隔震設計在高層建筑結構中的應用

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 　　　淺議隔震設計在高層建筑結構中的應用

　　摘要:在進行高層建筑抗震結構設計中，隔震層的設計和驗算占有十分重要的地位。本文針對隔震設計的特點進行具體分析，并且針對隔震設計的具體特點對高層建筑結構的隔振設計的實施方案進行了詳細的論述。 關鍵詞:建筑結構;隔震設計;高層建筑 abstract: in the high rise building aseismic structure design, the design and calculation of isolation layer plays a very important role. according to the characteristics of seismic isolation design for specific analysis, and according to the specific characteristics of seismic isolation design for high-rise building structure vibration isolation design scheme were discussed in detail. key words: building structure; seismic design; high-rise building 中圖分類號：tu973 文獻標識碼：a文章編號： 高層隔震建筑上部結構具有傾覆彎矩較大，而且對隔震支座的豎向壓應力、位移以及水平剪應力、位移有著較為嚴格的質量要求，因此必須對相關的工作進行嚴格的控制。經(jīng)果實際的工程實踐，發(fā)現(xiàn)將隔震建筑與不隔震建筑的抗震效果進行比較，結果證明當建筑隔震結構采用橡膠墊的隔震支座時表現(xiàn)較為明顯的隔震效果。建筑的隔震結構的設計內(nèi)容由隔震目標的確定、隔震層設計、上部結構設計、構造措施、隔震層驗算以及經(jīng)濟性論證等幾個方面組成。 一、基礎隔震結構體系動力分析 目前，基礎隔震結構大多數(shù)應用在結構30層以下的位置，基礎隔震層的結構特點是：高寬相對比較小、上部結構水平層剛度相對較大。當建筑的上部結構層數(shù)比較多、高寬相對較大同時層間的剛度比較小時，那么將上部結構視為一個多質點體系，那么在進行隔震結構設計過程中要將其建立多質點模型，并且將結構的傾覆、扭轉作用等重點羅因素進行充分的考慮。 在高烈度區(qū)地震波的強烈作用下，高層建筑的相應隔震結構體系中的上部結構從開始階段就會受到較大的彎曲變形，因此在高烈度地區(qū)進行高層建筑的隔震設計時要選用橡膠隔震結構。建筑結構中的隔震支座可在這一過程中會受到一定的拉應力以及發(fā)生一定程度的非線性變形，但由于橡膠隔震結構的作用，會充分保證建筑結構整體的安全性。高層隔震結構體系，如果上部結構受到較大的傾覆彎矩，那么建筑結構在水平地震的作用下會造成隔震層轉動的風險，同時隔震結構還會受到較大的垂直荷載作用，在上述外力作用下，隔震層可能會產(chǎn)生較為明顯的豎向變形。面對這種情況，那么在進行隔震結構的設計過程中，針對地震反應對建筑結構的作用特點，不僅要進行多質點平動體系的結構分析，而且還要針對建筑結構的擺動問題進行具體的設計分析。因此在進行建筑結構的隔震設計時可以采用多質點平動加擺動的結構計算模型。 二、高層建筑的隔震結構設計 1．高層建筑進行隔震設計要求 (1)設計方案：進行高層建筑結構的隔震設計時，要根據(jù)高層建筑抗震的設防類別、場地條件、抗震設防烈度、建筑結構方案以及高層建筑的具體使用要求，并且結合建筑結構的抗震設計方案進行相關技術、經(jīng)濟的可行性對比分析，最終確定具體的設計方案。 (2)設防目標：一般情況下，采用隔震結構設計的房屋建筑，其抗震設防目標明顯要高于普通的抗震房屋建筑。例如在水平地震方面，采用隔震結構的高層建筑要比采用抗震結構的高層建筑高出至少0.5個設防烈度大小的抗震安全儲備。同時，在豎向抗震方面采取的相關措施也不應當降低相應的設防目標。 (3)隔震部件：相關的建筑結構設計文件上應當詳細注明對隔震部件一些具體的的性能要求；同時要進行相應的試驗進而確定一些建筑的隔震結構部件的相關的設計參數(shù)和耐久性能的指標；此外在進行高層建筑隔震結構部件的安裝之前對建筑工程中所需要的各種類型以及規(guī)格的部件原型進行詳細的抽樣檢測，要求對于每種類型以及每一規(guī)格的建筑隔震部件的抽樣檢測數(shù)量不少于3個，最終隔震部件樣品的抽樣檢測的相關合格率要達到100%；最后在隔震部件設置的建筑部位，部件的具體設計位置要通過相應的算確定外，計算結果的位置要同時采取一些便于隔震部件進行檢查和替換的相關措施。 2．隔震層的設計以及相關設計要求 (1)進行隔震裝置的選取。一般情況下，在進行隔震層的橡膠隔震支座布置以及選取工作中要遵循以下的幾個方面原則： ①隔震裝置要具有能夠承受足夠的豎向承載力以經(jīng)濟水平變形相關能力，在發(fā)生較大的地震時，能夠實現(xiàn)安全穩(wěn)定地支撐建筑物的結構，而不會使建筑出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象，進而能夠更好的發(fā)揮建筑隔震的功能。橡膠隔震支座的平均壓應力限值的設計以及拉應力的相關規(guī)定在進行隔震層設計過程中的一條關鍵因素，隔震支座在永久荷載和可變荷載的組合作用下，在豎向受到的平均壓應力的設計值的限值：甲類建筑不超過10mpa、乙類建筑不超過12mpa、丙類建筑不超過15mpa。同時，如果在隔震層的支座中出現(xiàn)相應的拉應力，這意味著在建筑的上部結構存在發(fā)生建筑傾覆的危險，這對高層建筑結構的隔震效果有著很大的影響。 ②隔震層在設計時規(guī)定要具有適當?shù)乃絼偠?，這樣在強烈的風力作用下，隔震層具有足夠的初始剛度來抵擋風力對建筑結構的作用，而在受到較為嚴重的地震作用時，高層建筑的隔震層能夠進而產(chǎn)生相應的柔性變形，從而起到減小水平地震作用對建筑結構的影響作用。 ③建筑的隔震層的水平剛度中心位置要與建筑結構的上部結構的質心維持保持相對的一致性。 ④隔震裝置要具備較好的自動復位功能。 ⑤隔震裝置要具有足夠的豎向剛度。在進行豎向荷載的設計時，要保證豎向位移被控制在規(guī)范所允許值的范圍之內(nèi)。 ⑥隔震裝置的剛度和阻尼效果要具有良好的穩(wěn)定性，在可能的荷載和溫度變化范圍以內(nèi)，剛性和阻尼效果要具有較好的穩(wěn)定性，良好的耐久性以及抗老化、抗徐變、抗疲勞等相關的性能，進而能夠保證隔震裝置在建筑物使用期內(nèi)有效發(fā)揮相應的隔震作用。 ⑦在進行隔震結構設計過程中，要保證隔震層和隔震墊的受力和變形的控制指標滿足相應的規(guī)范要求和功能需要。 (2)隔震層的平面布置：高層建筑的隔震層位置宜設置在建筑結構的第一層以下部位，即為在基礎的頂面、地下室頂板位置或是二層樓面梁底的位置。高層建筑的隔震層的平面布置要求具有良好的對稱性，同時應該盡量設置在受力較大的結構的位置，而且隔震層的間距不宜過大。 (3)在水平地震作用下進行隔震層的驗算：根據(jù)相關的隔震層力學參數(shù)，要對在地震發(fā)生時，隔震層所受的等效剛度以及等效阻尼比進行相應的動力時程分析，同時要選用適合的計算模型以及符合場地頻譜特征的實際地震波，并且結合符合相應要求的人工模擬地震波，分別分析高層建筑在是否具有相應的隔震以及不隔震結構在不同地震強度作用下的地震反應進行相關的對比和分析。 三、隔震方案經(jīng)濟效益分析 橡膠隔震墊一方面具有良好的隔震性能，另一方面這項技術成本極低，節(jié)約了相關的工程成本。高層建筑的隔震結構與一般建筑結構相比，相應的工程費用稍高，具體表現(xiàn)在隔震構件、隔震層以上的樓面以及相應的設計和施工費用。假設上部結構還是按照傳統(tǒng)的建筑結構進行抗震設計，建筑總工程的費用會稍微增加。良好的隔震結構設計既能充分發(fā)揮相應的性能，在地震時保證人們的生命還財產(chǎn)安全，而且能夠節(jié)約一大批用于災后維修的巨額花費。 四、結語 對基礎隔震結構進行相應的地震反應分析工作時，需要建立一個能確切地反映高層建筑基礎隔震結構的發(fā)生實際變形狀況、并且計算相對簡便，而且結果誤差較小的計算模型。而對于高層建筑的隔震結構體系，由于上部結構受到較大的傾覆彎矩，極易發(fā)生隔震層的轉動的現(xiàn)象，隔震層也會因為外力作用產(chǎn)生較為明顯的豎向變形。因此在進行隔震結構的設計時，一方面要按多質點平動體系進行科學客觀分析，另一方面要充分考慮結構的擺動狀況，采用多質點平動加擺動的具體計算模型，通過動力時程分析，進而計算得出高層隔震結構體系相應的動力反應形式。 【參考文獻】 [1]倪國葳，趙亞敏，蘇幼坡．框架隔震建筑設計方法及應用[j]．世界地震工程，2005，21(4)：113-118． [2]田其豐．框架結構橡膠墊基礎隔震系統(tǒng)研究[d]．西北工業(yè)大學，2004． 注：文章內(nèi)所有公式及圖表請用pdf形式查看。