任建軍

(新疆煤炭設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830091)

地震是一種自然災(zāi)害，地震具有突發(fā)性的特點(diǎn)，至今可預(yù)報(bào)性仍然很低，我國(guó)屬地震多發(fā)國(guó)家，因此研究結(jié)構(gòu)的抗震性能在我國(guó)具有充分的必要性。本文專(zhuān)門(mén)對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)原理做了分析，并對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 結(jié)構(gòu)隔震的原理與隔震結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)隔震的概念與原理

在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震裝置(或系統(tǒng))形成隔震層，把房屋結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)隔離開(kāi)來(lái)，利用隔震裝置來(lái)隔離或耗散地震能量以避免或減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳輸， 以減少建筑物的地震反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)地震時(shí)建筑物只發(fā)生輕微運(yùn)動(dòng)和變形，從而使建筑物在地震作用下不損壞或倒塌，這種抗震方法稱(chēng)之為房屋基礎(chǔ)隔震。其原理是通過(guò)設(shè)置隔震裝置系統(tǒng)形成隔震層，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的周期，適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)的阻尼，使結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)大大減少，同時(shí)使結(jié)構(gòu)的位移集中于隔震層，上部結(jié)構(gòu)像剛體一樣，自身相對(duì)位移很小，結(jié)構(gòu)基本上處于彈性工作狀態(tài)，從而使建筑物不產(chǎn)生破壞或倒塌。

1.2 隔震結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

抗震設(shè)計(jì)的原則是在多遇地震作用下， 建筑物基本不產(chǎn)生損壞；在罕遇地震作用下，建筑物允許產(chǎn)生破壞但不倒塌。按抗震設(shè)計(jì)的建筑物，不能避免地震的強(qiáng)烈晃動(dòng)，當(dāng)遭遇大地震時(shí)，雖然可以保證人身安全，但不能保證建筑物及其設(shè)備及設(shè)施安全，而且建筑物由于嚴(yán)重破壞常常不可修復(fù)。如果用隔震結(jié)構(gòu)就可以避免這類(lèi)情況發(fā)生，隔震結(jié)構(gòu)通過(guò)隔震層的集中大變形和所提供的阻尼將地震能量隔離或耗散，地震能量不能向上部結(jié)構(gòu)全部傳輸，因而，上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)大大減小，震動(dòng)減輕，結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生破壞，人員安全和財(cái)產(chǎn)安全均可以得到保證。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)

2.1 基底隔震原理

基底隔震是指在結(jié)構(gòu)物底部與基礎(chǔ)頂面之間設(shè)置隔震消能裝置，使之與固結(jié)于地基中的基礎(chǔ)頂面分開(kāi)，限制地震動(dòng)向結(jié)構(gòu)物傳遞，降低上部結(jié)構(gòu)的放大效應(yīng)，減輕建筑物破壞程度基底隔震裝置一般應(yīng)具備三個(gè)條件：

2.1.1 隔震層能使結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)面產(chǎn)生滑移，以使結(jié)構(gòu)體系的自振周期增大，遠(yuǎn)離場(chǎng)地卓越周期，從而能把地面運(yùn)動(dòng)隔開(kāi)，有效降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

2.1.2 隔震裝置具有足夠的初始彈性剛度，即在微震或風(fēng)載作用下，具有良好的彈性剛度，能滿足正常使用要求，在強(qiáng)震作用下，隔震裝置能產(chǎn)生滑動(dòng)，使體系進(jìn)入耗能狀態(tài)。

2.1.3 隔震裝置具有較大阻尼和耗能能力，保證其荷載——位移曲線的包絡(luò)圖面積較大，以消耗地震能量降低結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)。

2.2 基礎(chǔ)隔震裝置

隔震裝置是由隔震器、阻尼器、復(fù)位裝置組成。

隔震器的作用是支承上部結(jié)構(gòu)全部重量。延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期，同時(shí)具有經(jīng)歷較大變形的能力。

阻尼器的作用是消耗地震能量，抑制結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的過(guò)大位移。

復(fù)位裝置的作用是提高隔震系統(tǒng)早期剛度使結(jié)構(gòu)在微震或風(fēng)載作用下，能夠具有和普通結(jié)構(gòu)相同的安全性。

2.2.1 隔震支座。隔震器和阻尼器往往合二而一構(gòu)成隔震支座，只有當(dāng)隔震支座阻尼不足時(shí)，才另加阻尼器。

（1）滑動(dòng)支座。早期的滑動(dòng)方法為滾珠隔震，即在上部結(jié)構(gòu)與平板狀基礎(chǔ)之間設(shè)置滾珠。滾珠可做成圓形，設(shè)置于平板或凹板上，也可做成橢圓形，以形成復(fù)位力。滾珠能把地面運(yùn)動(dòng)幾乎全部隔開(kāi)，使結(jié)構(gòu)免受振動(dòng)，滾珠隔震需要有輔助裝置協(xié)助復(fù)位，并要有風(fēng)穩(wěn)定裝置保證風(fēng)載下不產(chǎn)生過(guò)大水平位移。

（2）疊層橡膠支座。由橡膠片與薄鋼板交替疊合而成，鋼板邊緣縮入橡膠內(nèi)，可防止鋼板生銹。疊層橡膠支座又可分為普通疊層橡膠支座、高阻尼疊層橡膠支座、鉛芯疊層橡膠支座和。普通疊層橡膠支座中的橡膠為有添加劑的天然橡膠或氯丁二烯橡膠，其阻尼性能較差，只具備延長(zhǎng)周期的功能，應(yīng)用時(shí)必須同阻尼器配合作用。由于橡膠板上、下兩面的橫向變形受到剛板的約束，在豎向荷載作用下橡膠板中部處于三向壓力狀態(tài)，從而形成很高的抗壓強(qiáng)度。

疊層橡膠的水平剛度一般為豎向剛度的1%，具有明顯的非線性特性。小變形時(shí)，其水平剛度能保證建筑物在風(fēng)載下的使用功能；大變形時(shí)橡膠剪切剛度下降較多，約為初始剛度的20%，可以大幅度降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率，減小地震反應(yīng)。

（3）摩擦擺支座。為了使建筑物滑移后自動(dòng)復(fù)位，目前出現(xiàn)一種摩擦擺支座。摩擦擺支座類(lèi)似于一個(gè)鉸裝置，上部為活動(dòng)擺頭，下部為曲面承臺(tái)，擺頭與曲之間襯有網(wǎng)狀增強(qiáng)纖維，以利用摩擦阻尼耗散能量。該裝置可利用結(jié)構(gòu)本身重力回到原來(lái)位置。

2.2.2 阻尼器。鉛芯疊層橡膠支座、高阻尼疊層橡膠支座以及某些滑動(dòng)支座都具有隔震系統(tǒng)所需要的阻尼。當(dāng)隔震支座阻尼不足時(shí)，可另加阻尼器，常用的基底隔震阻尼器有：彈塑性阻尼器、干摩擦阻尼器和粘彈性阻尼器。

（1）彈塑性阻尼器鋼材具有良好的塑性變形能力，可以在超過(guò)屈服應(yīng)變幾十倍情況下，經(jīng)歷往復(fù)變形不發(fā)生斷裂。利用軟鋼的變形能力和耗能能力可制成各種形狀阻尼器。

（2）鉛棒阻尼器。鉛具有軟化剛度，進(jìn)入塑性后表現(xiàn)出滯回能特點(diǎn)，利用獨(dú)立鉛棒變形吸能可制成鉛阻尼器，在強(qiáng)烈地震下，鉛棒軟化，可以損耗大量振動(dòng)能量。鉛具有軟化剛度，進(jìn)入塑性后表現(xiàn)出滯回能特點(diǎn)，利用獨(dú)立鉛棒變形吸能可制成鉛阻尼器，在強(qiáng)烈地震下，鉛棒軟化，可以損耗大量振動(dòng)能量。

（3）干摩擦阻尼器。在普通疊層橡膠支座上加摩擦板形成干摩擦阻尼器，上滑板為不銹鋼板，嵌于結(jié)構(gòu)底部；下滑板為青銅鉛板，置于疊層支座頂部。地震時(shí)上下兩板之間發(fā)生滑動(dòng)，產(chǎn)生阻尼，同時(shí)也保護(hù)了疊層式隔震器。

2.2.3 復(fù)位裝置。為了防止建筑物在微震或風(fēng)載作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)影響結(jié)構(gòu)使用，便于建筑物在大震后及時(shí)復(fù)位，應(yīng)設(shè)置微震和風(fēng)反應(yīng)控制裝置或建筑物復(fù)位裝置。目前已應(yīng)用的具有風(fēng)穩(wěn)定及復(fù)位功能的支座；以及抗傾覆支座。

2.3 隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

隔震結(jié)構(gòu)通過(guò)隔震層的集中大變形和所提供的阻尼將地震能量隔離或耗散，地震能量不能向上部結(jié)構(gòu)全部傳輸，因而，上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)大大減小，振動(dòng)減輕，結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生破壞，人員安全和財(cái)產(chǎn)安全均可以得到保證。

2.3.1 隔震的要求。隔震主要用于高烈度地區(qū)或使用功能有特別要求的建筑以及符合以下各項(xiàng)要求的建筑:

（1）不隔震時(shí)，結(jié)構(gòu)基本周期小于 1.0s 的多層砌體房屋、鋼筋混凝土框架房屋等。

（2）體型基本規(guī)則，且抗震計(jì)算可采用底部剪力法的房屋。

（3）建筑場(chǎng)地宜為1，2，3類(lèi)，并應(yīng)選用穩(wěn)定性較好的基礎(chǔ)類(lèi)型。

（4）風(fēng)荷載和其他地震作用以及水平荷載不宜超過(guò)結(jié)構(gòu)總重力的10%。隔震建筑方案的采用，應(yīng)根據(jù)建筑抗震設(shè)防類(lèi)別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、建筑結(jié)構(gòu)方案和建筑使用要求，進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性綜合比較分析后確定。

2.3.2 隔震層的設(shè)置。隔震層的布置應(yīng)符合下列要求:

（1）隔震層可由隔震支座、阻尼裝置和抗風(fēng)裝置組成。阻尼裝置和抗風(fēng)裝置可與隔震支座合為一體，亦可單獨(dú)設(shè)置，必要時(shí)可設(shè)置限位裝置。

（2）隔震層剛度中心宜與上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心重合。

（3）隔震支座的平面布置宜與上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的豎向受力構(gòu)件的平面位置相對(duì)應(yīng)。

（4）同一房屋選用多種規(guī)格的隔震支座時(shí)，應(yīng)注意充分發(fā)揮每個(gè)橡膠支座的承載力和水平變形能力。

（5）同一支承處選用多個(gè)隔震支座時(shí)，隔震支座之間的凈距應(yīng)大于安裝操作所需要的空間要求。

（6）設(shè)置在隔震層的抗風(fēng)裝置宜對(duì)稱(chēng)，分散地布置在建筑物的周?chē)蚋浇?/p>

[1]王心田．建筑結(jié)構(gòu)體系與選型[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2011.

[2]豐定國(guó)，王社良．抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]．武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2012.