高层隔震结构研究现状分析及展望

高层隔震结构研究现状分析及展望

发表时间：2019-03-07T12:51:36.530Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第33期作者：马永宏

[导读] 随着高层结构建筑水平的提高，隔震技术也逐步应用在高层建筑中，高层隔震结构的橡胶支座很有可能在大震下产生超过极限应变的水平变形

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摘要：随着高层结构建筑水平的提高，隔震技术也逐步应用在高层建筑中，高层隔震结构的橡胶支座很有可能在大震下产生超过极限应变的水平变形，失效退出工作，导致结构倒塌。本文阐述了高层隔震结构的国内外应用现状，并总结了在理论计算、实验研究方面进展，并对研究趋势作出展望。

关键词：高层建筑；隔震；橡胶支座

1、前言

隔震技术是一种较为成熟的工程震动被动控制技术，依靠延长结构周期来降低地震反应。但是高层隔震技术研究的历史还不长，还有很多问题没有解决。与普通多层建筑相比，其自振周期较长，隔震效果较不明显。高层建筑因为高宽比过大，容易倾覆，支座有受拉破坏，结构倒塌的可能性。近年，随着隔震结构高宽比的增大，隔震支座更容易因为超过极限变形而破坏。

在历次的地震中，高层隔震建筑并未发生倒塌，但在大震作用下，隔震层变形过大受到损伤，容易引发结构连续性倒塌或者整体性倾覆，带来的生命和财产的损失难以估量，需要进行特别研究。

2、隔震结构国内外应用现状

日本是国际上利用隔震技术较早的国家，2003年竣工的楠叶塔楼城位于大阪枚方市，由41层的超高层建筑，24层的高层建筑和两栋中层建筑组成，总高度136.8m。采用隔震技术后该建筑物在地震响应减小了2/3。

我国最早的隔震建筑是 1993 年由周福霖院士设计的汕头市8层框架结构商住楼。目前，国内隔震建筑的数量已达6000余座，约占世界的一半。其中云南省占2000座，位居全国之首，最具代表性的是上海大学刘文光教授主持的云南省博物馆新馆工程。2010年，刘文光教授还主持设计了鸟巢大厦，该工程位于塔吉克斯坦，为一类高层住宅，地上21层，地下2层，总建筑高度77.3米。

预计2019年通航的北京新机场主体部分已经完工，是目前世界上最大的单体隔震建筑。北京新机场航站楼高铁下穿，结构会受到高铁运行振动的强烈影响。隔震技术的应用很好地解决了这个问题，是专家一致认为的最经济合理的方案。

3、高层隔震结构国内外研究现状

（1）隔震支座性能的实验研究

日本对新型隔震橡胶支座的研发一直走在前列，竹中工务店开发了适用于高层建筑的隔震橡胶支座[1]。支座的橡胶材料中加入了碳素物质，改进了产品性能，比普通产品的压缩变形、抗张拉强度提和极限拉应力可达到普通支座的2倍以上。

早期研究的重点主要是有效延长高层隔震结构的周期。具有代表性的是2004年，刘文光等学者对G6和G4橡胶隔震支座的水平刚度计算[2]，结果表明低硬度橡胶隔震支座具备理想的竖向及水平性能，阻尼特性稳定，且隔震性能更为有效，将结构的周期进一步延长了近20%。

后为解决橡胶支座受拉破坏的问题，学者们着重开发抗拉装置的开发。2007年，祁皑[3]等人对隔震结构的高宽比限值进行了研究，提出在边缘隔震支座周围设置适量竖向钢筋的构造措施提高抗拉性能。2012年，苏健[4]又针对叠层橡胶支座抗拉性能的问题进行了研究，提出利用叠层橡胶支座的抗压能力来承受隔震层的拉力。2017年，陈鹏、周颖等人，设计了抗拉装置并进行了试验验证[5]，在拉剪状态下，该装置能够有效发挥抗拉作用，保证支座水平向力学性能的发挥。

近年，很多学者隔震支座受拉破坏进行了有限元模拟研究。2014年，吴从晓等人提出了高烈度区高层隔震结构抗拉处理方法[6]，并给出了其在ETABS软件中的模拟方法，并通过实例分析验证了装置效果。2015年，王建强等人采用Abaqus对铅芯橡胶支座进行有限元分析[7]，模拟了极限压剪状态下支座内部钢片和橡胶的应力分布状态。

（2）理论计算模型的研究

Kelly和周锡元等曾提出由上部结构单质点与隔震层单质点组成的“双自由度模型”及计算公式。在多层规则隔震结构的应用中获得了满意结果。但该模型忽略了高阶振型的影响，有一定误差并随着结构高度的增加而增大。

近年，研究的重点在于如何快速有效地计算高层隔震结构的地震响应。2005年，付伟庆等人提出了高层隔震结构的“三自由度模型”[8]，由上部结构双质点和隔震层单质点组成，研究结果表明地震响应计算结果与对原结构相近。2012年，刘文光等人提出了高层隔震结构地震响应的单纯质点法[9]，可预测高层隔震结构各层地震反应包络值，并分析高层隔震结构加速度等响应的预测计算式。2014年，刘阳等人对高层隔震结构“三自由度等效模型”进行了研究，并发现其对弯剪型高层隔震结构的等效程度虽不如对剪切型高层隔震结构的高，但具有较高的等效精度[10]。

4、研究现状分析及展望

高层隔震结构对橡胶支座的水平和竖向性能都提出了更高的要求。高层建筑的隔震形式也趋于多样化。将隔震技术与结构半主动、主动控制技术结合，为有效的混合控制体系是一种趋势；高强度、高性能和三维减震支座等，也都是十分具有研究价值的课题。

首先，低硬度橡胶隔震支座可以有效延长建筑物的周期，使高层隔震结构隔震效果良好；但分析表明隔震支座在强震下，可能由于大变形发生受拉破坏，因此研究支座的破坏性形式和控制方法是必要的。

其次，根据刘阳等人的研究，可采用单纯质点法对高层隔震结构的地震响应进行包络分析，建立地震能量、结构参数和结构各层加速度、剪力及变形之间的关系，方便预测隔震支座的位移，防止破坏。

再次，目前所研究的抵抗支座破坏的装置主要为抗拉装置，例如在隔震层边缘的支座处增加构造钢筋，或者更改支座的构造来抗拉。而在强震中，很多支座出现拉应力的原因是因为变形超限。所以应考虑增加限位装置，达到防止支座破坏的目的。

最后，增加的限位装置，必须在限制支座位移的同时，保证上部结构隔震的有效性，所以必须进行数值模拟和实验，进行增加限位装