淺議隔震設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

申請免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

摘要:在進(jìn)行高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，隔震層的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算占有十分重要的地位。本文針對隔震設(shè)計(jì)的特點(diǎn)進(jìn)行具體分析，并且針對隔震設(shè)計(jì)的具體特點(diǎn)對高層建筑結(jié)構(gòu)的隔振設(shè)計(jì)的實(shí)施方案進(jìn)行了詳細(xì)的論述。 

關(guān)鍵詞:建筑結(jié)構(gòu);隔震設(shè)計(jì);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(xiàn)標(biāo)識碼：a文章編號：  高層隔震建筑上部結(jié)構(gòu)具有傾覆彎矩較大，而且對隔震支座的豎向壓應(yīng)力、位移以及水平剪應(yīng)力、位移有著較為嚴(yán)格的質(zhì)量要求，因此必須對相關(guān)的工作進(jìn)行嚴(yán)格的控制。經(jīng)果實(shí)際的工程實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)將隔震建筑與不隔震建筑的抗震效果進(jìn)行比較，結(jié)果證明當(dāng)建筑隔震結(jié)構(gòu)采用橡膠墊的隔震支座時(shí)表現(xiàn)較為明顯的隔震效果。建筑的隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)容由隔震目標(biāo)的確定、隔震層設(shè)計(jì)、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、構(gòu)造措施、隔震層驗(yàn)算以及經(jīng)濟(jì)性論證等幾個(gè)方面組成。  一、基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力分析  目前，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)大多數(shù)應(yīng)用在結(jié)構(gòu)30層以下的位置，基礎(chǔ)隔震層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：高寬相對比較小、上部結(jié)構(gòu)水平層剛度相對較大。當(dāng)建筑的上部結(jié)構(gòu)層數(shù)比較多、高寬相對較大同時(shí)層間的剛度比較小時(shí)，那么將上部結(jié)構(gòu)視為一個(gè)多質(zhì)點(diǎn)體系，那么在進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要將其建立多質(zhì)點(diǎn)模型，并且將結(jié)構(gòu)的傾覆、扭轉(zhuǎn)作用等重點(diǎn)羅因素進(jìn)行充分的考慮。  在高烈度區(qū)地震波的強(qiáng)烈作用下，高層建筑的相應(yīng)隔震結(jié)構(gòu)體系中的上部結(jié)構(gòu)從開始階段就會(huì)受到較大的彎曲變形，因此在高烈度地區(qū)進(jìn)行高層建筑的隔震設(shè)計(jì)時(shí)要選用橡膠隔震結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)中的隔震支座可在這一過程中會(huì)受到一定的拉應(yīng)力以及發(fā)生一定程度的非線性變形，但由于橡膠隔震結(jié)構(gòu)的作用，會(huì)充分保證建筑結(jié)構(gòu)整體的安全性。高層隔震結(jié)構(gòu)體系，如果上部結(jié)構(gòu)受到較大的傾覆彎矩，那么建筑結(jié)構(gòu)在水平地震的作用下會(huì)造成隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)隔震結(jié)構(gòu)還會(huì)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(huì)產(chǎn)生較為明顯的豎向變形。面對這種情況，那么在進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，針對地震反應(yīng)對建筑結(jié)構(gòu)的作用特點(diǎn)，不僅要進(jìn)行多質(zhì)點(diǎn)平動(dòng)體系的結(jié)構(gòu)分析，而且還要針對建筑結(jié)構(gòu)的擺動(dòng)問題進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)分析。因此在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)時(shí)可以采用多質(zhì)點(diǎn)平動(dòng)加擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。  二、高層建筑的隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  1．高層建筑進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)要求  (1)設(shè)計(jì)方案：進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)高層建筑抗震的設(shè)防類別、場地條件、抗震設(shè)防烈度、建筑結(jié)構(gòu)方案以及高層建筑的具體使用要求，并且結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相關(guān)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的可行性對比分析，最終確定具體的設(shè)計(jì)方案。  (2)設(shè)防目標(biāo)：一般情況下，采用隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的房屋建筑，其抗震設(shè)防目標(biāo)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(jié)構(gòu)的高層建筑要比采用抗震結(jié)構(gòu)的高層建筑高出至少0.5個(gè)設(shè)防烈度大小的抗震安全儲備。同時(shí)，在豎向抗震方面采取的相關(guān)措施也不應(yīng)當(dāng)降低相應(yīng)的設(shè)防目標(biāo)。  (3)隔震部件：相關(guān)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件上應(yīng)當(dāng)詳細(xì)注明對隔震部件一些具體的的性能要求；同時(shí)要進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)進(jìn)而確定一些建筑的隔震結(jié)構(gòu)部件的相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)和耐久性能的指標(biāo)；此外在進(jìn)行高層建筑隔震結(jié)構(gòu)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(jìn)行詳細(xì)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(gè)，最終隔震部件樣品的抽樣檢測的相關(guān)合格率要達(dá)到100%；最后在隔震部件設(shè)置的建筑部位，部件的具體設(shè)計(jì)位置要通過相應(yīng)的算確定外，計(jì)算結(jié)果的位置要同時(shí)采取一些便于隔震部件進(jìn)行檢查和替換的相關(guān)措施。  2．隔震層的設(shè)計(jì)以及相關(guān)設(shè)計(jì)要求  (1)進(jìn)行隔震裝置的選取。一般情況下，在進(jìn)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(gè)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(jì)水平變形相關(guān)能力，在發(fā)生較大的地震時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)安全穩(wěn)定地支撐建筑物的結(jié)構(gòu)，而不會(huì)使建筑出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象，進(jìn)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(yīng)力限值的設(shè)計(jì)以及拉應(yīng)力的相關(guān)規(guī)定在進(jìn)行隔震層設(shè)計(jì)過程中的一條關(guān)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(yīng)力的設(shè)計(jì)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(shí)，如果在隔震層的支座中出現(xiàn)相應(yīng)的拉應(yīng)力，這意味著在建筑的上部結(jié)構(gòu)存在發(fā)生建筑傾覆的危險(xiǎn)，這對高層建筑結(jié)構(gòu)的隔震效果有著很大的影響。  ②隔震層在設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定要具有適當(dāng)?shù)乃絼偠龋@樣在強(qiáng)烈的風(fēng)力作用下，隔震層具有足夠的初始剛度來抵擋風(fēng)力對建筑結(jié)構(gòu)的作用，而在受到較為嚴(yán)重的地震作用時(shí)，高層建筑的隔震層能夠進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的柔性變形，從而起到減小水平地震作用對建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)心維持保持相對的一致性。  ④隔震裝置要具備較好的自動(dòng)復(fù)位功能。  ⑤隔震裝置要具有足夠的豎向剛度。在進(jìn)行豎向荷載的設(shè)計(jì)時(shí)，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(guān)的性能，進(jìn)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(yīng)的隔震作用。  ⑦在進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要保證隔震層和隔震墊的受力和變形的控制指標(biāo)滿足相應(yīng)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(shè)置在建筑結(jié)構(gòu)的第一層以下部位，即為在基礎(chǔ)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(shí)應(yīng)該盡量設(shè)置在受力較大的結(jié)構(gòu)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(jìn)行隔震層的驗(yàn)算：根據(jù)相關(guān)的隔震層力學(xué)參數(shù)，要對在地震發(fā)生時(shí)，隔震層所受的等效剛度以及等效阻尼比進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)力時(shí)程分析，同時(shí)要選用適合的計(jì)算模型以及符合場地頻譜特征的實(shí)際地震波，并且結(jié)合符合相應(yīng)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(yīng)的隔震以及不隔震結(jié)構(gòu)在不同地震強(qiáng)度作用下的地震反應(yīng)進(jìn)行相關(guān)的對比和分析。  三、隔震方案經(jīng)濟(jì)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(xiàng)技術(shù)成本極低，節(jié)約了相關(guān)的工程成本。高層建筑的隔震結(jié)構(gòu)與一般建筑結(jié)構(gòu)相比，相應(yīng)的工程費(fèi)用稍高，具體表現(xiàn)在隔震構(gòu)件、隔震層以上的樓面以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工費(fèi)用。假設(shè)上部結(jié)構(gòu)還是按照傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，建筑總工程的費(fèi)用會(huì)稍微增加。良好的隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既能充分發(fā)揮相應(yīng)的性能，在地震時(shí)保證人們的生命還財(cái)產(chǎn)安全，而且能夠節(jié)約一大批用于災(zāi)后維修的巨額花費(fèi)。  四、結(jié)語  對基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的地震反應(yīng)分析工作時(shí)，需要建立一個(gè)能確切地反映高層建筑基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的發(fā)生實(shí)際變形狀況、并且計(jì)算相對簡便，而且結(jié)果誤差較小的計(jì)算模型。而對于高層建筑的隔震結(jié)構(gòu)體系，由于上部結(jié)構(gòu)受到較大的傾覆彎矩，極易發(fā)生隔震層的轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，隔震層也會(huì)因?yàn)橥饬ψ饔卯a(chǎn)生較為明顯的豎向變形。因此在進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要按多質(zhì)點(diǎn)平動(dòng)體系進(jìn)行科學(xué)客觀分析，另一方面要充分考慮結(jié)構(gòu)的擺動(dòng)狀況，采用多質(zhì)點(diǎn)平動(dòng)加擺動(dòng)的具體計(jì)算模型，通過動(dòng)力時(shí)程分析，進(jìn)而計(jì)算得出高層隔震結(jié)構(gòu)體系相應(yīng)的動(dòng)力反應(yīng)形式。  【參考文獻(xiàn)】  [1]倪國葳，趙亞敏，蘇幼坡．框架隔震建筑設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用[j]．世界地震工程，2005，21(4)：113-118．  [2]田其豐．框架結(jié)構(gòu)橡膠墊基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)研究[d]．西北工業(yè)大學(xué)，2004．  注：文章內(nèi)所有公式及圖表請用pdf形式查看。