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    概述超高層隔震建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計

    2014-10-21 20:04:24李琪
    建筑工程技術(shù)與設(shè)計 2014年35期
    關(guān)鍵詞:超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計

    李琪

    【摘要】地震對于人類社會的發(fā)展而言危害極大,同時也是一個危害面積廣的自然災(zāi)害。自新世紀(jì)以來,因為地震引發(fā)的國民經(jīng)濟(jì)損失不可估量,人員傷亡更是數(shù)以萬計。遠(yuǎn)的不說,就08年至今,無論是汶川地震、玉樹地震還是雅安地震,都給我們留下刻骨銘心的傷害,也給中華民族帶來了重大災(zāi)難。但是就這些地震所造成的損失進(jìn)行分析,大多數(shù)的損失都是因為建筑物倒塌而引發(fā)的,因此也提起了人們對建筑物抗震設(shè)計觀念,使得人們越來越多的關(guān)注建筑物的抗震設(shè)計。隔震建筑物結(jié)構(gòu)便是基于這種時代背景下產(chǎn)生的,是當(dāng)前建筑業(yè)內(nèi)人士研究的焦點之一。

    【關(guān)鍵詞】隔震建筑物;結(jié)構(gòu)設(shè)計;超高層

    1、隔震建筑的形式

    1.1基礎(chǔ)隔震

    基礎(chǔ)隔震是建筑抗震新技術(shù)家族中的佼佼者,大量試驗研究及多次強(qiáng)震實踐表明,基礎(chǔ)隔震以其極少的投資換取很大的安全系數(shù)?;A(chǔ)滑動隔震效果受地面運(yùn)動頻率特性的影響較小,幾乎不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

    所謂基礎(chǔ)隔震,就是在建筑物的基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間增設(shè)高度很矮,具有足夠可靠性的隔震層,控制地面運(yùn)動向上部結(jié)構(gòu)傳遞,地震時其能量可反饋到地面或由隔震層吸收,以大大減小結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的地震反應(yīng),確保建筑物的整體安全,其內(nèi)部設(shè)備不發(fā)生破壞或喪失使用功能,室內(nèi)人員不遭受傷害也不會有強(qiáng)烈震感。同時,還可防止結(jié)構(gòu)內(nèi)部的次生災(zāi)害。主震后無需避震疏散,即使發(fā)生罕遇大震隔震房屋也不會倒塌。

    1.2基地隔震形式

    1)夾層橡膠墊隔震裝置用于隔震裝置的橡膠墊塊,可用天然橡膠,也可用人工合成橡膠(氯丁膠)。為提高墊塊的垂直承載力和豎向剛度,橡膠墊塊一般由橡膠片與薄銅板疊合而成.

    2)鉛芯橡膠支座這樣就使支座具有足夠的初始剛度,在風(fēng)荷來和制動力等常見載荷作用下保持具有足夠的剛度,以滿足正常使用要求,但強(qiáng)地震發(fā)生時,裝置柔性滑動,體系進(jìn)入消能狀態(tài)。

    3)滾珠(或滾軸)隔震有自復(fù)位能力的;有加銅拉桿風(fēng)穩(wěn)定裝置;橫向油壓千斤頂位的。另外,還有加消能裝置的,消能裝置有軟消能桿剪,鉛擠壓消能器,油阻尼器,光阻尼器等。

    1.3中間層隔震

    在基礎(chǔ)以上的中間樓層設(shè)置隔震層,下部結(jié)構(gòu)同普通建筑物一樣直接與地基接觸,因此它不存在基礎(chǔ)隔震建筑的底部體積和墻體數(shù)量問題,但隔震層以下的樓層需要做抗震處理。在市區(qū)場地不太寬裕時,可把隔震層設(shè)計在地面以上,在空中變形有利于節(jié)約用地,同時也能有效減少地基的挖土量。

    1.4懸掛隔震

    懸掛隔震使將結(jié)構(gòu)的全部或大部分質(zhì)量懸掛起來,是地震動傳遞不到主體質(zhì)量上,產(chǎn)生較小的慣性力,從而起到隔震作用。懸掛結(jié)構(gòu)在橋梁、火電廠鍋爐架等方面有大量應(yīng)用。著名的43層香港匯豐銀行新大樓采用的就是懸掛結(jié)構(gòu)。

    2、耐震建筑與隔震建筑造價比較

    由統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,隔震建筑物與耐震建筑物造價比較,建筑物高度在25m以下,隔震建筑物造價約為耐震建筑物造價之105%~109%;建筑物高度在25m~31m,隔震建筑物造價約為耐震建筑物造價之102%~104%;建筑物高度在31m以上,隔震建筑物造價約為耐震建筑物造價之99%~103%。

    另比較隔震建筑物結(jié)構(gòu)造價比較,辦公室隔震建筑物之結(jié)構(gòu)費(fèi)用約占建筑物費(fèi)用之18%,旅館建筑隔震建筑物之結(jié)構(gòu)費(fèi)用約占建筑物費(fèi)用之13%,醫(yī)院隔震建筑物之結(jié)構(gòu)費(fèi)用約占建筑物費(fèi)用之8%。顯示越重要之建筑物,采用隔震建筑物設(shè)計,結(jié)構(gòu)費(fèi)用相對最經(jīng)濟(jì)。

    3、超高層建筑結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計要求與步驟

    針對超高層建筑結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計,需要嚴(yán)格按照有關(guān)高層建筑規(guī)范條例的相關(guān)內(nèi)容,結(jié)合建筑物所在環(huán)境的實際情況,遵循隔震設(shè)計的一般要求,采取合理的設(shè)計步驟,確保超高層隔震建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到最優(yōu)化的效果。

    3.1隔震設(shè)計要求

    (1)設(shè)計方案:建筑結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計,應(yīng)根據(jù)建筑抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、場地條件、建筑結(jié)構(gòu)方案和建筑使用要求,與建筑抗震的設(shè)計方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性的對比分析后,確定其設(shè)計方案。(2)設(shè)防目標(biāo):采用隔震設(shè)計的房屋建筑,其抗震設(shè)防目標(biāo)應(yīng)高于抗震建筑。在水平地震方面,隔震結(jié)構(gòu)具有比抗震結(jié)構(gòu)至少高0.5個設(shè)防烈度的抗震安全儲備。豎向抗震措施不應(yīng)降低。(3)隔震部件:設(shè)計文件上應(yīng)注明對隔震部件的性能要求;隔震部件的設(shè)計參數(shù)和耐久性應(yīng)由試驗確定;并在安裝前對工程中所有各種類型和規(guī)格的部件原型進(jìn)行抽樣檢測,每種類型和每一規(guī)格的數(shù)量不應(yīng)少于3個,抽樣檢測的合格率應(yīng)為100%。

    3.2隔震設(shè)計步驟

    (1)結(jié)構(gòu)隔震控制目標(biāo)的確定。依據(jù)設(shè)防烈度或地震危險性場地條件以及工程的重要性,確定設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計。確定上部結(jié)構(gòu)方案與結(jié)構(gòu)布置,初步確定上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸及材料強(qiáng)度等級。由于設(shè)置了隔震層,上部結(jié)構(gòu)所受地震作用降低很多。因此,對柱子軸壓比的限制可適當(dāng)降低,柱子的截面也可適當(dāng)減少。這部分設(shè)計內(nèi)容與非隔震建筑相同。(3)隔震裝置的選用。根據(jù)隔震裝置的承載力、剛度、變形等性能要求和規(guī)定,確定隔震支座的類型、個數(shù)和隔震支座的尺寸、布置并進(jìn)行隔震支座設(shè)計。(4)結(jié)構(gòu)隔震體系動力參數(shù)的確定。選擇隔震結(jié)構(gòu)動力計算分析模型,確定結(jié)構(gòu)的剛度、自振周期、阻尼比等動力參數(shù)。(5)結(jié)構(gòu)隔震控制驗算。計算結(jié)構(gòu)地震作用和結(jié)構(gòu)的加速度、速度、位移、隔震的水平位移、支座軸力等地震反應(yīng),確認(rèn)是否滿足設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

    4、超高層隔震建筑物設(shè)計技術(shù)

    超高層隔震建筑物設(shè)計技術(shù)主要有下列關(guān)鍵因素:

    4.1長周期建筑物之隔震效果

    隔震建筑物之最優(yōu)越抗震效果即在延長建筑物基本振動周期,但高層建筑物基本振動周期往往超過3秒,隔震后即使將建筑物基本振動周期拉長至5秒以上,由反應(yīng)譜顯示,兩者加速度反應(yīng)相差有限。但是在增加阻尼比降低地震位移反應(yīng),則有其貢獻(xiàn)。

    4.2傾覆作用造成隔震組件受拉力

    隔震組件設(shè)計時必須考慮拉力作用,因此拉力試驗成為規(guī)范修訂之首要任務(wù)。

    4.3風(fēng)力作用

    隔震層設(shè)計時必須考慮地震力作用,但是小地震或風(fēng)力作用,隔震組件是否發(fā)揮功能?仍有待深入探討。

    5、隔震應(yīng)用的注意事項

    5.1隔震實際上會使原有結(jié)構(gòu)的固有周期演唱,在下列情況下不宜采用隔震設(shè)計:

    ①基礎(chǔ)土層不穩(wěn)定;

    ②下部結(jié)構(gòu)變性大,原有結(jié)構(gòu)的固有周期比較長;

    ③位于軟弱場地,延長周期可能引起共振;

    ④制作中出現(xiàn)負(fù)反力;

    5.2隔震裝置必須具有足夠的初始剛度,這樣能滿足正常使用要求。當(dāng)強(qiáng)震發(fā)生時,裝置柔性消震,體系進(jìn)入消能狀態(tài)。

    5.3隔震裝置能使結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)面上柔性滑動,在地震來時這樣必然會產(chǎn)生很大的位移。為減低結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng),隔震裝置應(yīng)提供較大的阻尼,具有較大的消能能力。

    6、結(jié)語

    我國也是世界上多地震的國家之一,百分之七十八的國土面積都需要進(jìn)行抗震設(shè)防,而隔震技術(shù)則是一種經(jīng)濟(jì)有效的防震減災(zāi)技術(shù)。雖然,它的體制還西藥進(jìn)一步健全,但由其原理名了、結(jié)構(gòu)簡單、造價低等技術(shù)優(yōu)勢,必然會在日后得到長足的發(fā)展,但就現(xiàn)有技術(shù)水平還未能達(dá)到可以安全面對最大等級的地震水平,所以,就目前情況而言,我們更要對人們的生命財產(chǎn)負(fù)責(zé),采取更為保守的作為。

    參考文獻(xiàn):

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    [3]周錫元 中國建筑結(jié)構(gòu)抗震研究和實踐六十年建筑結(jié)構(gòu) 2009/09

    [4]宋濤; 趙歆冬 層間隔震建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與應(yīng)用 低溫建筑技術(shù) 2010/07

    [5]楊淑紅 隔震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中的發(fā)展與應(yīng)用 山西建筑 2013/03

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