新形势下探讨高层建筑结构隔震设计

徐万芹陈利英

摘要：本文主要针对高层建筑结构中橡胶隔震支座的设计进行探讨，供同行参考。

关键词：高层建筑结构；隔震设计；橡胶隔震支座

Abstract: this paper mainly in high-rise building structure design of rubber bearings are discussed, refers for the colleague.

Keywords: high building structure; Isolation design; The rubber isolation bearing

中图分类号: TU318 文献标识码：A文章编号：

前言

2008年5月四川省发生8.0级汶川大地震，死亡6万余人，由于建筑结构的损坏造成15万人无家可归，直接经济损失约100亿美元；2010年1月发生在加勒比岛国海地的7.0级太子港大地震，死亡11.3万人，19.6万多人受伤，几十万人无家可归，受害人数达130多万人，被毁房屋超过十万栋，生命线工程和大量公共设施被严重破坏。

地震是一种多发自然灾害，而我国是世界上地震多发的国家之一，发生过破坏性地震的城市占全国城市总数的10%以上，给人民的生命财产和国民经济造成了巨大的损失。地震引起地面剧烈的颠簸和摇晃对房屋建筑特别是高层建筑会产生毁灭性的破坏。目前，城市建筑都朝着中高层建筑发展。因此，如何减少地震对高层建筑的影响是目前房建设计与施工所面临的一个重要问题。而高层基础隔震建筑的隔震效果与隔震支座的水平刚度有极大关系，采用低硬度橡胶的支座更加适用于高层建筑。

1 基础隔震结构体系分析

建筑结构基础隔震属于结构被动控制技术，其基本思想是在上部结构与基础顶面之间设置足够可靠、水平刚度小的隔震层，并通过隔震层的阻尼器来吸收地震传入结构的能量，减小结构的地震响应，提高建筑的可靠性。

基础隔震结构目前多用于30层以下﹑高宽比较小﹑上部结构水平层刚度比较大的建筑结构。如果上部结构层数较多﹑高宽比较大﹑层间刚度较小，则上部结构须视为多质点体系，采用多质点模型，并需要考虑结构的倾覆﹑扭转等因素。

在高烈度区地震波激励下，高层隔震结构体系的上部结构弯曲变形已开始占了较大部分，在高烈度地区应用橡胶隔震结构，结构中的隔震支座可能会出现一定的拉应力或者非线性变形，但是结构整体是安全的。对于高层隔震结构体系，上部结构的倾覆弯矩较大，水平地震作用会引起隔震层的转动，结构的垂直荷载比较大，隔震层可能产生明显的坚向变形。对于这种情况，隔震结构的地震反应不仅要按多质点平动体系进行分析，并且要考虑结构的摆动。因此应采用多质点平动加摆动计算模型，如图1所示。

图1基础隔震体系多质点平动加摆动动力分析模型

2 高层建筑结构隔震设计

在隔震结构的设计中，应通过对结构的整体特性、结构布置、结构刚度的分布等情况进行合理设置，控制结构在地震发生时的反应性能，达到减小地震反应的目的。

2.1隔震设计要求

（1）采用隔震设计的房屋建筑，其抗震设防目标应高于抗震建筑。在水平地震方面，隔震结构具有比抗震结构至少高0.5个设防烈度的抗震安全储备。坚向抗震措施不应降低。合理设计的隔震建筑均可达到“小震不坏，中震不坏或轻微破坏，大震不丧失使用功能”的设防目标。

（2）建筑结构的隔震设计，应根据建筑抗震设防类别﹑抗震设防烈度﹑场地条件﹑建筑结构方案和建筑使用要求，与建筑抗震的设计方案进行技术﹑经济可行性的对比分析后，确定其设计方案。

（3）由于建筑隔震技术的特点，软弱场地固有周期长，对自振周期较长的隔震结构不利，易引起共振，所以不推荐软弱场地上进行基础隔震设计，宜选用I、II 类场地，并且在结构设计中选用刚性较好的基础类型，以保证隔震层的稳定性和在地震中运动的一致性。

（4）设计文件上应注明对隔震的性能要求；隔震部件的设计参数和耐久性应由试验确定；并在安装前对工程中所有各种类型和规格的部件原型进行抽样检测，每种类型和每一规格的数量不应少于3个，抽样检测的合格率应为100%。

（5）隔震建筑隔震层的抗拉能力比较弱，根据剪切型结构的特点，为了保证隔震结构的稳定性，确保隔震结构的倾抗覆能力，应对隔震结构的高宽比加以控制。隔震结构的高宽比应满足表1的要求。当高宽比不满足要求时，应进行罕遇地震下的抗倾覆验算。

表1隔震建筑最大高宽比

（6）建筑隔震橡胶支座和隔震层的其他部件尚应根据隔震层所在位置的耐火等级采取相应的防火措施。

（7）对于体型复杂或有特殊要求的结构采用隔震技术，应进行模型试验。

2.2隔震设计步骤

（1）依据设防烈度或地震危险性场地条件以及工程的重要性，确定设防标准。

（2）确定上部结构方案与结构布置，初步确定上部结构构件尺寸及材料强度等级。由于设置了隔震层，上部结构所受地震作用降低很多。因此，对柱子轴压比的限制可适当降低，柱子的载面也可适当减少。

（3）根据隔震装置的承载力﹑刚度﹑变形等性能要求和规定，确定隔震支座的类型﹑个数和隔震支座的尺寸，布置并进行隔震支座设计。

（4）选择隔震结构动力计算分析模型，确定结构的刚度﹑自振周期﹑阻尼比等动力参数。

（5）合理设置隔震结构的基本周期，避开场地周期和上部结构的周期，有效地发挥隔震技术的效用。

（6）计算结构地震作用和结构的加速度﹑速度﹑位移﹑隔震的水平位移﹑支座轴力等地震反应，确认是否满足设防标准。

（7）包括隔震层与上部结构的连接构造﹑隔震支座和阻尼器的连接构造﹑穿过隔震层的设备配管﹑配线的连接及其措施。

（8）隔震层的平面布置：隔震层位置宜设置在第一层以下部位，隔震层在罕遇地震下应保持稳定，且不出现不可恢复的变形。控制隔震结构的节点构造，保证隔震层在地震时有效发挥作用。隔震层的平面布置应力求具有良好的对称性，应设置在受力较大的位置，间距不宜过大。

（9）水平地震作用下隔震层验算：根据隔震层力学参数，隔震层在小震时的等效刚度﹑等效阻尼比，大震时的等效刚度﹑等效阻尼比，采用动力时程分析法，选用适合的计算模型和符合场地频谱特征的实际地震波及符合抗震规范反应谱要求的人工模拟地震波，分别对隔震和不隔震结构在多遇地震下和罕遇地震下的地震反应进行对比分析。

用几条地震波作用下各自最大值的平均值作为时程分析结果的代表值，验证时程分析计算结果是否满足要求，具体包括多遇地震下结构水平向减震系数的计算，确定减震效果，要求见表3；罕遇地震下隔震支座坚向应力的验算；罕遇地震下隔震支座水平位移的验算等。另外还有一些隔震层设计的构造措施，这里就不再赘述。

表3确定水平向减震系数的比值划分

2.3隔震装置的选取。

（1）隔震装置应具有足够的坚向承载力和水平变形能力，在发生大震时，可安全稳定地支撑建筑物，不会出现失稳破坏，能发挥隔震功能。橡胶隔震支座平均压应力限值和拉应力的规定是隔震层设计的关键之一，隔震支座在永久变荷载作用下组合的坚向平均压应力设计值不应超过表2列出的限值。同时，隔震中支座出现拉应力，意味着上部结构存在倾覆危险，这对高层建筑结构隔震尤为主要。

建筑类别 甲类建筑 乙类建筑 丙类建筑

平均压应力限值（Pa） 10 12 15

表2橡胶隔震支座平均压应力限值

（2）隔震支座应具有适当水平刚度和较大的水平变形能力，在较大地震作用时，隔震支座产生柔性变形，能释放部分水平地震作用。

（3）应控制隔震支座的布置及结构的刚度，使其分布均匀。尽量使结构刚度中心与上部结构的质量中心的偏移小一些，这样做可以保证结构不致因为太大的扭转作用而发生意外破坏。

（4）隔震装置应具有弹性复位功能，应便于施工、检查和替换。

（5）隔震装置应具有很强的竖向承载能力和很小的压缩变形，确保建筑物的正常使用。

（6）隔震装置的刚度和阻尼具有较好的稳定性，在可能出现的荷载和温度变化以内，其变化较小。具有良好的耐久性﹑抗低周疲劳性、抗热空气老化性、抗臭氧老化性、耐酸性、耐水性等性能，其寿命可与建筑物使用寿命相同，在建筑物使用期内能有效发挥隔震作用。

（7）隔震结构设计时，隔震层及隔震垫的受力和变形控制指标应满足指定要求。

3 隔震建筑的经济效益分析

隔震结构与一般结构相比,费用增加的部分包括:隔震构件、隔震层上面的楼面、设备管道的柔性接头及相应的设计费用和施工费用。如果上部结构仍然按传统的抗震设计,其总工程费用略有增加。如果上部结构设防烈度降低，则节约的造价，可用于抵消隔震层的造价。

因此，对整个隔震建筑的工程造价来说，和同类非隔震建筑相比，基本持平或略有降低。隔震建筑在振动性能和抗震安全性方面提高了建筑结构的附加价值。如果把地震时建筑结构的破坏、内部财产的损失、人员伤亡以及建筑物损坏造成的停工停产所带来的损失加起来，该基础隔震体系的经济效益和社会效益十分巨大，是一种极具推广和应用的换代新产品、新技术。

4 结束语

隔震技术不仅可以保证结构的整体安全,防止非结构部件的破坏,避免建筑物内部装修、室内设备的损坏以及由此引起的次生灾害，并且隔震橡胶支座技术应用方便、隔震效果明显。世界上已有20多个国家已开始在建筑物中使用橡胶垫隔震技术，橡胶垫隔震房屋经受了多次强烈地震的考验，减震性能表现非常显著。该技术对国计民生具有重要的意义。

未来高层建筑的发展趋势，体型将更趋复杂，结构体系将更趋多样化。出于对建筑艺术上的要求，高层建筑的体型将会更为复杂和多样，许多高层建筑都是综合性的和多用途的。因此对建筑结构必然提出新的更高的设计要求，各种先进的隔震技术也将大量应用到高层建筑中。

参考文献:

[1]GB50011—2010 建筑抗震设计规范

[2]曲哲．叶列平．潘鹏．高层建筑的隔震原理与技术．清华大学土木工程系． 北京

[3]田杰．建筑隔震技术概况．北京工业大学

[4]何永超．日本高层基础隔震技术开发和应用．工业建筑．2002

[5]田其丰．框架结构橡胶垫基础隔震系统研究．西北工业大学，2004．

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看