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高层建筑结构中的基础隔震技术










高层建筑结构中的基础隔震技术
岳飞豹

(江苏徐州丰县住房和城乡建设局, 江苏 徐州 221000 )
摘 要:现结合高层建筑的结构设计及特点, 对高层基础隔震系统纽成和隔震原理进行了研究, 并详细分析其高层膈震体系的特殊性, 为高层 建

筑抗震领域的研究提供指导和帮助。 关键词:高层建筑; 结构设计; 隔震体系; 技术

建筑的诞生之初就被认为是技术与审美融 合的产物。这就意味着一个好的建筑,它必经 得起适用性、经济性与美观性这三重考验。而 伴随着高层建筑在我国的迅速发展和建筑高度 的不断增加,高层建筑的安全性,坚固耐用性 亦成为人们所追求的目标。当今世界自然环境 生态平衡被严重破坏,自然灾害不加发生,为 了人们生活安定,家园和谐,我们专门对高层 建筑的结构设计特点做了分析,并对高层基础 隔震体系做了研究,为高层建筑抗震领域的研 究提供的指导和帮助,以减少自然灾害对人类 所造成的伤害。 1 高层建筑的结构与设计理念 现代的高层建筑变得越来越纤细,产生更 大侧移的可能性比以往大体积的多层高楼要 大。建筑愈高,自然界所产生的重力荷载、风 荷载和地震荷载的影响愈大。正因为如此,抵 消这些荷载的结构作用成为高层建筑设计的一 个重要方面。高层建筑对侧向荷载的动力反 应,可以通过改进结构系统以及选择有效建筑 形式的措施加以控制。因此,高层建筑的形式 在很大程度上和结构的有效性有关,这也就决 定了建筑的经济性。建筑的结构性能可以定义 为建筑承受荷载以及抵抗侧移的能力,同时也 决定着建筑各体量的组成。 从表象层面看,建筑表现为空间方面的概 念的形式是表现总体环境的。对于某个建筑物 最初方案设计。建筑师考虑更多的是它的空间 组成特点,而不是详细地确定它的具体结构。 但是,关于空间形式的整体设想,也要求建筑 师必须考虑建筑形式中有关荷载与抗力之间关 系的某些准则,即结构概念。这包括以下几方 面: 一是所设想的空间形式应当固定在地面 上。二是所设想的空间形式必须能抵抗水平风 力作用的地震作用。所以,在进行高层建筑设 计时,建筑师的基本任务是;一方面要与结构 工程师及其他工程技术人员协调合作,另一方 面要根据建筑功能要求、建筑立意,场地情 况、外力特征,施工条件及效率等因素,寻找 出最经济、合理、美观的建筑方案。 2 高层建筑结构设计的特殊性 2.1 水平荷载成为决定因素。 一方面。因为楼房自重和楼面使用荷载在 竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值,仅与楼 房高度的一次方成正比,而水平荷载对结构产 生的倾覆力矩,以及由此在竖构件中引起的轴 力,是与楼房高度的两次方成正比;另一方 面,对某一定高度楼房来说,竖向荷载大体上 是定值,而作为水平荷载的风荷载和地震作 用,其数值是随结构动力特性的不同而有较大

幅度的变化。 2.2 轴向变形不容忽视。 高层建筑中,竖向荷载数值很大,能够在 柱中引起较大的轴向变形,从而会对连续粱弯 矩产生影响,造成连续梁中间支座处的负弯矩 值减小,跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增 大,还会对预制构件的下料长度产生影响,要 求根据轴向变形计算值,对下料长度进行调 整。另外对构件剪力和侧移产生影响,与考虑 构件竖向变形比较,会得出偏于不安全的结 果。 2.3 侧移成为控制指标。 与较低楼房不同,结构侧移已成为高楼结 构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加, 水平荷载下结构的侧移变形迅速增大,因而结 构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限 度之内。 2.4 结构延性是重要设计指标。 相对于较低楼房而言,高楼结构更柔一 些,在地震作用下的变形更大一些。为了使结 构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能 力,避免倒塌,特别需要在构造上采取恰当的 措施,来保证结构具有足够的延性。 3 高层隔震体系的特殊性 高层、超高层陨震体系与常规的隔震体系 相比,具有特殊性。 首先对高层隔震建筑,上部结构不能满足 刚体运动的假定,高振型反应分量的影响不能 忽视,不能简单地以结构第一振型为主确定上 部结构反应;二是由于高层、超高层结构的水 平地震力产生的倾覆力矩比较大,在较大地震 和强风作用下,隔震支座可能会有拉应力的出 现,如何避免和控制隔震支座的拉应力是一个 问题。三是高层、超高层的自振周期都比较 长,所以必须进一步延长高层、超高层隔震建 筑的基本周期,以达到更好的隔震效果。低弹 性、大变形能力的隔震支座的开发和性能研究 是在强震和强风作用下的各种分析,具有较高 的研究价值和重大的工程意义。 4 高层基础隔震系统组成 基础隔震建筑体系通过在建筑物的基础和 上部结构之间设置隔震层,将建筑物分为上部 结构、隔震层和下部结构三部分。地震能量经 由下部分结构传到隔震层,大部分被隔震层的 隔震装置吸收,仅有少部分传到上部结构,从 而大大减轻地震作用,提高隔震建筑的安全 性。经过人们不断的探索,如今基础隔震技术 已经系统化、实用化,它包括摩擦滑移系统, 叠层橡胶支座系统、摩擦摆系统等。目前工程 最常用的是叠层像胶支座隔震系统。这种隔震 系统性能稳定可靠,采用专门的叠层橡胶支座

作为隔震元件,该支座是由一层层的薄钢板和 橡胶相互盛置,经过专门的硫化工艺粘合而 成,其结构、配方、工艺需要特殊的设计,属 于一种橡胶厚制品。目前常用的橡胶隔震支座 有:天然橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡 胶支座等。 5 高层基础隔震技术原理 传统的抗震结构是通过结构和构件来抵抗 并消耗地震能量的,设计时将地震作用力作为 一种外加荷载,与作用在结构上的其他荷载进 行组合来设计和验算结构是否满足设计和使用 要求。隔震建筑则增加了专门的变形和耗能装 置:橡胶隔震支座和阻尼器 (如铅阻尼器、油 阻尼器、钢棒阻尼器、粘弹性阻尼器、滑板支 座等) 橡胶隔震支座具有提供竖向承载能力、 弹性得位能力、良好的变形能力等特性.此外 铅芯橡胶隔震支座同时还具有消耗地震能量的 耗能特性。另一方面,传统的抗震结构体系 中,低层震建筑的周期延长到 2~5 秒,有效地 降低了结构的地震加速度反应。 采用隔震技术,上部结构的地震作用一般 可减小 3~6 倍,地震时建筑物上部结构的反应 以第一振型为主。类似于刚体平动,基本无反 应放大作用,通过隔震层的相对大位移来降低 上部结构所受的地震荷载。按照较高标准设计 和采用基础隔震措施后,地震时上部结构的地 震反应很小,结构构件和内部设备都不会发生 破坏或丧失正常的使用功能,在房屋内部工作 和生活的人员不仅不会遭受伤害,也不会感受 到强烈的摇晃,强震发生后人员无需疏散,房 屋无需修理或仅需一般修理。从而保证建筑物 的安全甚至避免非结构构件如设备、装修破、 坏等次生灾害的发生。

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