超高层隔震建筑物结构设计技术

赵思强　杨志文

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

1 耐震建筑物、隔震建筑物与消能建筑物

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。

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