高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的隔震減震措施分析

劉富宙

摘要：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，隔震減震措施的綜合應(yīng)用原理為：在充分考慮地震過程中，不同危險(xiǎn)作用力引發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)傷損來源之后，降低震動(dòng)力對建筑結(jié)構(gòu)體的作用效果，從而達(dá)到減震隔震的目的。但在具體設(shè)置時(shí)，普遍會(huì)遇到隔震減震支座與抗震墻之間不協(xié)調(diào)、高層建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)建筑物走向不利于隔震減震等問題。本文對相關(guān)后果進(jìn)行分析，提出對應(yīng)的解決方案，供參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);隔震減震措施

引言：在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的過程中，一個(gè)必然的情況是，大量人口會(huì)朝著經(jīng)濟(jì)中心地帶涌入。現(xiàn)階段，我國城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于農(nóng)村，故大量人口涌入城市已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。為了解決人口激引發(fā)的住房需求問題，城市中不斷開發(fā)大量住房。為了提高土地資源利用率，城市中包含住房在內(nèi)的諸多建筑均已從傳統(tǒng)的矮層多單元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱?雙單元高層結(jié)構(gòu)。在開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，隔震減震相關(guān)考量尤為重要。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中有關(guān)隔震減震措施設(shè)計(jì)方面的常見誤區(qū)和解決方法

1.1隔震減震支座與抗震墻之間的不協(xié)調(diào)

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行隔震減震措施設(shè)置時(shí)，首先需要使設(shè)備處于相對分散的狀態(tài)[1]。原因在于，每一種設(shè)備都具備一定的減震、隔震作用，實(shí)質(zhì)上是“對地震震動(dòng)力進(jìn)行不同形式的處理”，以達(dá)到降低此種作用力對建筑結(jié)構(gòu)造成的影響的目的。總體而言，隔震減震措施應(yīng)該布置在建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。如果設(shè)置在建筑之外，則地震時(shí)，減震墻承受的應(yīng)力反而會(huì)加大。提及減震墻，必然需要考慮隔震支座的的設(shè)置。理想狀態(tài)下，相鄰兩個(gè)減震墻下隔震支座之間的距離應(yīng)該在2m之上。如果間距過小，那么如上文所述，不同隔震措施之間對振動(dòng)力進(jìn)行處理時(shí)，互相之間會(huì)產(chǎn)生干擾。如果不能對震動(dòng)力進(jìn)行定向處理，則不僅無法隔震減震，反而會(huì)增加建筑承受的作用力。基于此，在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，需要充分考慮抗震墻的設(shè)置以及隔震減震支座的位置設(shè)置，二者之間應(yīng)該和諧。

1.2高層建筑走向設(shè)計(jì)方面的問題

地震發(fā)生時(shí)，震動(dòng)力沿著何種方向傳播是十分重要的信息。如果高層建筑設(shè)置在地震震向集中的區(qū)域，意味著建筑會(huì)長時(shí)間受到地震力的沖擊，房倒屋塌的幾率會(huì)大幅度增加。基于此，高層建筑建筑位置走向設(shè)計(jì)應(yīng)該在建筑動(dòng)工修建之前便展開。設(shè)計(jì)人員可以通過查閱歷史資料，與地震局工作人員取得聯(lián)系等方式，在設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免高層建筑與震向平行，而是需要使二者之間相互垂直，如此方可提高建筑的抗震性能。

2.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程常用的隔震減震措施梳理

2.1常見隔震措施

數(shù)據(jù)顯示，典型地震動(dòng)的卓越周期最短為0.1s，最長為1s。從這個(gè)角度進(jìn)行考慮，很多中低層結(jié)構(gòu)的建筑的自振周期正處于0.1s～1s之內(nèi)，故在地震發(fā)生時(shí)極其容易出現(xiàn)共振，進(jìn)而使建筑結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，造成的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失極高[2]。而將建筑結(jié)構(gòu)形式從中低層調(diào)整至高層、超高層之后，由于建筑的自振周期與典型地震動(dòng)的卓越周期不再重合，實(shí)際上便增加了高層建筑的抗震性能。因此，建筑層數(shù)越高，安全性也會(huì)隨之增加。事實(shí)上，在地震發(fā)生后，建筑遭受的破壞分為靜力破壞和動(dòng)力破壞兩種類型。所謂靜力破壞是指在地震發(fā)生時(shí)，因?yàn)榘鍓K運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地表面出現(xiàn)擠壓、碰撞，在“地表開裂”的影響下，建筑不可避免地受到影響。而動(dòng)力破壞是指地震發(fā)生時(shí)，地面處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力作用，這種動(dòng)力作用施加到建筑身上，進(jìn)而引起破壞。

在綜合考慮靜力破壞和動(dòng)力破壞的原動(dòng)力的產(chǎn)生原理，結(jié)合現(xiàn)代高層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)隔震措施時(shí)，基本原理分為五個(gè)階段：①隔震。應(yīng)在建筑地基處設(shè)置橡膠、鉛鋅、摩擦隔震支座;②在降低被動(dòng)耗能方面，應(yīng)使用粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器、摩擦阻尼器、軟鋼阻尼器、調(diào)頻質(zhì)量阻尼器和電感鎮(zhèn)流器;③在主動(dòng)控制方面，應(yīng)用AMD和HMD;④在半主動(dòng)控制方面，應(yīng)用變阻尼半主動(dòng)和變剛度半主動(dòng)兩種模式;⑤在智能控制方面，應(yīng)用磁流變阻尼器、SMA、PZT等設(shè)備。應(yīng)用上述設(shè)備，實(shí)際上形成了三種形式的高層建筑隔震方式。其一，特殊材料地基隔震。作為與地面直接接觸的位置，建筑地基處是否穩(wěn)定決定整個(gè)建筑體是否穩(wěn)定。原因在于，地基是整個(gè)建筑體的直接受力區(qū)。如果在此處增加隔震措施，在地震發(fā)生時(shí)，由于隔震措施的存在，會(huì)使地表、地下產(chǎn)生的震動(dòng)不會(huì)完全傳遞至建筑地基處，此即為“對地基進(jìn)行隔震”。若要達(dá)到這一目的，需要使用的隔震材料包含橡膠、鉛鋅、摩擦性能較強(qiáng)的支座等。其二，基礎(chǔ)隔震。震源從地下生成，接觸地基后逐漸向上。按照常規(guī)設(shè)計(jì)意圖，震動(dòng)作用力在逐漸向上傳遞時(shí)，應(yīng)該逐漸降低。因此，需要在建筑基礎(chǔ)與上部建筑之間的合適區(qū)域設(shè)置隔震設(shè)備。此即為最基本的隔震設(shè)置。其三，結(jié)構(gòu)懸掛式隔震。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以將高層建筑的全部、大部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行懸掛。如此一來，在地震發(fā)生時(shí)，這些懸掛式結(jié)構(gòu)受地震波沖擊的可能性較低，可有效降低地震導(dǎo)致的建筑損害程度。

2.2常見減震措施

減震措施常常被認(rèn)為與隔震措施是一回事，這實(shí)際上是一個(gè)很大的誤區(qū)。具體而言，隔震措施是在建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對震動(dòng)力的“阻隔”。而減震措施是指在建筑物之外設(shè)置特定的裝置，使震動(dòng)力在傳遞過程中，其自身能量逐漸被消耗殆盡，從而達(dá)到降低震損的目的。這二者之間的區(qū)別在于：隔震措施會(huì)在不同程度上降低震動(dòng)力通過的程度，是依靠設(shè)備自身的特性，對震動(dòng)力進(jìn)行抵御;減震措施可對震動(dòng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)化、消除，兩者在理解上有一定的相似之處，但并不完全相同。現(xiàn)階段，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)常用的減震措施為：①使用上文提到的粘滯阻尼器。其中，電磁流體阻尼器能夠產(chǎn)生一種流體效應(yīng)，主要喲經(jīng)與控制電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度。在發(fā)生地震時(shí)，阻尼器能夠根據(jù)動(dòng)力傳感器對建筑結(jié)構(gòu)瞬時(shí)振動(dòng)狀態(tài)的測量結(jié)果，通過內(nèi)設(shè)的ER或MR智能芯片，實(shí)現(xiàn)對阻尼器減震參數(shù)的調(diào)節(jié)。此種振動(dòng)阻尼參數(shù)與震動(dòng)力之間進(jìn)行相應(yīng)，可以減小整個(gè)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而達(dá)到減震目的。總體而言，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)置隔震減震措施的核心思路為：通過多種方式，降低地殼板塊運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的作用力作用于高層建筑的強(qiáng)度，盡最大可能降低建筑的受損程度，最終達(dá)到保證人民群眾生命安全，降低人身財(cái)產(chǎn)損失的目的。

結(jié)語：綜上所述，地震發(fā)生后，建筑結(jié)構(gòu)體會(huì)在不同階段受到不同的作用力沖擊。其中還包含結(jié)構(gòu)體的共振。這些振動(dòng)作用都會(huì)使建筑受到傷損。因此，在設(shè)計(jì)隔震減震措施時(shí)，所謂“隔震”是指將源自地下的作用力進(jìn)行傳播阻隔，盡量避免器透過阻隔裝置;所謂“減震”是指在作用力自下而上傳遞的過程中，通過特定的設(shè)備，對作用力進(jìn)行轉(zhuǎn)化、消除，最終達(dá)到降低作用力的目的。對兩類措施綜合考慮、共同設(shè)置，并注意設(shè)置過程中的相關(guān)問題，可提高建筑的安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉國龍. 高層隔震建筑隔震層優(yōu)化及長周期地震作用下的響應(yīng)分析[D].蘭州理工大學(xué)，2020.

[2]趙雪飛，盧小玉. 淺談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中“隔震減震控制技術(shù)”的應(yīng)用和發(fā)展趨勢[J]. 建材與裝飾，2019，（02）：127-128.