高层建筑结构隔震减震设计及措施的应用探究

【摘要】本文以高层建筑结构设计作为研究主体，针对隔震支座性能与设计方法进行改进，并且对于多遇地震、中震两种地震工况的内力取值进行计算分析。在此基础上，针对地基、基础结构悬挂等具体隔震措施进行分析，围绕新建建筑设施、已建成建筑物两类项目进行减震技术措施的应用，致力于从设计环节增强高层建筑结构的稳定性，更好地发挥抗震减灾作用。

【关键词】高层建筑;隔震支座;减震技术

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

16.026

据中国建筑业协会统计，截至2020年6月底全国建筑业总产值约为98875.73亿元，建筑业实现增加值28535亿元，在国内生产总值中占比6.25%。伴随建筑行业发展，高层建筑、超高层建筑项目数量持续增多，对于建筑结构的抗震性能设计提出更加严格的要求，因此需基于隔震减震设计理念进行建筑结构的合理设计，防止在地震发生时产生建筑坍塌等事故，延长建筑使用寿命。

1、隔震结构设计及其实际应用效果

1.1工程实例分析

1.1.1工程概况

以某高端住宅小区项目为例，该项目总建筑面积超过13万㎡，包含20栋单体建筑，建筑地上部分共11层、层高3m，地下部分一层、层高3.7m，采用现浇混凝土剪力墙结构，高宽比小于4。建筑设计使用年限为50年，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度（0.05g）场地类别为Ⅲ类，结构特征周期为0.65s，在多遇地震、设防地震、罕遇地震下的加速度时程最大值分别为18cm/s2、50cm/s2和125cm/s2。结合建筑结构特征，基本风压为0.4kN/㎡，风荷载标准值在X、Y向产生的水平力为660.4kN和1026.1kN，同比结构总重力低10%。

1.1.2隔震设计

基于《建筑抗震设计规范》进行建筑结构分析，选取建筑首层与地下一层中间部位进行隔震层的设置，选用叠层橡胶支座沿剪力墙布设，保证隔震支座中心与墙体形心位于同一垂直线上。通过建立Etabs空间模型进行隔震结构分析，分别采用弹性杆单元、膜单元、壳单元与非线性隔震单元进行梁柱、楼板、墙体与隔震层的模拟。选取增设隔震层前、后的建筑结构进行动力特性分析，测得在X向的结构周期分别为1.43和2.38，Y向分别为1.38和2.37;在水平地震影响下，隔震层以上结构在X、Y方向上层间剪力与倾覆力矩最大比值分别为74.5%和65.3%，水平地震影响系数最大值分别为0.0372和0.0326;隔震支座在X、Y方向上的最大水平位移分别为71.5mm和69.7mm，均小于允许位移最小值;在罕遇地震作用下支座未出现拉应力，结构层间位移角符合限值要求。

1.2隔震结构设计

将隔震减震技术应用于高层建筑结构设计中，通常需保证隔震支座的拉应力不超过1.0MPa，合理控制结构高宽比。

在柱间距设计上，设有一幢13层高层建筑，采用三种不同方案进行柱布置形式、柱间距的设计（如图1所示），地震波包含埃而森特罗波、Taft、兰州波、唐山波等。隔震支座选用两种形式，选取LRB600支座布置在边轴线处，该支座的有效直径为600mm，橡胶层为4.5×26mm，钢板层为4.5×25mm，支座总高度为230mm，竖向压缩刚度为2909.1KN/mm，刚度为1.3KN/mm，屈服力为96.13KN;选取RB600支座布置在中间轴线处，该支座规格参数与LRB600型号基本一致，其竖向压缩刚度为2770.9KN/mm。

观察计算结果可知，伴随柱间距数值的减小，支座所受的重力荷载呈持续下降趋势，地震倾覆轴力的变化幅度相对较小，由此可判断当扩大柱网布置时，隔震支座所受的拉应力将相应减小，但同时柱轴力与层间位移角均呈增大趋势，对于支座的承载力和抗变形能力提出較高要求。

在抗震墙设计上，抗震墙是承受地震倾覆力矩的主要结构，为最大限度降低对支座拉力的影响，应基于《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定，将抗震墙分散布置在高层结构中，选取受力较大位置进行隔震支座的布置，控制好隔震支座的直径和间距，避免布置在高层结构中的支座产生拉应力，并且增强隔震层水平变形能力，保证隔震效果。

在结构形式设计上，要求结构变形特征接近剪切变形，选用叠层橡胶支座隔震技术，有效起到减震作用。为保障隔震结构设计具备可操作性，采用SATWE软件模拟多遇地震进行上部结构的振型分解反应谱法分析，并采用ETABS NonlinearC软件模拟设防地震、罕遇地震进行隔震结构的时程分析，以此为隔震结构设计提供参考依据。

1.3隔震支座设计优化

针对隔震支座性能进行优化，如选取碳素等材料添加在产品中形成高强度橡胶支座，提高支座的抗变形能力与抗张拉强度。针对隔震支座的设计方法进行优化，考虑到以往采用ETABS软件进行支座竖向刚度计算时，倘若利用受压刚度进行计算，将使计算结果中的支座拉力数值偏大，对此可基于损伤、能量、性能等设计方法进行支座拉力计算，兼顾设置在角部支座受地震输入方向的影响，保证计算结果的精确度。

1.4不同地震设计情况下的内力取值分析

1.4.1多遇地震

结合现行《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），在多遇地震作用下需针对高层建筑结构的薄弱部位进行内力调整[1]。例如基于“强柱弱梁”、“强剪弱弯”原则进行框架柱内力调整，针对嵌固点处需将弯矩放大;在剪力墙结构设计上，基于剪力、弯矩放大系数进行底部加强区和其他区域的调整。在具体结构设计环节，先考虑重力荷载、地震荷载标准值作用下竖向构件的内力标准值，再结合不同工况下的荷载分项系数进行荷载组合，确定内力调整系数。

1.4.2中震

在中震作用下判断高层建筑结构是否符合弹性设计要求，需综合考量地震作用分项系数和内力调整系数等，将各系数取值为1，将地震影响分别取值为6度、7度、7.5度、8度、8.5度和9度，则多遇地震、设防地震作用下的系数最大值与放大倍数如表1所示。

2、隔震减震措施

2.1隔震措施

2.1.1地基隔震

地基处于地震波的直接受力区域，可采用铺设垫层的方式进行基础处理，选用砂土、粘土作为垫层材料，借助垫层消耗地震能量，维护建筑结构的安全与稳定性。

2.1.2基础隔震

以往在基础隔震设计上主要采用增设隔震层的方式，但该技术不适用于高层建筑结构，对此可将地震作用力视为外加荷载，经由结构验算后完成橡胶隔震支座的设计，将其应用于建筑上部结构中，能够使地震产生的作用力减小3～6倍，增强结构竖向承载力与变形能力[2]。

2.1.3结构悬挂隔震

该隔震措施的主要设计理念是将建筑结构进行悬挂处理，适用于大型钢结构的建筑项目中，连同主体框架、子框架进行有机结合，防范地震对子结构造成破坏。在具体设计环节，可利用锁链进行建筑设施与主体结构间的连接，使主框架伴随地壳运动摇摆，在此过程中将地震能量沿结构部位进行传递，逐步减小地震能量，减轻地震对建筑结构产生的破坏力。

2.2减震措施

2.2.1新建建筑设施

针对新建高层建筑进行减震设计，主要需针对建筑基础部位进行强化，保证在前端环节维护整体结构的稳定性、提升受力节点质量，同时需在具体部位增设减震装置，借此缓解地震作用产生的能量冲击，维护建筑整体质量。

2.2.2已建成建筑物

针对已建成建筑进行减震设计的优化，可在建筑结构中增设竖向、横向隔离缝，例如在上部结构周围设置宽度为500mm的竖向隔离缝，选取上、下部结构连接部位设置高度为20mm的水平隔离缝，并选取柔性材料进行间隙填充;针对电梯井侧壁处进行下挂处理，将非隔震部位的净距控制在500mm以上;针对需穿过减震、隔震层的管道、电缆、导线等，需针对穿越部位采用柔性连接方式设计，或运用相应保护措施，保证良好适应多遇、罕遇等等不同地震作用情况，满足建筑结构水平位移要求。

结论：

总体来看，由于我国部分地区位于地震多发带上，伴随高层建筑新建、改造项目数量的不断增多，需将隔震减震技术措施应用于建筑结构设计环节，结合高层建筑结构形态与地震作用情况进行结构设计方案的改進优化，做好隔离缝设置位置与规格尺寸的设计，保证提升高层建筑的整体抗震设计质量。

参考文献：

[1]刘键.高层建筑结构隔震设计关键问题分析与处理探究[J].四川水泥，2020，（09）：318+321.

[2]郭迅.隔震与消能减震技术——让建筑有韧性 让结构更结实[J].中国应急管理，2020，（03）：68-71.

作者简介：

刘磊（1982.10.02），汉族，男，安徽淮南，大学本科，高级工程师，结构工程。