高层建筑隔震设计方案

高层建筑隔震设计方案（精选九篇）

高层建筑隔震设计方案 篇1

建筑隔震结构具有安全可靠、有效减震、节省造价、适用性广和检修方便等优点。结构经过隔震后使用周期延长, 地震作用明显减小, 从而有效降低建筑体上层结构的反应。对比非隔震结构, 隔震结构通常能将水平地震加速度降低60%左右。在隔震研究的逐步深入以及工程技术实践的长期累积, 我国多层建筑隔震技术已逐步走向成熟。近年来国内外也开始进行高层建筑隔震的研究和应用。高层建筑虽然基本周期较长, 但由于高阶振型减震效果明显, 也使得高层隔震建筑具有良好的减震效果, 特别是高层隔震建筑顶部加速度显著降低。为了引导推进高层隔震建筑在国内的应用, 《建筑抗震设计规范》GB50011-2010 (以下简称《抗规》) 也对隔震设计的结构类型放松限制, 删除了2001版中“基本周期小于1s和采用底部剪力法进行非隔震设计的结构”的规定。本文考虑高层隔震建筑特点, 对高风压高烈度地区某高层隔震建筑进行了三种隔震方案设计, 对比分析三种隔震方案的减震效果, 讨论了三种隔震方案优劣, 提出了高风压地区高层建筑隔震设计建议。

1 工程概况

某高层住宅楼为框架-剪力墙结构, 建筑类别为丙类建筑。建筑总高度为84.6m, 高宽比2.74, 地上28层 (不包括隔震层) , 带两层裙房, 地下室2层。隔震层层高为1.6m, 1层层高4.7m, 2~27层层高为2.9m, 28层层高为4.5m。柱子截面尺寸主要有800mm×800mm, 700mm×700mm, 600mm×600mm和400mm×400mm, 混凝土等级为C50~C30。隔震层梁截面尺寸主要为800mm×800mm和300mm×700mm, 混凝土等级为C35。上部结构梁截面尺寸主要有400mm×700mm, 350mm×700mm, 300mm×800mm, 300mm×700mm, 300mm×600mm和200mm×500mm, 混凝土等级为C35~C30。剪力墙厚度为400~200mm, 混凝土等级为C50~C30。隔震层楼板为200mm, 顶层楼板厚度为120mm, 中间楼层板厚为100mm, 楼梯间板厚150mm, 混凝土等级为C35~C30。结构设计使用年限为50年。主要设计依据:1场地土的类型为中硬场地土, 场地类别II类, 设计地震分组第三组;2基本风压按50年一遇的基本风压采用, 取0.55k N/m2, 地面粗糙度B类;3区域抗震基本烈度8度, 设计基本地震加速度0.3g。该工程隔震层位于地下室顶面, 隔震支座均在同一标高, 隔震设计目标为上部结构地震作用和构造均按降一度考虑。

2 隔震方案设计

目前国内常用隔震设计方案主要是采用带铅芯和不带铅芯的叠层橡胶支座以及粘滞阻尼器配合使用。隔震层抗风装置主要利用带铅芯的叠层橡胶垫或配合使用金属阻尼器。

2.1 三种隔震方案

第一种采用带铅芯和不带铅芯的叠层橡胶支座, 即目前国内常用的隔震方案, 其中抗风承载力主要由铅芯提供, 隔震支座布置如图1所示。第二种采用带铅芯叠层橡胶支座、不带铅芯叠层橡胶支座和摩擦滑板支座混合隔震, 即在方案一基础上, 将裙房非铅芯支座L27、L30、L35、L37、L38、L39、L40、L41、L46、L47、L49和L50全部换成摩擦滑移支座, 其中抗风承载力由带铅芯叠层橡胶支座和滑移支座二者共同提供。第三种是在第一种方案基础上将L11、L17、L28和L31换成不带铅芯的叠层橡胶支座, 并且隔震层两个方向分别安装4个破坏荷载为250k N的专门抗风装置。该抗风装置在风荷载作用下和铅芯共同提供抗风承载力, 当地震作用超过其破坏荷载时退出工作, 布置位置如图1所示。三种方案隔震支座布置时应尽量使得结构质心和刚心尽量重合, 并使结构抗扭刚度尽量大。各支座力学参数见表1所示。

计算表明三种方案隔震支座性能验算 (包括压应力验算、拉应力验算、最大位移验算和层回复力验算) 均满足规范要求, 抗风承载力均大于风荷载设计值。三种方案对比见表2所示。

采用ETABS对三种隔震方案进行分析, 上部结构采用弹性模型和刚性隔板假定, 取地下室顶部为嵌固端, 隔震单元采用非线性连接单元。考虑叠层橡胶支座拉压刚度不等, 取受拉刚度为受压刚度的1/7倍, 在ETABS中采用ISOLATOR1单元和GAP单元组合模拟, 摩擦滑移单元采用ISOLATOR2模拟, 专门抗风装置在地震作用下失效, 所以计算模型中不予考虑。结构动力特性分析采用RITZ法求解振型。地震作用时程分析采用FNA法。计算时先采用非线性重力荷载工况加载, 在保持重力荷载作用下, 分别施加不同工况地震作用, 分析过程考虑二阶重力荷载效应。

根据《抗规》5.1.2条规定, 本工程选取了5条实际地震波和2条人工模拟地震波加速度时程, 结果显示7条时程平均反应谱与规范反应谱较为接近 (结构前几阶周期处) 。基底剪力对比结果如表3所示, 可知均能满足规范要求。

2.2 减震效果分析

对比分析非隔震结构和三种隔震结构动力特性, 计算在设防烈度的地震作用下, 各结构的楼层剪力、倾覆弯矩、层间位移角和楼层加速度, 对比三种隔震方案的减震效果。

2.3 周期对比

对比非隔震结构和不同方案隔震结构前三阶振型的周期、方向和参与系数, 各模型前两阶振型为平动, 第三阶振型为扭转。由表4可知, 隔震结构周期均明显大于非隔震结构。从方案设计中可知方案二和方案三隔震层刚度都比方案一隔震层刚度小。因此, 方案二和方案三的周期均大于方案一的周期。方案二的周期比 (即第一扭转周期与第一平动周期比值) 比方案一和方案三大, 可见方案二的扭转效应比方案一和方案三明显。

3.4楼层剪力、倾覆弯矩对比

《抗规》中采用楼层剪力比和楼层倾覆弯矩比 (即隔震结构楼层剪力、弯矩与非隔震结构楼层剪力、弯矩的比值) 作为高层隔震建筑减震效果的评价指标, 即减震系数。且当减震系数小于0.4时, 上部结构构造措施可以降低一度。图2和图3对比了三种方案两个方向的减震系数, 由图可知, 三种方案均具有很好减震效果;方案二和方案三的大部分楼层减震效果均优于方案一, 特别是倾覆弯矩比优势更明显;三种方案顶部出天面小塔楼减震系数相对其他楼层均较大, 在Y向上都超过了0.4, 但该层在设计中考虑鞭梢效应的影响会有所加强, 所以可以不考虑该层减震系数;方案一和方案二天面层Y向倾覆弯矩比超过了0.4, 而方案三满足小于0.4的要求。在上部结构设计中方案一和方案二顶部天面层楼层构造措施不应降低。

2.5 层间位移角对比

根据原结构和三种隔震结构层间位移角计算结果可知, 三种隔震结构层间位移角均明显小于非隔震结构, 隔震效果明显。分别将三种隔震结构层间位移角比非隔震结构层间位移角, 得到三种隔震结构的层间位移角比, 如图4所示, 可知方案二和方案三的大部分楼层层间位移角减震效果均优于方案一。

2.6 楼层加速度对比

通过原结构和三种隔震结构楼层加速度计算结果可知, 三种隔震结构楼层加速度均明显小于非隔震结构, 隔震效果明显。分别将三种隔震结构楼层加速度比非隔震结构楼层加速度, 得到三种隔震结构的楼层加速度比, 如图5所示, 可知方案三的大部分楼层加速度的减震效果优于方案一;方案二在X向楼层加速度比与方案一和方案三相比变化较大, 主要是由于方案二隔震支座布置形式导致隔震层Y向刚心偏移较多, 上部结构扭转效应增加, 进而使得X向地震作用下楼层加速度变化较大, 相比之下Y向刚心变化不大, 楼层加速度变化与方案一和方案三较为一致。

2.7 隔震方案讨论

该高层建筑处于高烈度地区, 采用隔震技术能够取得很好的安全性和经济性。但该地区风压很大, 使得国内传统隔震设计中隔震层设计需要较多带铅芯的叠层橡胶支座, 导致隔震层刚度过大, 上部结构减震效果降低, 部分楼层减震效果不能达到设计目标。采用专门抗风装置和滑板支座均是在保证隔震层抗风要求, 减小隔震层刚度, 使得上部结构取得较好的减震效果。按照《抗规》进行设计时, 方案三可以保证上部全部楼层减震系数均小于0.4的要求, 但是方案三需要专门的抗风装置, 该装置性能的研究还很少, 技术不够成熟。方案二将高层建筑裙房的隔震支座采用滑板支座, 由于裙房柱底压力小, 从而滑板等效水平刚度也小, 一定程度减低了隔震层刚度, 且具有较好的经济性, 但国内对滑板支座应用于建筑隔震中的研究还比较少。方案一是国内常用的隔震设计方案, 该方案用于低风压地区普遍适用, 而在高风压地区可能因为隔震层刚度过大, 导致上部结构个别楼层减震效果达不到设计目标的要求。此时建议修改设计目标, 允许个别楼层抗震构造措施不降低。

3 结论

本文对高风压高烈度地区某高层隔震建筑进行了三种隔震方案设计, 对比分析三种隔震方案的减震效果, 讨论三种隔震方案优劣, 提出高风压地区高层建筑隔震设计建议。研究结构表明:

(1) 高风压高烈度地区高层建筑隔震设计时, 通过合理设置滑板支座代替叠层橡胶支座或是采用专门抗风装置, 都能有效减小地震作用时隔震层刚度, 提高上部结构减震效果, 更容易达到设计目标。

(2) 国内滑板支座和专门抗风装置研究还很少, 有必要进行深入的研究, 以适应高风压高烈度地区高层隔震建筑的发展。

(3) 高层减震隔震设计时, 应允许各别楼层减震系数超过0.4, 但该楼层抗震构造措施不应降低。

参考文献

[1]日本建筑学会.隔震结构设计[M].刘文光译.北京:地震出版社, 2006.

[2]GB 50011-2010, 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.

[3]CECS 126:2001, 叠层橡胶支座隔震技术规程[S].北京:中国工程建筑标准化协会, 2001.

[4]CECS 160:2004, 建筑工程抗震性态设计通则 (试用) [S].北京:中国计划出版社, 2004.

[5]JG 118-2000, 建筑隔震橡胶支座[S].北京:中国建筑工业出版社, 2000.

[6]GB20688.3-2006, 橡胶支座第3部分:建筑隔震橡胶支座[S].北京:中国标准出版社, 2007.

高层建筑隔震设计方案 篇2

简要概括了国内外叠层橡胶垫基础隔震技术的应用发展状况,介绍了隔震结构的`各种反应分析模型,对隔震结构设计分析方法进行了讨论,提出了有益的建议,并指出了在<建筑抗震设计规范>(GB50011-2001)关于隔震结构的简化计算方法中存在的诸多不足.结合我国的隔震技术应用现状,引入了两阶段设计法的概念.此方法将有利于提高设计质量,减少设计周期.

作 者：孙柏锋 潘文 SUN Baifeng PAN Wen  作者单位：昆明理工大学,建筑工程学院,云南,昆明,650224 刊 名：世界地震工程  ISTIC PKU英文刊名：WORLD EARTHQUAKE ENGINEERING 年，卷(期)：2007 23(4) 分类号：P315 关键词：隔震结构   隔震设计   橡胶隔震支座   两阶段设计法  

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基于隔震建筑物结构设计的分析 篇3

关键词：隔震技术;建筑物;隔震设计

1.隔震建筑的概念

隔震和消能是提高建筑物体耐震抗震的两大途径。消能是利用形变或是可破坏的斜撑杆或是可恢复的阻尼器，将建筑物的震动周期拉长，阻尼比增加，最后达到提高建筑物抗震能力的目的。但是消能的方式并不能很好的解决因地震造成的建筑物楼层间变位造成的墙面破裂、斜撑破坏等问题。而隔震是利用隔震器将地震时所产生的建筑物摆动转换成建筑物对地面的横向位移，地震的能力由隔振器吸收。这样的隔震建筑很大程度的降低了因地震给建筑物带来的扭曲、弯曲变形，降低建筑物摇摆度，从而降低了地震对建筑物构造和设备的破坏。隔震结构就是利用这样的原理，在建筑物基础结构和上部结构之间设置带有阻尼器和隔震支座等隔震装置的隔震层。

隔震技术不仅在新建工程中获得应用，而且已用于现有建筑的抗震加固改造。隔震装置可安装在结构的防火层或设备层，隔震层可设置在结构的不同部位，如基础、中间层等，也可设置在房屋的顶层，同时起到结构加层和抗震加固的目的。由于传统的加固改造技术对结构震后的性能和不可靠程度缺乏准确地了解，故较难达到强度和延性的合理匹配。采用隔震技术对结构进行加固改造，通过在隔震层设置刚度很小的隔震装置，将地震变形集中到隔震装置上，相对于依靠结构本身的较高强度和较低变形来吸引地震能量而言，隔震结构的周期和阻尼都有很多的提高，故加速度和位移反应明显降低。同时，耗能减震加固改造技术，智能材料加固改造技术，以及吸振减震加固改造技术等开辟了房屋加固改造的新途径。

要创造出更加安全、实用、经济美观的建筑，设计建造出具有更加完整，安全系数高以及更加优质美观的建筑，避免地震灾害给人类造成灾难和损失，就必须做好建筑结构的抗震设计。

2.隔震层设计及选用的原则

2.1刚度及承载力

隔震建筑应保证其有足够的竖向刚度及承载力，以保证其能够稳定支撑建筑物，同时具有足够柔的水平刚度以保证该建筑物的隔震周期达到1.5～3.0s范围内，并应能够有效避开上部结构的自振周期和场地周期，同时应实现其水平刚度具有一定的稳定性，以保证很其受竖向荷载影响很小，有效发挥其隔震作用;

2.2变形能力

应保证建筑物具有足够大的水平变形能力，并保证其具有足够的变形储备，以确保建筑物在发生超大地震作用下不发生失稳破坏现象;

2.3耐久性

保证建筑物耐久性足够，以保障其在使用期内能够有效发挥作用;

2.4高宽比

在设计过程中为了保证隔震结构的抗倾覆能力及地震发生时能够有效防止上部结构与隔震层之间的分离，应控制结构的高宽比;

2.5刚度分布

对抗震结构的刚度应均匀分布，隔震层的布置应均匀，并尽量实现结构的刚度中心与上部结构质量中心之间的偏移尽量小，以保证其不致发生太大的扭转而造成意外破坏;

3.隔震建筑的主要形式

3.1基础隔震

基础隔震是建筑新技术家族中的佼佼者，大量试验研究及多次强震实践表明，基础隔震以其极少的投资换取很大的安全系数。基础滑动隔震效果受地面运动频率特性的影响较小，几乎不会发生共振现象。

所谓基础隔震，就是在建筑物的基础与上部结构之间增设高度很矮，具有足够可靠性的隔震层，控制地面运动向上部结构传递，地震时其能量可反馈到地面或由隔震层吸收，以大大减小结构及构件的地震反应，确保建筑物的整体安全，其内部设备不发生破坏或丧失使用功能，室内人员不遭受伤害也不会有强烈震感。同时，还可以防止结构内部的次生灾害。主震后无需避震疏散，即使发生罕遇大震隔震房屋也不会倒塌。

在其中使用的橡胶隔震垫不仅有良好的隔震性能，而且该技术在造价方面也有其优越性。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。、

采用基础隔震设计上应注意：（1）在建筑周边，隔震层部分要比基础大一圈，因此场地要宽裕;（2）隔震层的周围设挡土墙，其上部有墙外狭道等，因此要确保地震时不因上部结构的移动而带来其它问题;（3）方便检查和更换隔震装置;（4）为使设备管线适应隔震层的位移和变形，常采用柔性连接或球型接点，但要考虑安放装置及检修的空间;（5）隔震建筑物与其它建筑物之间的联系通道要适应相对变形，确保畅通无阻。

3.2中间层隔震

在基础以上的中间楼层设置隔震层，下部结构同建筑物一样直接与地基接触，因此它不存在基础隔震层建筑的底步积和墙体数量问题，但是隔震层以下的楼层要做抗震处理。在市场地不太宽裕时可以把隔震层设计在地面上，在空中变形有利于节约用地，同事也能有效减少地基的挖土量。

采用中间层隔震，设计上应该注意：（1）为适应隔震层的移动变形，该部分的建筑外墙应该设水平缝，要考虑防水隔音防火等，也要注意地面的协调美观，（2）解决楼梯电梯井机器升降设备管线等贯穿隔震层的问题，并考虑防火区间的划分;（3）便于检查更换隔震装置及耐火材料等。隔震装置布置和选取的一般原则为：（1）隔震层具有适当的水平刚度，在强风作用下，隔震层具有足够的初始刚度，在较大地震错用时，隔震层产生柔性变形，能大大消弱回评地震作用：（2）隔震层的水平刚度中心宜与上部结构的质心基本一致：（3）隔震装置具有足够的竖向承载力和水平变形能力，在发生大地震时，可安全稳定的支撑建筑物，不会出现失稳破坏，能发挥隔震功能：（4）隔震装置具有良好的自动复位功能，在发生大地震后，可基本复位到初始位置，当发生余震时，可继续有效阿辉隔震作用（5）隔震装置具有较大的竖向刚度，在设计竖向荷载作用下，竖向定位被控制在允许值以下;（6）隔震装置的刚度和阻尼具有较好的稳定性，有可能出现荷载的温度安慰以内，其变化叫嚣：（7）具有良好的耐久性抗老化抗疲劳扛徐变等性能，能在建筑物的试用期内发挥隔震的作用。

4.建筑结构的隔震设计中的注意事项

隔震建筑结构的设计要明确与非隔震建筑的结构区别，在充分理解的基础上，才能对建筑物的隔震层结构进行规划和设计。建筑物的隔震结构是通过隔震层来吸收大部分的地震输入能量，因隔震层会产生较大的位移，此无论是在建筑规划还是设备规划或是施工规划等诸多方面，都应充分考虑到这种特殊性。隔震层建筑结构设计的规划重点是隔震层性能。而影响隔震层性能的两大因素是阻尼器和隔震支架。隔震层的刚度和阻尼等特性取决于建筑物的目标性能。建筑物是优先考虑居住性能，以人身安全为首要目的，还是以维持维护建筑物内的物品功能为优先选择。不同的目的会影响隔震层性能的倾向。要使分析预测得到的建筑物地震时的反应，能够与各建筑所要求的性能相吻合，设计者必须要将要求性能设定为抗震目标性能，抗震目标性能的设定也就是针对外力作用的基本设计。因此，设定时要充分考虑到基准和标准。

5.结语

目前，国内有关隔震建筑物设计与施工之相关研究仍相当欠缺，对基础隔震结构进行相应的地震反应分析工作时，需要建立一个能确切地反映高层建筑基础隔震结构的发生实际变形状况、并且计算相对简便，而且结果误差较小的计算模型。鉴于隔震建筑日趋普及，隔震建筑设计审查、隔震消能材料认证与验证机制、以及评定机构之指定工作，已刻不容缓，如何有效结合产、官、学三方，尽早订定完善之超高层隔震建筑设计审查机制、隔震消能材料试验标准、以及装设前中后之检测，实为当务之急。

参考文献：

[1]陈旻.建筑结构隔震技术研究[J].山西建筑，2009

多层建筑隔震设计分析 篇4

关键词：隔震设计,叠层橡胶支座,多层建筑

1 概述

传统的抗震设计是利用结构的强度和结构构件的塑性变形能力抵抗外来的地震力。主要是采用加强建筑物的整体性, 加大空间刚度, 设置剪力墙、圈梁、构造柱, 改善支撑体系, 改进节点构造, 提高建筑材料的强度、延性等措施。隔震技术则是采用一种特殊措施来隔离地震对上部结构的影响, 使建筑物在地震时只产生很小的振动, 这种振动不致造成结构和设施的破坏, 还能保证结构上的重要设备的正常运行。

利用叠层橡胶支座对福建某地商住楼工程进行隔震设计, 适当地提高它抵抗超烈度地震的能力, 为今后在实际工作中遇到类似情况时提供一种有意义的、经验性的指导。

2 工程概况

房屋结构型式为框架结构, 建筑的主要数据见表1。设防烈度为8度 (0.30g) , 设计烈度为7度 (0.15g) 。场地类别为Ⅱ类二组建筑场地, 场地特征周期Tg=0.4s。房屋至发震断层距离大于10km。

3 隔震方案和隔震支座

3.1 隔震方案

(1) 将隔震支座设置在一层楼面以下, 将一层以上结构与基础隔开, 以达到隔离地震能量、减小上部结构地震作用的目的。

(2) 将长段与短段分开, 两者之间设置隔震缝, 柱边至柱边的净距离为50cm。

(3) 考虑30%的竖向地震作用。

3.2 隔震支座位置

(1) 隔震支座放置在基础矮墩上, 其形心应与矮墩截面形心重合。

(2) 隔震支座顶面标高的确定原则:不同规格的隔震支座其顶面都设计在同一标高上。具体确定方法为:由一层地面的结构标高减去一层梁板中最大一根梁的高度, 若一层地面的结构标高是-0.03m, 假设一层梁板中最大一根梁的高度为1.00m, 那么支座连接钢板的顶面标高即为-1.03m。

(3) 隔震支座底面标高的确定:由隔震支座连接钢板顶面标高减去两块连接钢板的厚度 (20×2=40mm) , 再减去支座的高度即为支座底面标高。本工程由于采用了两种型号的支座 (GZY400和GZY500) , 因此支座底面标高有两种。

3.3 隔震支座的型号及数量。

由于本工程是丙类建筑, 根据《建筑抗震设计规范》, 隔震支座平均压应力限值应小于等于15.0Mpa, 即可由上部结构按7度 (0.15g) 设防计算出每个支座处的轴力设计值, 确定出每个支座的直径。隔震支座的型号及数量统计见表2。

3.4 隔震支座上部楼板设计。

隔震支座上部楼板应采用现浇板, 以加强隔震层的整体性, 其厚度不宜小于140mm。

3.5 梁柱节点设计。

为了保证隔震支座的安装, 隔震支座上部梁柱节点的最小平面尺寸应取:

GZY400型:550mm×550mm;

GZY500型:650mm×650mm。

梁柱节点的高度至少应取隔震层最大一根梁的高度。梁柱节点的形状参见“隔震构造图集”, 建议梁在节点处要适当加强。

3.6 隔震支座的连接。

隔震支座与基础矮礅和梁柱节点的连接示意图 (见图1) 。

4 隔震分析与验算

根据《建筑抗震设计规范》的具体规定, 按设防烈度8度 (0.30g) , 采用时程分析法对结构的隔震与不隔震状态进行了对比分析、验算。

4.1 楼层示意图 (见图2) 。

4.2 隔震分析计算简图 (见图3) 。

4.3 计算参数。隔震层和上部结构计算参数列于表3~表6中。

4.4 计算用地震波。

参照《建筑抗震设计规范》中关于选用计算用地震波的要求, 在每一时程分析时都选用了三条地震波 (两条天然波和一条人工波) 。鉴于隔震小震、隔震大震、不隔震三种情况的结构基本周期不同, 每栋建筑共选用了9条地震波。地震波加速度峰值取为:

多遇地震:110.0 cm/s2;

罕遇地震:510.0 cm/s2。

在选择地震波时还注意了所选地震波的地震影响线曲线在结构基本周期附近同《建筑抗震设计规范》中的地震影响线曲线比较靠近, 可实现三条波的平均地震影响线曲线与规范地震影响线曲线有良好的统计意义相符。其中, EL-CENTRO地震波的时程曲线见下图4所示。

5计算结果

5.1结构周期

结构隔震与不隔震状态的基本周期列于表7。

注:以长段的长边、短段的短边为x方向。

从表7可知:隔震后结构的第一周期比不隔震动第一周期延长了很多。大震下结构的第一周期比小震下结构的第一周期大。

由地震反应谱理论可知, 隔震后的体系其地震作用将大大降低。大震下体系的控制效果将大于小震下体系的控制效果。

5.2 偏心距

5.3 设计烈度

5.4 罕遇地震时隔震支座最大水平位移和最大剪力

计入扭转和偶然偏心后, 支座的最大位移及最大剪力见表10和表11。

5.5 隔震前后各层最大层间剪力对比、最大层间位移对比以下利用ANSYS分别时程分析该建筑在EL-centro波、TAFT波与人工波作用下的地震响应。

取用三条波结果的平均值如下表12~表19。

由上面的计算可知, 福建某地商住楼工程通过在基础矮墩上安放橡胶隔震支座, 有效的降低了长段和短段在x、y两个方向地震作用, 解决了地震作用下构件内力过大的问题, 而且同时解决了地震作用下层间位移过大的问题。因此, 建议采用隔震技术。

6 结论

经过隔震分析, 本工程可以实现隔震目标。即在设防烈度8度 (0.30g) 的地震环境下, 隔震后上部结构的地震反应降低到7度 (0.15g) 的反应水平;隔震支座强度和罕遇地震下支座的水平位移也能满足安全要求。

参考文献

[1]唐家祥, 刘再华.建筑结构基础隔震[M].武汉:华中理工大学出版社, 1993.

[2]周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社, 1997.

[3]橡胶隔震支座产品标准[S].

[4]GB50011-2001, 建筑抗震设计规范[S].

[5]GB50009-2001, 中华人民共和国国家标准, 建筑结构荷载规范[S].

[6]徐忠根, 周福霖.我国首栋橡胶垫隔震住宅楼动力分析[J].世界地震工程, 1996, 12 (1) :38-42.

超高层隔震建筑物结构设计技术 篇5

中国大部分地区地处环太平洋地震带上, 每年发生大地震机率甚高, 因此建筑物之耐震设计非常重要。传统建筑物采用耐震设计规范设计建筑结构物, 主要考虑强度与韧性, 5.12地震后, 由业界引进两种耐震新技术, 一为隔震, 另一为消能。其技术由研究阶段迈入实际应用阶段。此两种耐震新技术在日本阪神地震发生后, 蓬勃发展;中国大部分地区与其它世界各主要受强震侵袭国家也不例外。自2008年5.12集集地震发生后, 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之基本原则, 系使建筑物结构体在中小度地震时保持在弹性限度内, 设计地震时容许产生塑性变形, 但韧性需求不得超过容许韧性容量, 最大考虑地震时则使用之韧性可以达规定之韧性容量。

1.1.1 中小度地震:

为回归期约30年之地震, 其50年超越机率约为80%左右, 所以在建筑物使用年限中发生的机率相当高, 因此要求建筑物于此中小度地震下结构体保持在弹性限度内, 使地震过后, 建筑物结构体没有任何损坏, 以避免建筑物需在中小度地震后修补之麻烦。一般而言, 对高韧性容量的建筑物而言, 此一目标常控制其耐震设计。

1.1.2 设计地震:

为回归期475年之地震, 其50年超越机率约为10%左右。于此地震水平下建筑物不得产生严重损坏, 以避免造成严重的人命及财产损失。对重要建筑物而言, 其对应的回归期更长。于设计地震下若限制建筑物仍须保持弹性, 殊不经济, 因此容许建筑物在一些特定位置如梁之端部产生塑铰, 藉以消耗地震能量, 并降低建筑物所受之地震反应, 乃对付地震的经济做法。为防止过于严重之不可修护的损坏, 建筑物产生的韧性比不得超过容许韧性容量。

1.1.3 最大考虑地震:

为回归期2500年之地震, 其50年超越机率约为2%左右。设计目标在使建筑物于此罕见之烈震下不产生崩塌, 以避免造成严重之损失或造成二次灾害。因为地震之水平已经为最大考虑地震, 若还限制其韧性容量之使用, 殊不经济, 所以允许结构物使用之韧性可以达到其韧性容量。

1.2 隔震建筑物

隔震建筑物系在建筑物基面设置隔震层。该隔震层系由侧向劲度很低的隔震组件构成, 让整体隔震建筑物之周期大幅拉长, 藉以降低作用在结构物上之地震力。然因周期增加后, 建筑物之位移增加很多, 因此再配合消能组件, 提高系统的阻尼比, 进而降低位移量。最常用的隔震组件为铅心橡胶支承垫 (Lead rubber bearing, 简称LRB) , 中间所加之铅心, 就是来提供消能的, 而拉长周期就靠橡胶层受水平剪力作用时具有低劲度的特性来达成。LRB消能的特性很稳定, 虽经过多周次之作用, 其强度、劲度及消能之能力并没有明显的衰减。

隔震建筑物另有一个特性, 就是因为隔震层相对于上部结构软了许多, 因此当其受地震水平力作用时, 隔震层的相对变位很大, 而上部结构的相对变位很小。因此有时为简单计, 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, 藉增加建筑物的阻尼比来达到耐震的目的。依据耐震设计规范10.2节之定义, 消能组件概分为位移型、速度型与其它型式。位移型消能组件显现刚塑性 (摩擦组件) 、双线性 (金属降伏组件) 或三线性迟滞行为, 且其反应需与速度及激振频率无关。速度型消能组件因不同的阻尼比、劲度及材料可分为:包含固态与液态之黏弹性组件及液态黏滞性组件。第三类 (其它) 则含括所有不属于位移型与速度型的消能组件, 其典型范例包括形状记忆合金 (超弹性效应) 、摩擦.弹簧组件, 以及兼具回复力与阻尼的液态消能组件。

2 世界各国隔震建筑物发展现况

各国推展隔震建筑物数量不一, 不过有一共通点, 即大地震来临, 往往成为催生者。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之痛楚, 但经由其它建筑物损坏情形, 终于肯定隔震建筑物在地震中的优越性。

3 耐震建筑与隔震建筑造价比较

由日本统计数据显示, 隔震建筑物与耐震建筑物造价比较, 建筑物高度在25m以下, 隔震建筑物造价约为耐震建筑物造价之105%-109%;建筑物高度在25m-31m, 隔震建筑物造价约为耐震建筑物造价之102%-104%;建筑物高度在31m以上, 隔震建筑物造价约为耐震建筑物造价之99%-103%。

另比较隔震建筑物结构造价比较, 办公室隔震建筑物之结构费用约占建筑物费用之18%, 旅馆建筑隔震建筑物之结构费用约占建筑物费用之13%, 医院隔震建筑物之结构费用约占建筑物费用之8%。显示越重要之建筑物, 采用隔震建筑物设计, 结构费用相对最经济。

4 隔震建筑新趋势

高层与超高层隔震建筑物, 目前日本最高隔震建筑物为位于大阪城之西梅田超高层计划, 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, 积层橡胶垫, 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 长周期建筑物之隔震效果

隔震建筑物之最优越抗震效果即在延长建筑物基本振动周期, 但高层建筑物基本振动周期往往超过3秒, 隔震后即使将建筑物基本振动周期拉长至5秒以上, 由反应谱显示, 两者加速度反应相差有限。但是在增加阻尼比降低地震位移反应, 则有其贡献。

5.2 倾覆作用造成隔震组件受拉力

隔震组件设计时必须考虑拉力作用, 因此拉力试验成为规范修订之首要任务。

5.3 风力作用

隔震层设计时必须考虑地震力作用, 但是小地震或风力作用, 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之相关研究仍相当欠缺, 已完成之研究报告仍有待产、官、学之意见补充, 使研究成果得以展现, 鉴于隔震建筑日趋普及, 隔震建筑设计审查、隔震消能材料认证与验证机制、以及评定机构之指定工作, 已刻不容缓, 如何有效结合产、官、学三方, 尽早订定完善之超高层隔震建筑设计审查机制、隔震消能材料试验标准、以及装设前中后之检测, 实为当务之急。本文认为, 在相关机制与配套措施均付之阙如下, 隔震建筑物是否得以应付2500年以上之最大地震折磨尚待深入探讨, 则超高层隔震建筑物发展, 应在上述疑虑未澄清前, 应采取更为保守之作为。

摘要：国内中低层隔震建筑物发展已渐成熟, 国外由铅心橡胶隔震组件与消能组件组合或多种隔震组件组合 (如滑动隔震组件、磨擦单摆隔震组件、滚动隔震组件) 所构成之隔震系统经多次地震验证其性能, 证实可行, 并使用于超高层建筑物;国内现阶段采用隔震系统之超高层建筑物受日本影响已见起步, 本文特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之设计、施工等原则, 作为国内推动超高层隔震建筑设计与施工之参考。

关键词：建筑物,隔震,消能,参考

参考文献

[1]党育, 杜永峰, 毕长松.隔震建筑的经济性分析[J];工程抗震与加固改造;2006年04期.

[2]尚九平, 杜永峰.叠层橡胶支座隔震建筑的质量控制[J].工程建设与设计;2006年03期.

[3]权吉柱, 熊仲明.隔震结构等代体系的力学模型[J].工程抗震与加固改造;2006年06期.

[4]商昊江, 祁皑.基础隔震技术在中国的研究与应用[J].福建建筑;2007年09期.

[5]邱晓玲.框架结构基础隔震地震反应分析[J].广东建材;2006年08期.

[6]雷丽.考虑楼板变形时平面非规则隔震结构的计算分析研究[D].广州大学;2006年.

[7]邓凡.地下室早期裂缝开展规律及机理研究[D];重庆大学;2006年.

高层建筑隔震设计方案 篇6

1 高层建筑结构设计特点

1.1 水平荷载是决定因素

对于低层建筑结构来说, 其水平荷载作用和位移很小, 对结构影响也很小, 使得竖向荷载是低层建筑结构设计的决定因素, 然而, 对于高层建筑来说, 水平荷载是高层建筑结构设计的决定性因素, 而且竖向荷载对高层建筑结构的影响也大, 总之, 在高层建筑结构设计中, 水平荷载会对高层建筑结构产生倾覆力矩, 随着建筑的楼层增加, 水平荷载也会增大, 对高层建筑的影响也越大, 因而, 在进行高层建筑结构设计时, 一定要增强高层建筑结构的承载力和抗震能力, 确保高层建筑结构的安全使用性能。

1.2 轴向变形要重视

由于高层建筑的竖向荷载会产生较大的轴向变形, 极大影响了高层建筑的连续梁的抗弯承载力, 进而减小连续梁中间支座负弯矩值和跨中负弯矩值, 使得高层建筑端支座的负弯矩值增加, 同时还影响高层建筑构件和构件剪力, 引发高层建筑结构侧向变形, 严重影响高层建筑结构的稳定性, 随着建筑楼层的增多和楼高高度的增加, 会引起显著的轴向变形, 进而不利于高层建筑结构的稳定, 因而, 在进行高层建筑结构设计时应该重视轴向力值, 采取措施避免发生明显的轴向变形。

1.3 侧向变形成为关键因素

结构侧向变形已经成为高层建筑结构设计的关键因素, 随着建筑楼层的增加, 建筑结构在水平荷载作用下, 其侧向变形的速度就会越快, 因而, 在高层建筑结构设计时, 不仅要求结构具有较强的强度和刚度, 在确保结构具有足够承载力的同时还应该要求高层建筑结构具有较轻的抗侧刚度, 使得高层建筑结构在水平荷载的作用下, 发生的侧向变形在合理控制范围内, 进而保证高层建筑结构的安全使用性能, 为居民提供良好的居住和生活条件。

1.4 结构延性是高层建筑结构设计的重要指标

高层建筑结构的延性是指建筑结构和构件在其承载力不发生变化的情况下所保持着塑性变形能力的一种特性, 而这种特性可以用结构延性来表示。对于高层建筑结构构件中的受弯构件来说, 随着水平荷载的加重, 不仅会使得受拉区的混凝土结构出现裂缝, 导致结构出现非弹性变形, 而且会使得受拉钢筋发生变形, 进而会容易破坏受压区混凝土结构, 从而破坏高层建筑的受弯构件。在这个过程中破坏受弯构件的重要原因是结构变形的大小, 因而, 提升结构的延性是高层建筑结构设计的重要指标, 不仅可以提升结构抗震能力, 而且增强结构抗倒塌能力, 有效避免高层建筑结构发生倒塌, 故此, 在进行高层建筑结构设计中应该特别重视结构的延性, 要采取适当的措施来提升高层建筑结构的延性, 从而增强结构的抗震性能, 延长高层建筑的使用寿命。

2 高层建筑结构隔震技术分析

2.1 高层建筑隔震技术

隔震技术主要是利用建筑用隔震支座来提升建筑结构的抗震性能的技术, 建筑用隔震支座主要包括橡胶隔震支座和滑动隔震支座两大类, 其中橡胶隔震支座可以分为普通橡胶隔震支座和铅芯橡胶隔震支座两种, 普通橡胶隔震支座主要是利用橡胶层和钢板的紧密结合, 来提升建筑结构的侧向抗压能力、承载力和水平变形能力, 而铅芯隔震支座具有较高的阻尼, 可以有效减弱地震对建筑结构的影响和作用, 还能够防止隔震层发生位移, 避免受到地震的重大破坏, 保护建筑结构的安全使用性能和使用寿命。滑动隔震支座可以利用动力学理论, 通过内置低摩擦系数的滑动材料, 能够防止较强的地震作用危害到建筑结构, 另外, 也可以利用滑动隔震支座的隔震层摩擦力, 来消耗建筑结构的振动能量, 增加建筑结构的阻尼, 从而可以有效减少地震对建筑结构的影响和反应。

2.2 高层建筑结构隔震结构特点

高层建筑隔震结构具有以下优点:第一, 可以提升高层建筑上部结构的水平荷载和承载力, 即使在地震的环境中也可以有效的确保建筑结构具有足够的水平刚度和侧向刚度, 使得整个建筑结构始终处于合理的弹性范围内, 保持建筑结构的安全使用性能, 另外, 在强烈的地震作用影响之下, 隔震结构的建筑也能够减少建筑结构的地震反应, 削弱地震的能量, 从而达到防震加固的效果, 有效延长高层建筑结构的使用寿命。

2.3 高层建筑隔震结构设计要点

首先, 在高层建筑隔震结构设计中可以采用分离式计算方法和隔震系数, 其中隔震系数是指隔震结构的楼层剪力与非隔震结构楼层剪力之间比较值的最大值, 而对于高层建筑结构来说, 在考虑楼层剪力隔震结构的同时还应该重视楼层确保楼层倾覆力矩的减震系数, 在高层建筑隔震结构具备标准的减震系数之后, 可以参照非隔震结构的结构来设计, 而关键的是在运用橡胶隔震支座时, 对于减震系数的计算应该在考虑橡胶隔震支座性能的基础上, 适当提高高层建筑结构的减震系数数值, 这样利于隔震结构设计的施工安全, 而在具体的减震系数计算中需要采用时程分析法来计算出高层建筑隔震结构的减震系数, 同时在考虑建筑结构受拉中可以采用折线形弹性型的橡胶隔震支座模型, 还可以使用库仑摩擦滞回曲线型的滑动隔震支座, 从而可以增强建筑结构的稳固性和抗张拉承载力和水平荷载, 减少高层建隔震结构的地震反应, 延长高层建筑隔震结构的使用寿命。

3 结论

综上所述, 对于高层建筑来说, 隔震技术和隔震结构的应用可以加固建筑结构、有效减弱高层建筑结构的地震效应, 尤其隔震支座的应用在国内多次地震中极大提高了高层建筑结构的稳固性和防震性能, 随着隔震技术与隔震支座的大力推广和广泛应用, 我国高层建筑的使用寿命也越来越长, 这不仅提高了人们生活的安全系数和质量, 利于安定社会, 而且也推动了国家抗震建筑建设的进程。

参考文献

[1]米晓玲.高层隔震结构理论分析与试验研究[M].广州大学, 2011, 1 (5) :1-80.

[2]李邦耀.高层建筑结构设计分析[J].江西建材, 2012, 30 (6) :233-234.

[3]薛彦涛.建筑结构隔震技术现状与应用[J].建筑结构, 2011, 41 (11) :83-87.

试论超高层隔震建筑物结构设计技术 篇7

1 隔震技术的应用

自我国引进隔震建筑物结构设计技术以来, 就在高层建筑工程中得到了广泛应用, 并且随着技术人员的不断改进与创新, 目前隔震技术除了能够在建筑工程建造设计中发挥重大作用, 还能够对已经建设完工的高层建筑进行隔震结构改造, 以提高现有高层建筑的抗震性能。一般来讲, 隔震结构层可以设计在高层建筑的不同位置, 如防火层或设备层的结构部位, 或者基础层和中间层也可以, 甚至在高层建筑的顶层也能起到良好的抗震加固效果。

2 隔震建筑物

隔震建筑物是指在建筑物结构中的某个层面采用了隔震层的加固技术, 这种隔震层装置是各种侧向劲度较小的隔震组件相互作用而形成的。其目的是为了加长整个隔震建筑物的周期, 以消减外力作用在建筑物上的影响。其作用原理是因为在加长了建筑物的周期以后, 会增大建筑物的位移, 再加上各种消能组件的作用, 就可以大幅度增高结构的阻尼比, 而实现减少建筑位移量的目的。

3 基础隔震技术

基础隔震技术是目前我国高层建筑抗震技术中应用最广泛, 也是效果最好的抗震加固技术, 并且基础隔震的技术成本较低, 但在隔震功能上却发挥巨大的效应, 因地震而引起的地面运动频率对于基础隔震效果的影响非常小, 共振现象的发生频率非常小, 可以忽略不计。

3.1 基础隔震的概念

通常所指的基础隔震是指在建筑物的结构设计中, 为建筑基础与上部结构之间加设一层高度不大但有足够可靠的隔震设置, 用以吸收由地面运动所带来的作用力, 从而减少建筑上部结构中受到的地震影响, 保证建筑物的稳定和安全, 保护建筑物内部的人群和设备不受伤害, 也有效制止了因整体结构破坏而引起的次生灾害。

3.2 基础隔震设计中需要注意的问题

由于基础隔震层要充分吸收建筑周边的所有地面运动作用力, 因此, 在设计中, 最好要将隔震层的面积范围稍大于建筑基础的范围, 因此, 在建筑施工中, 要保证施工场地足够宽绰。在设置隔震层周边的挡土墙时, 由于在其上部会产生墙外狭道等现象, 因此在设计中要充分考虑到这一部分结构在地震作用中是否会发生位移而引起其他不良问题的出现。

3.3 基础隔震结构体系动力分析

在高烈度区地震波影响下, 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, 结构的垂直荷载也较大, 隔震层可能产生明显的竖向变形。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。

4 中间层隔震技术

在实际的建筑工程中, 尤其是在城市中心的地区进行高层或超高层建筑施工时, 往往会受到地面施工空间的限制, 这时候也可以采用中间层隔震技术。这种隔震建筑物的结构可以分为三部分, 即隔震层以下的建筑结构包括建筑基础、隔震层、隔震层以上的建筑结构。

5 悬挂隔震技术

悬挂隔震技术是利用一定的装置将建筑物整体结构或大部分结构悬挂起来, 以达到在地震时, 地面运动作用不到建筑主体结构上的目的, 从而实现有效抗震。但这种隔震技术结构中, 悬杆所要承受的荷载较大, 必须用高强钢来实现, 但高强钢的柔性较差, 容易在较大的垂直作用力下断裂。

6 超高层建筑结构的隔震设计

针对超高层建筑结构的隔震设计, 需要严格按照有关高层建筑规范条例的相关内容, 结合建筑物所在环境的实际情况, 遵循隔震设计的一般要求, 采取合理的设计步骤, 确保超高层隔震建筑物的结构设计达到最优化的效果。

6.1 隔震设计要求

(1) 设计方案: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。 (2) 设防目标: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。竖向抗震措施不应降低。 (3) 隔震部件:设计文件上应注明对隔震部件的性能要求;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%;设置隔震部件的部位, 除按计算确定外, 应采取便于检查和替换的措施。

6.2 隔震设计步骤

(1) 结构隔震控制目标的确定。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) 结构设计。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, 柱子的截面也可适当减少。这部分设计内容与非隔震建筑相同。 (3) 隔震装置的选用。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) 结构隔震体系动力参数的确定。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) 结构隔震控制验算。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。

结束语

高层建筑隔震设计方案 篇8

中国大部分地区地处环太平洋地震带上, 每年发生大地震机率甚高, 因此建筑物之耐震设计非常重要。传统建筑物采用耐震设计规范设计建筑结构物, 主要考虑强度与韧性, 5.12地震后, 由业界引进两种耐震新技术, 一为隔震, 另一为消能。其技术由研究阶段迈入实际应用阶段。此两种耐震新技术在日本阪神地震发生后, 蓬勃发展;中国大部分地区与其它世界各主要受强震侵袭国家也不例外。

1.1 耐震建筑物

耐震建筑物耐震设计之基本原则, 系使建筑物结构体在中小度地震时保持在弹性限度内, 设计地震时容许产生塑性变形, 但韧性需求不得超过容许韧性容量, 最大考虑地震时则使用之韧性可以达规定之韧性容量。

1.1.1 中小度地震:

为回归期约30年之地震, 其50年超越机率约为80%左右, 所以在建筑物使用年限中发生的机率相当高, 因此要求建筑物于此中小度地震下结构体保持在弹性限度内, 使地震过后, 建筑物结构体没有任何损坏, 以避免建筑物需在中小度地震后修补之麻烦。一般而言, 对高韧性容量的建筑物而言, 此一目标常控制其耐震设计。

1.1.2 设计地震:

为回归期475年之地震, 其50年超越机率约为10%左右。于此地震水平下建筑物不得产生严重损坏, 以避免造成严重的人命及财产损失。对重要建筑物而言, 其对应的回归期更长。于设计地震下若限制建筑物仍须保持弹性, 殊不经济, 因此容许建筑物在一些特定位置如梁之端部产生塑铰, 藉以消耗地震能量, 并降低建筑物所受之地震反应, 乃对付地震的经济做法。为防止过于严重之不可修护的损坏, 建筑物产生的韧性比不得超过容许韧性容量。

1.1.3 最大考虑地震:

为回归期2500年之地震, 其50年超越机率约为2%左右。设计目标在使建筑物于此罕见之烈震下不产生崩塌, 以避免造成严重之损失或造成二次灾害。因为地震之水平已经为最大考虑地震, 若还限制其韧性容量之使用, 殊不经济, 所以允许结构物使用之韧性可以达到其韧性容量。

1.2 隔震建筑物

隔震建筑物系在建筑物基面设置隔震层。该隔震层系由侧向劲度很低的隔震组件构成, 让整体隔震建筑物之周期大幅拉长, 藉以降低作用在结构物上之地震力。然因周期增加后, 建筑物之位移增加很多, 因此再配合消能组件, 提高系统的阻尼比, 进而降低位移量。最常用的隔震组件为铅心橡胶支承垫 (lead rubber bearing, 简称lrb) , 中间所加之铅心, 就是来提供消能的, 而拉长周期就靠橡胶层受水平剪力作用时具有低劲度的特性来达成。lrb消能的特性很稳定, 虽经过多周次之作用, 其强度、劲度及消能之能力并没有明显的衰减。

隔震建筑物另有一个特性, 就是因为隔震层相对于上部结构软了许多, 因此当其受地震水平力作用时, 隔震层的相对变位很大, 而上部结构的相对变位很小。因此有时为简单计, 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, 藉增加建筑物的阻尼比来达到耐震的目的。依据耐震设计规范10.2节之定义, 消能组件概分为位移型、速度型与其它型式。位移型消能组件显现刚塑性 (摩擦组件) 、双线性 (金属降伏组件) 或三线性迟滞行为, 且其反应需与速度及激振频率无关。速度型消能组件因不同的阻尼比、劲度及材料可分为:包含固态与液态之黏弹性组件及液态黏滞性组件。第三类 (其它) 则含括所有不属于位移型与速度型的消能组件, 其典型范例包括形状记忆合金 (超弹性效应) 、摩擦.弹簧组件, 以及兼具回复力与阻尼的液态消能组件。

2 世界各国隔震建筑物发展现况

各国推展隔震建筑物数量不一, 不过有一共通点, 即大地震来临, 往往成为催生者。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之痛楚, 但经由其它建筑物损坏情形, 终于肯定隔震建筑物在地震中的优越性。

3 耐震建筑与隔震建筑造价比较

由日本统计数据显示, 隔震建筑物与耐震建筑物造价比较, 建筑物高度在25m以下, 隔震建筑物造价约为耐震建筑物造价之105%-109%;建筑物高度在25m-31m, 隔震建筑物造价约为耐震建筑物造价之102%-104%;建筑物高度在31m以上, 隔震建筑物造价约为耐震建筑物造价之99%-103%。

另比较隔震建筑物结构造价比较, 办公室隔震建筑物之结构费用约占建筑物费用之18%, 旅馆建筑隔震建筑物之结构费用约占建筑物费用之13%, 医院隔震建筑物之结构费用约占建筑物费用之8%。显示越重要之建筑物, 采用隔震建筑物设计, 结构费用相对最经济。

4 隔震建筑新趋势

高层与超高层隔震建筑物, 目前日本最高隔震建筑物为位于大阪城之西梅田超高层计划, 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, 积层橡胶垫, 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 长周期建筑物之隔震效果

隔震建筑物之最优越抗震效果即在延长建筑物基本振动周期, 但高层建筑物基本振动周期往往超过3秒, 隔震后即使将建筑物基本振动周期拉长至5秒以上, 由反应谱显示, 两者加速度反应相差有限。但是在增加阻尼比降低地震位移反应, 则有其贡献。

5.2 倾覆作用造成隔震组件受拉力

隔震组件设计时必须考虑拉力作用, 因此拉力试验成为规范修订之首要任务。

5.3 风力作用

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

6 结论

目前, 国内有关超高层隔震建筑物设计与施工之相关研究仍相当欠缺, 已完成之研究报告仍有待产、官、学之意见补充, 使研究成果得以展现, 鉴于隔震建筑日趋普及, 隔震建筑设计审查、隔震消能材料认证与验证机制、以及评定机构之指定工作, 已刻不容缓, 如何有效结合产、官、学三方, 尽早订定完善之超高层隔震建筑设计审查机制、隔震消能材料试验标准、以及装设前中后之检测, 实为当务之急。本文认为, 在相关机制与配套措施均付之阙如下, 隔震建筑物是否得以应付2500年以上之最大地震折磨尚待深入探讨, 则超高层隔震建筑物发展, 应在上述疑虑未澄清前, 应采取更为保守之作为。

摘要：自2008年5.12集集地震发生后, 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, 于耐震规范中列入专章包括了有关隔震与消能设计的规定。

高层建筑中的隔震结构 篇9

关键词：隔震结构,隔震系统,上部结构,设计

地震是一种自然灾害,地震具有突发性的特点,至今可预报性仍然很低,我国属地震多发国家,因此研究结构的抗震性能在我国具有充分的必要性。

1 结构隔震的原理与隔震结构的特点

1.1 结构隔震的概念与原理

在建筑物基础与上部结构之间设置隔震装置(或系统)形成隔震层,把房屋结构与基础隔离开来,利用隔震装置来隔离或耗散地震能量以避免或减少地震能量向上部结构传输,以减少建筑物的地震反应,实现地震时建筑物只发生轻微运动和变形,从而使建筑物在地震作用下不损坏或倒塌,这种抗震方法称之为房屋基础隔震。其原理是通过设置隔震装置系统形成隔震层,延长结构的周期,适当增加结构的阻尼,使结构的加速度反应大大减少,同时使结构的位移集中于隔震层,上部结构像刚体一样,自身相对位移很小,结构基本上处于弹性工作状态,从而使建筑物不产生破坏或倒塌。

1.2 隔震结构的特点

抗震设计的原则是在多遇地震作用下,建筑物基本不产生损坏;在罕遇地震作用下,建筑物允许产生破坏但不倒塌。按抗震设计的建筑物,不能避免地震的强烈晃动,当遭遇大地震时,虽然可以保证人身安全,但不能保证建筑物及其设备及设施安全,而且建筑物由于严重破坏常常不可修复。如果用隔震结构就可以避免这类情况发生,隔震结构通过隔震层的集中大变形和所提供的阻尼将地震能量隔离或耗散,地震能量不能向上部结构全部传输,因而,上部结构的地震反应大大减小,震动减轻,结构不产生破坏,人员安全和财产安全均可以得到保证。

1.3 隔震结构的优点

提高地震时结构的安全性;上部结构设计更加灵活,抗震措施简单明了;防止内部物品的震动、移动、翻倒,减少了次生灾害;防止非结构构件的损坏;抑制了震动时的不舒适感,提高了安全感和居住性;可以保持机械、仪表、器具的功能;震后无需修复,具有明显的社会效益和经济效益;经合理设计,可以降低工程造价。

1.4 隔震结构的适用范围

隔震结构的适用范围包括:医院、银行、保险、通讯、警察、消防、电力等重要建筑;首脑机关、指挥中心以及放置贵重设备、物品的房屋;图书馆和纪念性建筑;一般工业与民用建筑。

2 隔震系统的组成与类型

2.1 隔震系统的组成

隔震系统一般由隔震器、阻尼器、地基微震动与风反应控制装置等部分组成。在实际应用中,通常可使几种功能由同一元件完成,以方便使用。

隔震器的主要作用是:一方面在竖向支撑建筑物的重量,另一方面在水平方向具有弹性,能提供一定的水平刚度,延长建筑物的基本周期,以避开地震动的卓越周期,降低建筑物的地震反应,能提供较大的变形能力和自动复位能力。

阻尼器的主要作用是:吸收或耗散地震能量,抑制结构产生大的位移反应,同时在地震终了时帮助隔震器迅速复位。

地基微震动与风反应控制装置的主要作用是:增加隔震系统的初期刚度,使建筑物在风荷载或轻微地震作用下保持稳定。

2.2 隔震系统的类型

常用的隔震器有叠层橡胶支座、螺旋弹簧支座、摩擦滑移支座等。目前国内外应用广泛的是叠层橡胶支座,它又可分为普通橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等。

常用的阻尼器有弹塑性阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞性阻尼器、摩擦阻尼器等。

常用的隔震系统主要有叠层橡胶支座隔震系统、摩擦滑移加阻尼器隔震系统、摩擦滑移摆隔震系统等。

目前,隔震系统形式多样,各有其优缺点,并且都在不断发展。其中叠层橡胶支座隔震系统技术相对成熟,应用最为广泛,尤其是铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座系统,由于不用另附阻尼器,施工简便易行,在国际上十分流行。我国《建筑抗震设计规范》和《夹层橡胶垫隔震技术规程》仅针对橡胶隔震支座给出了有关的设计要求。

3 隔震结构的设计要求

3.1 隔震的要求

隔震主要用于高烈度地区或使用功能有特别要求的建筑以及符合以下各项要求的建筑:

1)不隔震时,结构基本周期小于1.0 s的多层砌体房屋、钢筋混凝土框架房屋等。2)体型基本规则,且抗震计算可采用底部剪力法的房屋。3)建筑场地宜为1,2,3类,并应选用稳定性较好的基础类型。4)风荷载和其他地震作用以及水平荷载不宜超过结构总重力的10%。

隔震建筑方案的采用,应根据建筑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求,进行技术、经济可行性综合比较分析后确定。

3.2 隔震层的设置

隔震层的布置应符合下列要求:1)隔震层可由隔震支座、阻尼装置和抗风装置组成。阻尼装置和抗风装置可与隔震支座合为一体,亦可单独设置,必要时可设置限位装置。2)隔震层刚度中心宜与上部结构的质量中心重合。3)隔震支座的平面布置宜与上部结构和下部结构的竖向受力构件的平面位置相对应。4)同一房屋选用多种规格的隔震支座时,应注意充分发挥每个橡胶支座的承载力和水平变形能力。5)同一支承处选用多个隔震支座时,隔震支座之间的净距应大于安装操作所需要的空间要求。6)设置在隔震层的抗风装置宜对称,分散地布置在建筑物的周围或附近。

4 上部结构的地震作用和抗震措施

目前的叠层橡胶隔震支座只具有隔离或耗散水平地震的功能,对竖向地震隔震效果不明显,为了反映隔震建筑隔震层以上结构水平地震反应减小这一情况,引入“水平向减震系数”。地震作用计算时,应对水平地震影响系数最大值进行折减。

5 隔震结构

5.1 对隔震装置的要求

1)隔震体系是指在结构物底部与基础面之间设置某些隔震消能装置而构成的结构体系。该隔震消能装置必须具备三项特性:a.使结构在基础面上柔性滑动,有效的降低结构的加速度反应。b.具有足够的初始刚度,以满足正常使用要求,当强地震发生时(P≥Py),体系进入滑动消能状态。c.提供较大的阻尼,具有较大的消能能力,以降低结构的位移反应。

2)为了满足上述的三项特性,常用于隔震体系的隔震消能装置有如下几种:a.夹层橡胶垫隔震装置。橡胶垫既可用天然橡胶,也可用人工合成橡胶。为了提高橡胶垫块的垂直承载力和垂直刚度,采用钢板夹层橡胶垫块。我国已在某地的厂房结构中采用这种隔震装置,目前正在施工的南方汕头市的多层住宅中也采用了这种隔震体系。b.滚珠(或滚轴)隔震加钢板消能装置,包括软钢消能杆件等。我国与加拿大学者对这种隔震装置进行了一系列的试验研究,取得了很有价值的成果。c.粉粒垫层隔震装置。用精选的圆形砂粒或滑石、石墨或砂浆等作为滑动层,起隔震消能作用。我国已建成用砂粒作为隔震层的某4层民用砖石房屋。最近又在某地建成采用石墨作隔震层并用钢棒作为消能装置的某5层砖石房屋。

5.2 隔震结构在国内的应用

夹层橡胶垫隔震技术已经比较成熟,因此,近年我国在汕头、安阳、西昌、广州、大理等城市已经建成的橡胶垫多层隔震房屋已经有20栋。联合国UNIDO分别在汕头(隔震器厂)建立了夹层橡胶垫生产中心,在广州(华南建设学院西院)建立了夹层橡胶垫试验检验中心,橡胶垫隔震房屋将逐步在我国和世界各国推广应用。

参考文献

[1]王心田.建筑结构体系与选型[M].上海:同济大学出版社,2003:9.