概述超高层隔震建筑物结构设计

李琪

【摘要】地震对于人类社会的发展而言危害极大，同时也是一个危害面积广的自然灾害。自新世纪以来，因为地震引发的国民经济损失不可估量，人员伤亡更是数以万计。远的不说，就08年至今，无论是汶川地震、玉树地震还是雅安地震，都给我们留下刻骨铭心的伤害，也给中华民族带来了重大灾难。但是就这些地震所造成的损失进行分析，大多数的损失都是因为建筑物倒塌而引发的，因此也提起了人们对建筑物抗震设计观念，使得人们越来越多的关注建筑物的抗震设计。隔震建筑物结构便是基于这种时代背景下产生的，是当前建筑业内人士研究的焦点之一。

【关键词】隔震建筑物；结构设计；超高层

1、隔震建筑的形式

1.1基础隔震

基础隔震是建筑抗震新技术家族中的佼佼者，大量试验研究及多次强震实践表明，基础隔震以其极少的投资换取很大的安全系数。基础滑动隔震效果受地面运动频率特性的影响较小，几乎不会发生共振现象。

所谓基础隔震，就是在建筑物的基础与上部结构之间增设高度很矮，具有足够可靠性的隔震层，控制地面运动向上部结构传递，地震时其能量可反馈到地面或由隔震层吸收，以大大减小结构及构件的地震反应，确保建筑物的整体安全，其内部设备不发生破坏或丧失使用功能，室内人员不遭受伤害也不会有强烈震感。同时，还可防止结构内部的次生灾害。主震后无需避震疏散，即使发生罕遇大震隔震房屋也不会倒塌。

1.2基地隔震形式

1）夹层橡胶垫隔震装置用于隔震装置的橡胶垫块，可用天然橡胶，也可用人工合成橡胶（氯丁胶）。为提高垫块的垂直承载力和竖向刚度，橡胶垫块一般由橡胶片与薄铜板叠合而成.

2）铅芯橡胶支座这样就使支座具有足够的初始刚度，在风荷来和制动力等常见载荷作用下保持具有足够的刚度，以满足正常使用要求，但强地震发生时，装置柔性滑动，体系进入消能状态。

3）滚珠（或滚轴）隔震有自复位能力的；有加铜拉杆风稳定装置；横向油压千斤顶位的。另外，还有加消能装置的，消能装置有软消能杆剪，铅挤压消能器，油阻尼器，光阻尼器等。

1.3中间层隔震

在基础以上的中间楼层设置隔震层，下部结构同普通建筑物一样直接与地基接触，因此它不存在基础隔震建筑的底部体积和墙体数量问题，但隔震层以下的楼层需要做抗震处理。在市区场地不太宽裕时，可把隔震层设计在地面以上，在空中变形有利于节约用地，同时也能有效减少地基的挖土量。

1.4悬挂隔震

悬挂隔震使将结构的全部或大部分质量悬挂起来，是地震动传递不到主体质量上，产生较小的惯性力，从而起到隔震作用。悬挂结构在桥梁、火电厂锅炉架等方面有大量应用。著名的43层香港汇丰银行新大楼采用的就是悬挂结构。

2、耐震建筑与隔震建筑造价比较

由统计数据显示，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。

3、超高层建筑结构的隔震设计要求与步骤

针对超高层建筑结构的隔震设计，需要严格按照有关高层建筑规范条例的相关内容，结合建筑物所在环境的实际情况，遵循隔震设计的一般要求，采取合理的设计步骤，确保超高层隔震建筑物的结构设计达到最优化的效果。

3.1隔震设计要求

（1）设计方案：建筑结构的隔震设计，应根据建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求，与建筑抗震的设计方案进行技术、经济可行性的对比分析后，确定其设计方案。（2）设防目标：采用隔震设计的房屋建筑，其抗震设防目标应高于抗震建筑。在水平地震方面，隔震结构具有比抗震结构至少高0.5个设防烈度的抗震安全储备。竖向抗震措施不应降低。（3）隔震部件：设计文件上应注明对隔震部件的性能要求；隔震部件的设计参数和耐久性应由试验确定；并在安装前对工程中所有各种类型和规格的部件原型进行抽样检测，每种类型和每一规格的数量不应少于3个，抽样检测的合格率应为100%。

3.2隔震设计步骤

（1）结构隔震控制目标的确定。依据设防烈度或地震危险性场地条件以及工程的重要性，确定设防标准。（2）结构设计。确定上部结构方案与结构布置，初步确定上部结构构件尺寸及材料强度等级。由于设置了隔震层，上部结构所受地震作用降低很多。因此，对柱子轴压比的限制可适当降低，柱子的截面也可適当减少。这部分设计内容与非隔震建筑相同。（3）隔震装置的选用。根据隔震装置的承载力、刚度、变形等性能要求和规定，确定隔震支座的类型、个数和隔震支座的尺寸、布置并进行隔震支座设计。（4）结构隔震体系动力参数的确定。选择隔震结构动力计算分析模型，确定结构的刚度、自振周期、阻尼比等动力参数。（5）结构隔震控制验算。计算结构地震作用和结构的加速度、速度、位移、隔震的水平位移、支座轴力等地震反应，确认是否满足设防标准。

4、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：

4.1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。

4.2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。

4.3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。

5、隔震应用的注意事项

5.1隔震实际上会使原有结构的固有周期演唱，在下列情况下不宜采用隔震设计：

①基础土层不稳定；

②下部结构变性大，原有结构的固有周期比较长；

③位于软弱场地，延长周期可能引起共振；

④制作中出现负反力；

5.2隔震装置必须具有足够的初始刚度，这样能满足正常使用要求。当强震发生时，装置柔性消震，体系进入消能状态。

5.3隔震装置能使结构在基础面上柔性滑动，在地震来时这样必然会产生很大的位移。为减低结构的位移反应，隔震装置应提供较大的阻尼，具有较大的消能能力。

6、结语

我国也是世界上多地震的国家之一，百分之七十八的国土面积都需要进行抗震设防，而隔震技术则是一种经济有效的防震减灾技术。虽然，它的体制还西药进一步健全，但由其原理名了、结构简单、造价低等技术优势，必然会在日后得到长足的发展，但就现有技术水平还未能达到可以安全面对最大等级的地震水平，所以，就目前情况而言，我们更要对人们的生命财产负责，采取更为保守的作为。

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