于明顯的影響。而在高層建筑項目中，自重產生的作用力是隔震結構設計需要考量的關鍵性因素之一。另外，由于橫向荷載會對整體架構形成較強的傾覆作用力，因此，在隔震設計中，應注重強化承載力以及抗震水平，此處使用橡膠支座，能夠縮小實際的承壓面積，會出現降低承載水平的情況。在實際建筑結構設計中，面壓的計算應以其平均壓應力作為計算數據，并加入地震的因素。此種計算方式產生較大的誤差，且增加該部分設計建設的造價，但有助于提升結構的橫向剛度，對實際的隔震效果產生作用。此外，在計算過程中，雖然考慮地震的問題，但未能對其面壓進行準確核算。此種情況下，僅能提高結構在橫向方向的抗震能力，而地震屬于不可控的因素，因此，該種計算方式難以確保在特殊狀況下，建筑物的整體結構保持較高的穩定性及安全性。由于地震屬于短期作用，因此，需合理擴大平均壓應力的范圍，將極限面壓及變形關系作為相應的控制參數。

2.5 結構懸掛隔震

該種隔震處理方式是將建筑本身包含的部分設施以懸掛的方式呈現，若遇到地震，采用懸掛式的設備往往不會受到地震作用力的影響，有助于控制實際的破壞程度。目前，該種隔震方式在鋼結構的建筑物中較為常見。具體而言，該方面的設計難度較大，要求將主體結構和相應的子結構聯系起來，對子框架起到保護的作用。懸掛式隔震的處理是使建筑物整體的主結構能夠在遇到地震時，跟隨地殼活動進行擺動，利用鎖鏈實現連接，可以使地震產生的能量進行較好的傳遞，在此過程中，逐漸消耗能量，以此來降低地震對結構產生的破壞程度。該種隔震方式最終呈現的效果較為明顯，避免地震能量對建筑本身包含的設備造成傷害。但在隔震設計中，還應考慮經濟性的問題，該種建設方式實際的造價較好，因此，在常規的高層建筑中，通常不會選擇[3]。

3 結束語

總而言之，隔震設計需要在建筑項目施工過程中完成。借助有效的隔震建設，可以在保證高層建筑正常使用的同時，控制后續的養護工作投入，降低工程的運行成本，推動該行業的創新性進步。通過對結構設計中的隔震方式進行探究，希望可以為相關方提供基礎性幫助。