高層建筑結(jié)構(gòu)隔震減震設(shè)計(jì)及措施的應(yīng)用探究

【摘要】本文以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為研究主體，針對(duì)隔震支座性能與設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)，并且對(duì)于多遇地震、中震兩種地震工況的內(nèi)力取值進(jìn)行計(jì)算分析。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)地基、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)懸掛等具體隔震措施進(jìn)行分析，圍繞新建建筑設(shè)施、已建成建筑物兩類項(xiàng)目進(jìn)行減震技術(shù)措施的應(yīng)用，致力于從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)增強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，更好地發(fā)揮抗震減災(zāi)作用。

【關(guān)鍵詞】高層建筑;隔震支座;減震技術(shù)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

16.026

據(jù)中國(guó)建筑業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至2020年6月底全國(guó)建筑業(yè)總產(chǎn)值約為98875.73億元，建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)增加值28535億元，在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值中占比6.25%。伴隨建筑行業(yè)發(fā)展，高層建筑、超高層建筑項(xiàng)目數(shù)量持續(xù)增多，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計(jì)提出更加嚴(yán)格的要求，因此需基于隔震減震設(shè)計(jì)理念進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，防止在地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生建筑坍塌等事故，延長(zhǎng)建筑使用壽命。

1、隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其實(shí)際應(yīng)用效果

1.1工程實(shí)例分析

1.1.1工程概況

以某高端住宅小區(qū)項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目總建筑面積超過(guò)13萬(wàn)㎡，包含20棟單體建筑，建筑地上部分共11層、層高3m，地下部分一層、層高3.7m，采用現(xiàn)澆混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，高寬比小于4。建筑設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為6度（0.05g）場(chǎng)地類別為Ⅲ類，結(jié)構(gòu)特征周期為0.65s，在多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震下的加速度時(shí)程最大值分別為18cm/s2、50cm/s2和125cm/s2。結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)特征，基本風(fēng)壓為0.4kN/㎡，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值在X、Y向產(chǎn)生的水平力為660.4kN和1026.1kN，同比結(jié)構(gòu)總重力低10%。

1.1.2隔震設(shè)計(jì)

基于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)分析，選取建筑首層與地下一層中間部位進(jìn)行隔震層的設(shè)置，選用疊層橡膠支座沿剪力墻布設(shè)，保證隔震支座中心與墻體形心位于同一垂直線上。通過(guò)建立Etabs空間模型進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)分析，分別采用彈性桿單元、膜單元、殼單元與非線性隔震單元進(jìn)行梁柱、樓板、墻體與隔震層的模擬。選取增設(shè)隔震層前、后的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性分析，測(cè)得在X向的結(jié)構(gòu)周期分別為1.43和2.38，Y向分別為1.38和2.37;在水平地震影響下，隔震層以上結(jié)構(gòu)在X、Y方向上層間剪力與傾覆力矩最大比值分別為74.5%和65.3%，水平地震影響系數(shù)最大值分別為0.0372和0.0326;隔震支座在X、Y方向上的最大水平位移分別為71.5mm和69.7mm，均小于允許位移最小值;在罕遇地震作用下支座未出現(xiàn)拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)層間位移角符合限值要求。

1.2隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將隔震減震技術(shù)應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常需保證隔震支座的拉應(yīng)力不超過(guò)1.0MPa，合理控制結(jié)構(gòu)高寬比。

在柱間距設(shè)計(jì)上，設(shè)有一幢13層高層建筑，采用三種不同方案進(jìn)行柱布置形式、柱間距的設(shè)計(jì)（如圖1所示），地震波包含埃而森特羅波、Taft、蘭州波、唐山波等。隔震支座選用兩種形式，選取LRB600支座布置在邊軸線處，該支座的有效直徑為600mm，橡膠層為4.5×26mm，鋼板層為4.5×25mm，支座總高度為230mm，豎向壓縮剛度為2909.1KN/mm，剛度為1.3KN/mm，屈服力為96.13KN;選取RB600支座布置在中間軸線處，該支座規(guī)格參數(shù)與LRB600型號(hào)基本一致，其豎向壓縮剛度為2770.9KN/mm。

觀察計(jì)算結(jié)果可知，伴隨柱間距數(shù)值的減小，支座所受的重力荷載呈持續(xù)下降趨勢(shì)，地震傾覆軸力的變化幅度相對(duì)較小，由此可判斷當(dāng)擴(kuò)大柱網(wǎng)布置時(shí)，隔震支座所受的拉應(yīng)力將相應(yīng)減小，但同時(shí)柱軸力與層間位移角均呈增大趨勢(shì)，對(duì)于支座的承載力和抗變形能力提出較高要求。

在抗震墻設(shè)計(jì)上，抗震墻是承受地震傾覆力矩的主要結(jié)構(gòu)，為最大限度降低對(duì)支座拉力的影響，應(yīng)基于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）規(guī)定，將抗震墻分散布置在高層結(jié)構(gòu)中，選取受力較大位置進(jìn)行隔震支座的布置，控制好隔震支座的直徑和間距，避免布置在高層結(jié)構(gòu)中的支座產(chǎn)生拉應(yīng)力，并且增強(qiáng)隔震層水平變形能力，保證隔震效果。

在結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)上，要求結(jié)構(gòu)變形特征接近剪切變形，選用疊層橡膠支座隔震技術(shù)，有效起到減震作用。為保障隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具備可操作性，采用SATWE軟件模擬多遇地震進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)的振型分解反應(yīng)譜法分析，并采用ETABS NonlinearC軟件模擬設(shè)防地震、罕遇地震進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)的時(shí)程分析，以此為隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1.3隔震支座設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)隔震支座性能進(jìn)行優(yōu)化，如選取碳素等材料添加在產(chǎn)品中形成高強(qiáng)度橡膠支座，提高支座的抗變形能力與抗張拉強(qiáng)度。針對(duì)隔震支座的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化，考慮到以往采用ETABS軟件進(jìn)行支座豎向剛度計(jì)算時(shí)，倘若利用受壓剛度進(jìn)行計(jì)算，將使計(jì)算結(jié)果中的支座拉力數(shù)值偏大，對(duì)此可基于損傷、能量、性能等設(shè)計(jì)方法進(jìn)行支座拉力計(jì)算，兼顧設(shè)置在角部支座受地震輸入方向的影響，保證計(jì)算結(jié)果的精確度。

1.4不同地震設(shè)計(jì)情況下的內(nèi)力取值分析

1.4.1多遇地震

結(jié)合現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010），在多遇地震作用下需針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的薄弱部位進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整[1]。例如基于“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”原則進(jìn)行框架柱內(nèi)力調(diào)整，針對(duì)嵌固點(diǎn)處需將彎矩放大;在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，基于剪力、彎矩放大系數(shù)進(jìn)行底部加強(qiáng)區(qū)和其他區(qū)域的調(diào)整。在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，先考慮重力荷載、地震荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下豎向構(gòu)件的內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值，再結(jié)合不同工況下的荷載分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行荷載組合，確定內(nèi)力調(diào)整系數(shù)。

1.4.2中震

在中震作用下判斷高層建筑結(jié)構(gòu)是否符合彈性設(shè)計(jì)要求，需綜合考量地震作用分項(xiàng)系數(shù)和內(nèi)力調(diào)整系數(shù)等，將各系數(shù)取值為1，將地震影響分別取值為6度、7度、7.5度、8度、8.5度和9度，則多遇地震、設(shè)防地震作用下的系數(shù)最大值與放大倍數(shù)如表1所示。

2、隔震減震措施

2.1隔震措施

2.1.1地基隔震

地基處于地震波的直接受力區(qū)域，可采用鋪設(shè)墊層的方式進(jìn)行基礎(chǔ)處理，選用砂土、粘土作為墊層材料，借助墊層消耗地震能量，維護(hù)建筑結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定性。

2.1.2基礎(chǔ)隔震

以往在基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)上主要采用增設(shè)隔震層的方式，但該技術(shù)不適用于高層建筑結(jié)構(gòu)，對(duì)此可將地震作用力視為外加荷載，經(jīng)由結(jié)構(gòu)驗(yàn)算后完成橡膠隔震支座的設(shè)計(jì)，將其應(yīng)用于建筑上部結(jié)構(gòu)中，能夠使地震產(chǎn)生的作用力減小3～6倍，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)豎向承載力與變形能力[2]。

2.1.3結(jié)構(gòu)懸掛隔震

該隔震措施的主要設(shè)計(jì)理念是將建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行懸掛處理，適用于大型鋼結(jié)構(gòu)的建筑項(xiàng)目中，連同主體框架、子框架進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，防范地震對(duì)子結(jié)構(gòu)造成破壞。在具體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可利用鎖鏈進(jìn)行建筑設(shè)施與主體結(jié)構(gòu)間的連接，使主框架伴隨地殼運(yùn)動(dòng)搖擺，在此過(guò)程中將地震能量沿結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行傳遞，逐步減小地震能量，減輕地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞力。

2.2減震措施

2.2.1新建建筑設(shè)施

針對(duì)新建高層建筑進(jìn)行減震設(shè)計(jì)，主要需針對(duì)建筑基礎(chǔ)部位進(jìn)行強(qiáng)化，保證在前端環(huán)節(jié)維護(hù)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、提升受力節(jié)點(diǎn)質(zhì)量，同時(shí)需在具體部位增設(shè)減震裝置，借此緩解地震作用產(chǎn)生的能量沖擊，維護(hù)建筑整體質(zhì)量。

2.2.2已建成建筑物

針對(duì)已建成建筑進(jìn)行減震設(shè)計(jì)的優(yōu)化，可在建筑結(jié)構(gòu)中增設(shè)豎向、橫向隔離縫，例如在上部結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置寬度為500mm的豎向隔離縫，選取上、下部結(jié)構(gòu)連接部位設(shè)置高度為20mm的水平隔離縫，并選取柔性材料進(jìn)行間隙填充;針對(duì)電梯井側(cè)壁處進(jìn)行下掛處理，將非隔震部位的凈距控制在500mm以上;針對(duì)需穿過(guò)減震、隔震層的管道、電纜、導(dǎo)線等，需針對(duì)穿越部位采用柔性連接方式設(shè)計(jì)，或運(yùn)用相應(yīng)保護(hù)措施，保證良好適應(yīng)多遇、罕遇等等不同地震作用情況，滿足建筑結(jié)構(gòu)水平位移要求。

結(jié)論：

總體來(lái)看，由于我國(guó)部分地區(qū)位于地震多發(fā)帶上，伴隨高層建筑新建、改造項(xiàng)目數(shù)量的不斷增多，需將隔震減震技術(shù)措施應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，結(jié)合高層建筑結(jié)構(gòu)形態(tài)與地震作用情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)優(yōu)化，做好隔離縫設(shè)置位置與規(guī)格尺寸的設(shè)計(jì)，保證提升高層建筑的整體抗震設(shè)計(jì)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鍵.高層建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題分析與處理探究[J].四川水泥，2020，（09）：318+321.

[2]郭迅.隔震與消能減震技術(shù)——讓建筑有韌性 讓結(jié)構(gòu)更結(jié)實(shí)[J].中國(guó)應(yīng)急管理，2020，（03）：68-71.

作者簡(jiǎn)介：

劉磊（1982.10.02），漢族，男，安徽淮南，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，結(jié)構(gòu)工程。