高层建筑中隔震结构等效简化计算模型的应用

葛根旺 潘随伟

(马鞍山学院，安徽 马鞍山 243100)

隔震概念最早起源于国外，经过很多年的发展，隔震技术已经取得了很大的发展。目前，隔震技术已经相对成熟了，已建成了很多隔震建筑，且这些隔震建筑经过实验验证确实起到了非常好的隔震效果。如日本东京的移动钢筋混凝土隔震建筑在面对地震时经受住了地震的考验，起到了很好的效果；美国的一个医院也是采用隔震建筑的方法进行建造的，在美国地震中，这栋建筑及设备都没有损坏，成为当时的防灾抢救中心；我国也有一栋隔震建筑，这栋建筑在台湾海峡地震中仍旧良好地保存下来，且保护了建筑里面的人。采用隔震技术所建造的大楼在地震到来时能有效防止被地震破坏，尽可能地保护人类的生命与健康安全[1]。这些实际的工程实例都充分验证了隔震技术在实际生活过程中的可靠性，隔震技术能提高原本居住地的安全性能，保障居住地人们的生命健康安全。

1 高层隔震技术发展现状

我国大力的推广隔震技术，很多建筑在建设的过程中都开始使用这个技术。因此，关于隔震技术的一系列规范也都相继公布，并已建成了利用隔震技术的工程。目前，我国国内隔震结构设计常用的方法主要是以下几个步骤：首先，利用隔震结构动力软件对现有的建筑进行分析，计算出目标隔震参数；其次，当满足预期的隔震要求后，就应当对隔震建筑的上部结构进行单独计算，通过一些常见的设计软件来进行分析，仔细采集这栋建筑上的一些关键性的数据，尽可能的接力计算上部结构的内力。在这个过程中必须要注意尽可能的简化计算模型，寻找一个更为简便的计算方法。笔者主要从力学特点出发研究出了一种隔震层计算比较简便的计算方法，希望能得出一些有效的数据供设计人员使用。

2 叠层橡胶支座力学性能

叠层橡胶支座目前的制作工艺已非常成熟，且已广泛应用到施工的各个环节中[2]。经过相关的数据研究表明，这个叠层橡胶制作的主要优点就是应用到隔震体系中，其刚度很大，具有非常强的承载能力。但这种物质的水平刚度比较小，水平向变量比较大。数据研究表明，铅芯橡胶支座的计算模型可大致简化为等效双线性简化模型，如图1所示：

图1 等效双线性简化模型

这种新型的支座目前在建筑工程中已广泛应用，体现在一些动力分析软件之中，如说橡胶制作的模型就会采用比较普遍的新型计算模型，这种方法提高了工作效率。

3 设计方法

目前，一部分的动力软件可以通过数值计算来计算上述结构的内力，但构建内部的截面配比在处理过程中有很大难度。经过相关的数据研究结果显示表明，对于隔震体系如果采用加连梁的方式将会更有利于整个体系的稳定性，能够帮助体系在运行过程中更加安全。因此，本文就是采用柱顶加拉梁隔层的方法来维持整个系统的稳定性，保证隔震设计能够更加耐用。

3.1 隔震设计

3.1.1 隔震层布置

要想精确地对隔震层进行布置，首先应当根据建筑的不同类别来确定橡胶制作的压力极限值，在此基础上更加细致地计算隔震支座的直径，计算直径后以此为基础进一步确定支座制作的位置[3]。在整个调整过程中需确保最终的隔震层偏心率不超过一定的数值，也要保证最终的设计成果满足抗风的要求。

3.1.2 水平向减震系数的计算

水平向减震系数是在一定前提条件下经过进一步的计算来确定的，新抗震规范中明确规定了减震系数的数值，在此基础上再计算相关的弹性数值。如果最终的计算数值显示为高层结构，还需要计算隔震与非隔震结构相关数值的最大力矩，隔震和非隔震结构在计算过程中需要考虑所使用橡胶支座的剪切变形量，并与正确的数值相比对。在分析过程中应按照加速度最大值从相关的规范中进一步查询出来，并根据最终的查询计算结果来判定最终结果是否达到预期目标。

3.1.3 相关数值的验算

在相关数值计算完毕后需对数值进行验算，隔震设计除满足基本的设计目标之外还有一些具体的点需要核实，还需要校正相关隔离层的位置是否移动这些问题。这些数值都需要进行仔细的计算并处理。在这一过程中最终的计算结果会显示出所采用的隔震制作的最小直径。

3.2 结构设计

根据我国相关政策规定及规范，进行结构设计需要在一定的外力条件下进行静力设计，若设计程序中含有一些支座单元就必须要进行详细的处理，应当先选取隔震支座参数为一定数值的百分比，并将所选取的参数与水平方向的刚度设计值进行比较。目前，大多设计软件无法考虑隔震单元，很多设计软件，大多数情况下都是采用多个计算设计程序的方式来对隔震结构进行设计，在这个过程中，也需要对隔震结构的计算模型进行简化和修饰。按照隔震设计的最终目标对相关数据进行进一步的配比计算，最终得出数据。3.2.1 简化计算模型

首先，应简化计算模型，在简化的过程中应当从受力角度来分析，目前，大多数的隔震支座的弯曲变形都是可以忽略不计的，所以，在实际计算过程中可以不承受上部结构。其次，大多数的隔震支座的水平刚度都是非常小的，在此前提下，这些支座就会产生一定水平的位移，所以，隔震制作就可以进一步的简化为一个类似于弹簧的组合，这些弹簧组合能在外力作用下进一步地发挥作用。但在实际软件设计过程中却没有弹簧组合可以选择，为能够应用弹簧组合，就需要对支座进行进一步简化。当地下室内部的固定位置假设为无限制，且相关顶梁板的刚度很大情况下，就可把隔震支座简化为其他类型的支座，为避免因转换层刚度过大的情况出现，导致最终承受过大压力的情况，也可以把隔震支座改变为固定支座，这种变化更有利于承受压力。

3.2.2 简化计算模型

目前，隔震层消耗了大量的地震能量，因此，在运用过程中有着很多不同的特点。隔震层的上部结构实际承受地震的能力大大地减小，为解决这个问题，简化相应的模型就会改变对应的参数。在这种状况下，其内部参数也会发生很大的变化。由于隔震层变形引起附加力的变化，这种变化在简化模型中无法详细地计算，所以，在具体的设计过程中，需将隔震技术在施加相应内力后再简化到最终的模型中。在计算相关水平地震影响系数时可以采用以下计算方法：首先，可采用隔震设计中所计算得到的最终系数，在此系数的基础上来计算影响隔震结构的影响系数。其次，根据水平隔震系数来确定上部的具体结构，以此确定实际的设防水平。设防烈度可根据实际情况降低半度，但对应的上部结构的构造应重新设计。

经过相关的数据显示可以证明，两种不同方法中高层框剪体系更适合于现有的情况，在这种状况下，隔震前后的数据值变化不大，且在高楼层处经过隔震处理后，可明显的看出最大层次的位移角有了明显的变化，对应的数值也有了明显的减小[4]。所以高层框架结构体系经过最终的证明可以发挥出真正的减震效果。

根据相关的数据图显示可看出，刚性体系在不隔震情况下，最终简化模型和部分楼层间的距离都已超过国家规定要求的最高限值，在这种情况下，电算模型显示的就更加的明显。如果引入基础隔离体系就会改善这一情况，在引入基础隔离体系后对相关数据进行统计计算，这种新型的隔震方式隔震效果良好，所以，在实际使用过程中可以多采用这种结构。在使用这种隔震结构设计后会发现各层的楼层剪力明显减小，且减震效率也大幅度的提高。目前，很多基底减震效率朝着两个不同的方向在变化，最终的减震结果表明减震效果明显。

3.3 最终的计算结果分析

本文在原有的隔震体系模型基础上，根据原有数据为基础进一步提出了高层框剪隔震体系的理论模型，这个新型的模型有利于应用到实际之中。本文也详细地论述了一个高层框剪结构隔震体系的实际应用例子，通过相关的数据分析和例子验证可以表明以下数据：首先，高层框剪结构隔震体系简化后的结构模型比较接近于实际值，与相关计算机计算出来的隔震模型数值相差不大，所以，可以此模型为基础来进行高层框剪隔震体系的数据定性分析和定量分析，也可以此模型为基础来进一步设计相关的参数[5]。其次，与最终计算体系相比较。目前，由于刚接体系的整体性能都是比较强的，但是隔震体系一旦进入，其效果就变得非常明显。最终的反应值相较于以前的体系来说更小，所以，最终的数据分析结果可以证明这种新型的刚接框架结构更适合隔震体系。

4 工程实例分析

某一个六层的钢体混凝土框架结构已经建设完毕，这个框架结构的隔震层设置在顶端，而且隔震层的高度为1.5m，首层层高5.1m，通过对该地的实际数据进行测量后得出该建筑的隔震结构周期相较于其他建筑来说比较大，且该建筑的隔震周期是非隔震周期的3倍左右。对相关的计算模型进行简化后可以得出最终的数据，各个数据的分析结果比较，如下页表1所示。

表1 数据的分析结果比较

4.1 楼层动力响应比较

简化计算模型的动力响应经过计算与简化其他类型模型的动力响应非常接近，其平均值都维持在一定数值之内。简化计算模型和隔震计算模型都应维持在不同的分布形式，只有这样才能使建筑更加稳定。通过相关的计算分析结果可知：简化计算模型与隔震计算模型加速度比值为0.38，所以，两种不同类型的模型非常接近，在实际应用过程中需进行仔细的辨别。

4.2 框架柱力比较

在外界地震作用下，柱子很容易出现损坏现象，为防止柱子大幅度倒塌被损坏，应充分关注柱子的弯切内力。柱子所能承受的最大弯曲程度与剪力有着密不可分的关系，且主轴方向的框架最终的受力方向也会受到剪力的影响。本文给出了相关剪力的实际情况。通过数据分析，可以得知由于基础连接方式存在着很大的不同，使隔震层处的力度弯曲程度也有很大区别。所以，在建造建筑物过程中需选择合适的柱子，应当对柱子的各项数据性能进行精确的考察，选择更加安全的柱子来应用。

4.3 转换层梁内力

在设置隔震层后，上面的结构需要通过隔震层才能将受力进一步传递到下部结构。在这一过程中，为保证上部结构能尽可能的稳定，应将隔震层顶部设置成梁板式楼盖结构，且在设计此结构时要确保板子的厚度维持在一定的数值之内，不能过大，也不能过小。梁板的刚度和承载力一般来讲都会大于一些普通的建筑结构。

5 结语

本文结合隔震层的力学特性及隔震层的实际框架结构特点进行了详细分析，隔震结构的上半部分结构比较简单，大致上可分为铰接和固接两种不同的形式。这两种形式各有其特点。以一栋六层框架结构的简化模型为例进行各种数据分析，最终得出以下结论：目前简化计算模型的周期与传统建筑的原有周期数值非常接近，大约维持在一定比例之内。简化计算模型上部结构的位移数大于隔震计算模型，但经过数据测算，其加速度值却小于隔震计算模型。经过分析表明两种不同的模型上部结构的柱子所受的外界力度基本相同。