高層建筑組合隔震的設計方法及應用

付維宏

摘要：在高層建筑結(jié)構(gòu)的施工和設計環(huán)節(jié)中，對于隔震層的設計和驗算是一個非常重要的考量，因為高層建筑結(jié)構(gòu)的隔震層上部傾覆彎矩一般都比較大，這樣就需要嚴格控制高層建筑隔震支座的水平方向的剪應力和垂直方向的壓應力、橫向位移和縱向位移，防止隔震層上部結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重變形。本文試結(jié)合筆者多年的實踐經(jīng)驗淺談隔震設計方法在高層建筑結(jié)構(gòu)中的應用和實施方案。

關(guān)鍵詞：高層建筑 組合 隔震 方法 應用

1 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的動力體系設計

在高層建筑結(jié)構(gòu)設計中，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)一般安裝在樓層上部結(jié)構(gòu)水平面寬度較小而樓層之間剛度較大、樓層高度在三十層以下的樓房建筑中。假如該樓房上部結(jié)構(gòu)水平面寬度較大而不同樓層之間剛度又很小、樓層數(shù)量又較大，這時候的樓房上部結(jié)構(gòu)就是多質(zhì)點的隔震結(jié)構(gòu)體系，需要采取相應的多質(zhì)點隔震模型，而且另外還要想辦法防止隔震結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)和發(fā)生傾覆等意外情況。

如果發(fā)生強烈地震，高烈度地區(qū)的地震沖擊波產(chǎn)生強作用力，高層建筑組合隔震層的上部結(jié)構(gòu)就會由于劇烈顛簸和搖晃而產(chǎn)生彎曲和變形，破壞樓層的穩(wěn)定性，使得高層建筑有坍塌的危險。所以對于位于強地震帶和高烈度地區(qū)的高層建筑要采用橡膠材料的隔震結(jié)構(gòu)，因為橡膠隔震結(jié)構(gòu)中的隔震支座在沖擊波作用下會產(chǎn)生一定的拉應力或者發(fā)生輕微的非線性變形，從而保證高層建筑結(jié)構(gòu)的整體安全和穩(wěn)定。對于高層建筑結(jié)構(gòu)的組合隔震體系而言，如果隔震層上部結(jié)構(gòu)傾覆彎矩太大的話，發(fā)生的水平地震作用力就會使得隔震層轉(zhuǎn)動起來，加大隔震結(jié)構(gòu)在垂直方向的負載，那么該高層建筑隔震層就會發(fā)生較為突出的縱向變形。因此，在考慮高層建筑基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的動力體系時，一方面要考慮到隔震結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動，另一方面還要考慮到隔震結(jié)構(gòu)的多質(zhì)點平動受力，最好是采用多質(zhì)點擺動加平動隔震計算模型。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)的組合隔震的設計要求

首先，高層建筑結(jié)構(gòu)的組合隔震設計要按照該建筑抗震的級別要求、防烈度的等級要求、建筑施工場地的狀況、建筑使用目的和用途、建筑的整體設計方案等綜合情況來討論隔震的可行性、技術(shù)性和經(jīng)濟性，最終確定一套完整可行的隔震方案。其次，在高層建筑結(jié)構(gòu)的隔震目標上，應該規(guī)定采用組合隔震設計的高層抗震效果至少高于一般抗震建筑。水平地震隔震結(jié)構(gòu)在安全儲備上要比抗震結(jié)構(gòu)在防烈度方面至少高出半個值。同時縱向抗震措施也不能減弱。在對高層建筑的組合隔震部件要求上，要對部件性能要求有明確規(guī)定；通過試驗先確定每個隔震組成部件的耐久性和具體設計參數(shù)；先進行抽樣采集檢測各種零部件的原型類型和規(guī)格，然后再去安裝，采集和抽樣的數(shù)量不少于三個，抽樣合格率必須保證是100%；隔震部件要便于安裝、檢查和更換。

3 高層建筑組合隔震的設計方案

首先，高層建筑組合隔震裝置的選取原則是要保證有足夠的橫向變形和縱向承載能力，這樣當大的地震發(fā)生時，隔震層能夠較為穩(wěn)定安全地把高層建筑物支撐起來，防止樓層因為受到?jīng)_擊而失去重心，保持其穩(wěn)定的隔震作用。高層建筑組合隔震層設計上的重點之一是橡膠隔震支座的平均拉應力和壓應力限值，無論是在可變的負載作用下還是永久性負載作用下，橡膠隔震支座組合的縱向平均壓應力設計值都不能超過限值。如果高層建筑隔震層橡膠支座產(chǎn)生拉應力，那就說明隔震層的上部結(jié)構(gòu)有被顛覆的危險和可能，所以要在設計時考慮到這一點。

設計時還要考慮到高層建筑組合隔震層必須滿足一定的水平剛度，這樣當有強風來襲時，因為隔震層的初始剛度夠硬，即便發(fā)生強度較大的地震，隔震層也能通過柔性的變形來降低地震的水平作用力，防止樓房倒塌。

除了保證良好的自動回位功能以外，高層建筑組合隔震層的上部結(jié)構(gòu)質(zhì)心要和橫向剛度保持一致。縱向剛度要能夠滿足在縱向負載的作用下，縱向位移保持在安全范圍之內(nèi)。除此之外，高層建筑組合隔震的阻尼和剛度必須保持穩(wěn)定，變化范圍越小越好。

隔震裝置的變形和受力在滿足規(guī)定要求的同時還要具有一定的抗老化、防徐變、經(jīng)久耐用的性能，這樣能夠保證建筑物在使用期限內(nèi)發(fā)揮良好的隔震作用。

其次，關(guān)于高層建筑隔震層的平面設置原則。高層建筑組合隔震層最好設置在樓房第一層下面地基頂面或地下室頂板的位置，保證有很好的對稱效果，隔震層最好安裝在樓房受力較大的位置，而且保持適當?shù)拈g距。

最后，關(guān)于水平地震作用下高層建筑組合隔震層的驗算方案。按照隔震層相關(guān)力學原理和參數(shù)，當不同強度的地震來臨時，隔震層的等效阻尼比和等效剛度，按照動力時程分析的方法，選用相應的隔震計算模型來驗算，并拿隔震結(jié)構(gòu)和不隔震結(jié)構(gòu)分別在地震頻繁發(fā)生時的反應和很少地震發(fā)生時的反應進行分析和對比。

4 結(jié)語

實踐證明，在高層建筑組合隔震結(jié)構(gòu)中采用橡膠墊隔震既有它的經(jīng)濟性優(yōu)勢，同時還有良好的隔震性能。這種隔震結(jié)構(gòu)一方面能夠通過隔震作用的發(fā)揮使得建筑穩(wěn)定，從而在地震發(fā)生時保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全不受到威脅；另一方面還能夠幫我們節(jié)省地震受災后災區(qū)重建和維修高額的成本和巨額的費用。因此，在高層建筑設計中要采用橡膠墊隔震支座裝置，同時用多質(zhì)點平動體系分析地震反應，用多質(zhì)點平動加擺動計算隔震模型，用動力時程分析法驗算地震到來時高層建筑組合隔震結(jié)構(gòu)體系的動力反應。

參考文獻：

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