高烈度地区高层建筑结构隔震设计论文

高烈度地区的高层建筑结构隔震设计研究【摘要】地震给人们带来的损失大多是由于建筑物的倒塌所致，因此我们必须提高建筑物的抗震能力。隔震技术是目前世界上应用最广泛也最实用的高新抗震技术，鉴于高层建筑的特殊性，这项技术原来只应用于底层建筑。近些年来随着隔震技术的逐渐成熟，在高层建筑中也显现出了良好的减震效果，本文对高烈度地区的高层建筑隔震结构进行了分析说明，并总结了一些经验，希望能对同行起到一些指导意义。

【关键词】高烈度地区；高层建筑；隔震结构；设计研究

地震作为一种突发性的自然灾害，在我国分布比较广泛，频度高、强度也较大，给人们的生命财产带来了很大的威胁。为了减轻地震给人们带来的损失，许多国家都花费了大量人力物力研究建筑物的抗震，并提出了一些在实践中已经被验证了效果的理论，隔震设计就是其中之一。由于高层建筑的支座容易受拉倾斜，早些年隔震技术在高层建筑中的使用效果并不是很好[1]。但是随着地震工程者的进一步研究，这项技术也能依靠其特殊的结构和各构件的特殊性能，使隔震层起到“隔震”、“吸震”作用，延长建筑物的自振周期，并且减少其水平地震作用，保证高层建筑少受甚至不受地震的损伤，从而保证建筑物内人们的人身和财产安全。

1 隔震技术的工作原理

早些年前，人们主要通过提高建筑物结构的刚度和强度，依靠结构和构件的一些变形来消耗地震传入建筑物的能量，进而来抵

御地震作用，但这种方式对建筑物本身就是一种伤害。1881年，日本的河合浩藏最初提出隔震技术，当时他提出的隔震主要是通过地基上的圆木来抗震，后来经过各国学者对隔震技术的研究和探讨，使这项技术得到了不断的升华，逐渐形成了砂垫层滑移摩擦、叠层橡胶垫、悬挂隔震结构等多种隔震结构，这些结构都是通过在基础顶面与上部结构之间设置一些刚度小并可靠的由振动控制装置组成的隔震层，然后借助这些隔震层上的阻尼器吸收并耗散地震给建筑物传递的能量，隔断能量的上传，延长整个建筑物的振动周期，进而减小建筑上部结构的地震响应[2]。具体如下：图1结构位移反应谱

图1中可以看出随着建筑的自振周期的延长，建筑的位移也会增加，但当建筑的阻尼增大时，建筑的位移反应会明显下降，比如图中的b、c两点，b、c两点的位移一样，但是c点的阻尼大于b 点，故c 点的位移反应大概为b点的的1/2。图2中显示建筑物中有了隔震层后，就会延长建筑在水平方向的自振周期，降低建筑的加速度反应。例如图中，阻尼比相同的a、b两点，a点的加速度反应应该为b点的三倍。

2 高层建筑的隔震设计

目前，国际上关于高层建筑的隔震设计方法主要有基于损伤、基于能量和基于性能三种设计方法，基于损伤的设计方法主要是利用阻尼器的耗能和隔震层的屈服作用来减少遭遇地震后的损伤，基于能量的设计主要是从能量的角度出发，将建筑在地震中吸入的能

量变成建筑的势能或其他能够被阻尼耗散掉的能量，这种设计方法比较简单，基于性能的设计主要是考虑建筑物的性能目标，并根据目标来设计建筑物的抗震性能，这种方法最实用，使用的也最广泛。

2.1 隔震上部结构的设计原则

高层建筑在级别较高的地震中，隔震结构就可能出现倾覆，隔震支座也可能会受拉，根据以前对高层建筑隔震设计的研究，设计隔震上部结构时，要注意以下原则：(1)为了减少或者避免隔震支座受拉，必须控制好上部结构的高宽比；(2)竖向构件的柱距要尽量大一些，抗震墙要尽量居中并整齐；(3)隔震层下隔震支座的间距一般不能超过2．0 m；为了保证上部结构不发生扭转，隔震层的质心和刚心要基本重合。

2.2 隔震层的设计原则

在高层建筑的整个隔震体系中，隔震层的设计是最重要的一个设计环节，不同的隔震层设计方法都有自己的适用条件和力学模式。在隔震层的设计中主要的控制参数有以下几个方面：a.地震时隔震支座受到的不同方向拉应力的大小；b.隔震支座的极大、小面压和长期面压的大小；c.隔震层的屈重比；e.不同变形水平下隔震层的偏心率不能超过3%；f.隔震层在极大地震时的位移[3]。这6个参数是保证隔震层稳定工作的保证，设计时必须给予高度的重视。

2.3 高层建筑隔震设计方法步骤

2.3.1 初步设计

根据建筑物的特点和结构体型的基本原则，选择稳定性比较好的基础类型。

2.3.2 选型并布置隔震支座

对于那些没有地下室的建筑物，一般都是在基础与上部结构中间设置隔震层，有地下室的在上部结构和地下室顶部设置。通过计算橡胶隔震支座需要承载的压力、阻尼和刚度，确定其数量、规格和分布情况，保证在级别较高的地震中，橡胶隔震支座不出现拉应力（或者拉应力不超过规范应许值）。隔震支座通常放在柱下，数量不能过多，具体数量和规格要按照有关规定计算来确定。

2.3.3 确定水平减震系数

根据建筑施工场地和地震的特征周期，用时程分析法画出隔震体系具体的地震影响系数曲线，一般振型分解反应谱法与平均地震影响系数的曲线应该保持一致。水平方向的减震系数要根据建筑隔震后与非隔震时各层之间剪力的比值并按规范确定[4]。

2.3.4 验算隔震层的水平位移

在一些级别较高的地震中，各个支座在剪力作用下的水平位移不能超过它的水平位移限值，橡胶型的隔震支座的水平位移，不能超过橡胶总厚度的三倍与隔震支座直径的一半两者中的较小值。

2.3.5 验算隔震层以下结构的抗震能力

验算隔震层以下结构的抗震承载力，可以通过在级别较高地震下支座底部的水平力、竖向力和弯矩来计算。

3 结语

高烈度地区的高层建筑物设计不同于其他地方，有其特殊性，而其抗震结构设计问题也非朝夕能够解决，还需我们不断的改进设计方法，使建筑物能够具有更好的抗震作用。

参考文献：

[1]中岛徼、小室努等，2003年5月26日地震中宫城县仙台森大楼地震反应分析之使用观测记录波的地震反应分析，日本建筑学会学术讲演[j]，2004， 263-264．

[2]干洪，张德玉. 框架隔震结构简化设计方法研究与应用[m].安徽工程科技学院学报.2009(3).

[3]王鑫．钢筋混凝土模型框架振动台分析和抗震性能评估

[d]．西安：西安建筑科技大学，2006．

[4]李敏霞.大型渡槽隔震耗能混合减振技术的研究和足尺变刚度结构振动控制技术的研究[j].中国水利水电科学研究院博士后研究报告,2000.