浅析超高层建筑结构隔震设计技术之应用

张忠良

【摘要】：国内中低层隔震建筑物发展己渐成熟，国外由铝心橡胶隔震组件和消能组件组合及多种隔震组件组合，所构成的隔震系统经过多次地震验证性能，证实可行，并用于超高层建筑物；国内现阶段采用的隔震系统，超高层建筑物受日本影响逐渐起步，本文以日本大阪西梅田大楼、南堀江大楼两栋超高层建筑为例，说明超高层隔震建筑设计、施工等原则，作为国内推动超高层隔震建筑设计和施工之参考。

【关键词】：超高层建筑物；隔震；消能；

1、耐震建筑物、隔震建筑物及消能建筑物

中国大部分地区地处于环太平洋地震带上， 每年发生大地震机率较高，因此建筑物耐震设计非常重要。传统建筑物采用耐震设计规范 设计建筑物，主要考虑强度及韧性，5.12地震后，由业界引进两种耐震新技术隔震及消能。其技术由研究阶段迈入实际应用阶段。这两种耐震新技术在日本阪神地震发生后蓬勃发展；中国大部分地区和其它世界各主要受强震破坏国家均不例外。自2008年5.12地震发生以后，国内采用隔震消能新技术的建筑物案例与日俱增，规范也适应时势所驱，于是耐震规范中列入专章，包括了有关隔震与消能设计的规定。

1.1耐震建筑物

耐震建筑物耐震设计的基本原则，使建筑物结构体在中小度地震保持在弹性限度内，设计地震时允许产生塑性变形，但韧性需求不能超过允许韧性容量，最大考虑地震时的使用韧性可以达到规定韧性之容量。

1.1.1中小度地震：回归期大约为30年的地震，50年超越机率大约在80%左右，故在建筑物使用年限中发生的机率非常高，所以要求建筑物在中小度地震下的结构体要保持在弹性限度内，使地震过后，建筑物结构体不受任何损坏，以避免建筑物在中小度地震过后修补麻烦。一般来说，对于高韧性容量的建筑物，这一目标常控制它的耐震设计。

1.1.2设计地震：回归期为475年的地震，50年超越机率约在10%左右。所以该地震水平下的建筑物不得产生严重损坏，以避免造成严重的人命以及财产损失。对于重要建筑，所对应的回归期更长。设计地震下如若限制建筑物必须保持弹性，并不经济，因此允许建筑物在某些特定的位置（比如梁端部产生塑铰，以此消耗地震能量，并降低建筑物所受的地震反应）才是对付地震的经济做法。对防止过于严重，不可修护的损坏，建筑物产生的韧性比不能超过允许韧性容量。

1.1.3最大考虑地震：回归期2500年的地震，50年超越机率约在2%左右。设计要使建筑物在该罕见的烈震下不产生崩塌，以避免造成严重 损失及二次灾害。实际地震 水平己经为最大考虑地震，如还限制其韧性容量的使用，并不经济，所以允许结构物使用韧性可以达到的韧性容量。

1.2隔震建筑物

隔震建筑物是在建筑物的基面设置隔震层。其隔震层系是由侧向劲度较低的隔震组件组成，使整体隔震建筑物的周期大幅拉长，借以降低作用在结构物上的地震力。但因周期增加以后，建筑物位移增加较低，因此，再配合消能组件提高系统的阻尼比，从而降低位移量。隔震建筑物还有一个特性，就是因为隔震层相较于上部结构软了许多，所以当它受地震水平力的作用时，隔震层的相对变位较大，但上部结构的相对变位较小。因此可以将上部结构视为刚体。

1.3消能建筑物

消能建筑物就是加上一些阻尼器，以增加建筑物的阻尼比来达到耐震 目的。依据耐震设计规范10.2节定义，消能组件大概分为位移型、速度型以及其它型式。位移型消能组件显现刚塑性 、双线性或三线性迟滞行为，其反应需和速度及激振频率无关。速度型消能组件由于不同的阻尼比、劲度及材料分为：包含固态与液态黏弹性组件和液态黏滞性组件。第三类则包括括所有不属于位移型和速度型的消能组件，典型范例包括形状记忆合金、摩擦、弹簧组件，及兼具回复力及阻尼的液态消能组件。

2.世界各国隔震建筑物发展现状

各国推展隔震建筑物数量不同，不过有一个共通点，即大地震来临，往往成为催生者。比如美国北岭地震（1994），日本阪神地震（1995），中国大部分地区集集地震（2008）等，虽然地震造成工程产官学界痛定思痛的痛楚，但经建筑物损坏情形来看，终于肯定隔震建筑物在地震中的优越性能。

3.耐震建筑与隔震建筑造价的比较

由日本统计数据显示，隔震建筑物和耐震建筑物造价相比较，如建筑物的高度在25m以下，那么隔震建筑物造价为耐震建筑物造价的105%-109%；如建筑物高度在25m-31m，隔震建筑物造价为耐震建筑物造价的102%-104%；如建筑物高度在31m以上，隔震建筑物造价为耐震建筑物造价的99%-103%。

另外比较隔震建筑物的结构造价，办公室的隔震建筑物结构费用大概占建筑物费用的18%，旅馆隔震建筑物结构费用大概占建筑物费用的13%，医院隔震建筑物的结构费用大概占建筑物费用的8%。数据显示越重要的建筑物，采用隔震建筑物设计，结构费用相对来讲最经济。

4.隔震建筑的新趋势

高层和超高层隔震建筑物，目前日本最高隔震建筑物为位于大阪城的西梅田超高层计划，地下1层，地上50层，屋突2层（SRC+RC）， 基础隔震，楼高177.4M，高宽比5.8：1，隔震型式有滑动支承，积层橡胶，及U型钢板消能器+fluid damper。

5.超高层隔震建筑物设计技术

超高层隔震建筑物设计技术主要有下列关键因素：

5.1长周期建筑物的隔震效果

隔震建筑物最优越的抗震效果是延长建筑物的基本振动周期，但是高层建筑物的基本振动周期通常超过3秒，隔震后使建筑物基本振动周期拉长至5秒以上，由反应谱显示，两者之间加速度反应相差有限。但增加阻尼比降低地震位移反应，则有贡献。

5.2倾覆作用造成隔震组件受拉力

隔震组件在设计时必须要考虑地震力作用，因此拉力试验成为规范修订之首要任务。

5.3风力作用

隔震层设计必须考虑地震力作用，小地震或风力作用，隔震组件是否发挥功能？仍有待深入探讨。

结论

目前，国内有关超高层隔震建筑物设计与施工的相关研究仍然欠缺，己完成的研究报告仍有待产、官、学的意见补充，使研究成果得以展现，基于隔震建筑日趋普及，隔震建筑设计的审查、隔震消能材料的认证以及验证机制、和评定机构的指定工作刻不容缓，该如何有效结合产、官、学三方，尽早制定完善超高层隔震建筑设计的审查机制、隔震消能材料试验标准、以及装设前中后的检测，为当务之急。本文认为，在相关机制和配套措施仍然欠缺的情况下，隔震建筑物能否得以应付千年以上的最大地震折磨、还有待深入探讨，而超高层隔震建筑物的发展，应当在上述疑虑未澄清之前，应该采取更为保守的做法。

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