超高层隔震建筑物结构设计技术研究
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超高层隔震建筑物结构设计技术研究
摘要：抵御地震灾害的有利手段之一是基础隔震技术，对于超高层建筑，一般多选取铅心橡胶隔震组件与消能组件组合或者其他多种隔震组件相互组合等作为隔震系统。
但是相对于中低层建筑，超高层建筑的隔震效果较差，本文探讨了超高层建筑隔震设计的概念，以及设计方法和设计流程。
关键词：超高层；隔震；结构设计
前言
我国大部分地区都位于地震带上，每年发生地震的几率十分的大，因此对建筑物进行耐震设计是十分必要的，传统的耐震技术主要考虑强度和韧性，随着我国地震的频繁发生，隔震和消能是耐震设计的两种耐震新技术。
1 隔震建筑
将隔震层设置在建筑物基面称之为隔震建筑物，又隔震组件构成隔震层，该类隔震组件的侧向刚度较低，其目的是增大隔震建筑物的周期，使得作用于结构上的地震力降低。
建筑物的位移随着结构周期增大而加大，消能构件的作用是提高阻尼比，又降低了结构位移。
铅心橡胶支承垫为最常用的隔震构件，铅心的作用是消能，在水平剪力作用下，橡胶层低劲度的特性完成了增加结构的周期的目的。
该隔震组件在经过多次作用后，强度、劲度以及消能的能力基本保持不变，说明其具有稳定的消能特性。
将隔震层上部结构视为刚体是隔震建筑物的重要特性，这是因为，相对于隔震层，上部结构要硬很多，在地震作用下，隔震层的相对位移较大，而上部结构的相对位移较小。
2 超高层建筑物隔震设计方法
2.1 隔震基本原理
建筑结构基础隔震的基本思想为：隔震层设置在上部结构与基础顶面之间，隔震层必须具有可靠、较小的水平刚度的特性，地震传入结构的能量通过阻尼器（设置在隔震层中）吸收，使得结构的地震响应降低，结构的可靠度提高，属于结构被动控制技术。
如图1所示，我们可以发现，设置隔震层后，增大了结构的水平自振周期，较为显著的控制了结构的加速度。
即在A点、B点，其阻尼比一样，A点的加速度为B点的3倍。
在结构的位移反应谱中，可以得到结构的自振周期加大，使得结构的位移反应也增大，但是位移反应随着结构阻尼的增大而减小的结论。
即B点、C点，其自振周期均为T1，C点的阻尼大于B点，C 点的位移为B点位移的一半。
由此可以得出，隔震层合理布置，选取最优组合的水平刚度和阻尼，则较非隔震结构相比，结构的加速度以及位移均较小。
2.2 影响隔震效果的因素
第一，周期较长建筑物的隔震效果。
建筑物基本振动周期增大是隔震建筑物的最显著的抗震作用，一般超高层建筑物的自振周期均大于3s，在进行隔震设计后，其自动周期尽管增加到大于5s，但是由此造成的加速度反应的变化不大，可以较为显著的增大结构的阻尼比，明显的减小了结构的地震反应。
第二，倾覆作用造成隔震组件受拉力，拉力是隔震组件在设计时必须要考虑的因素之一。
第三，风力作用
地震作用是隔震设计不能忽视的另一重要因素，但需要进一步讨论的是隔震组件对于风力或者小地震的功效。
2.3 隔震设计方法
第一，隔震层布置。
设计竖向受力构件截面的方法：初选竖向受力构件截面的标准为增大系数乘以竖向荷载产生的压力，乘以增大系数的原因是在地震作用下，增大了竖向受力构件的轴力。
该原理为抗震设计之初，截面的选取方法。
在隔震设计中，隔震支座的承载力设计值的地震效应组合应该选取罕遇地震，这是与竖向受力构件的区别所在。
对中低层结构进行隔震设计中，我们依然可以选取竖向荷载产生的压力值乘以增大系数为隔震支座的支座平均压应力设计值，这是因为，在此类结构中，水平地震作用的绝对控制作用一般不明显。
但是该方法不适用于超高层隔震结构设计，在超高层隔震结构中，地震作用的效果通常很大，在地震作用下以及物地震作用时，隔震支座处的竖向内力变化显著，如果依然沿用上述方法，会造成反复混乱的调整隔震支座的现象，不能有效的进行隔震设计，浪费了大量的精力和时间。
通常选取以下方法进行隔震支座的设计：
水平地震作用至少降低为原来的1/2，这是隔震建筑的要求，诸多工程实例显示，尽管隔震结构在超高层中的减震效果没有在中低层结构中好，超高层结构的水平地震作用也可以降低到原来的0.33以下。
基于这个原理，对于超高层的结构，在进行隔震层上部结构的建模过程中，输入结构的罕遇地震作用应为原来的0.33至0.5，由此得到的结构底部的竖向反力，隔震支座轴力设计值可选取该
计算值。
在风荷载、地基微震动的作用下，可以保证结构的稳定，选择隔震层抗风装置的依据为该高层结构在风荷载（在20 ～30 年一遇）的基底剪力计算值，同时设置阻尼较大的装置如铅芯橡胶隔震支座在隔震层边角处，这样做的目的是防止在罕遇地震作用下，隔震层的位移和扭矩太大。
预埋钢板及配件、连接板的设计是隔震支座设计的主要内容，隔震支座的连接。
作为隔震支座重要组成的连接钢板，如图2所示。
隔震支座的传力过程为：通过连接板的螺栓，将作用在隔震支座上的剪力传到预埋钢板，再通过可靠的连接件（预埋锚杆或锚筋）将力传到周围的梁柱（或墙）。
打开螺栓，即可更换隔震支座。
该方法，不仅保证了可靠连接，还使更换支座简单可行。
第二，分析验算。
隔震支座应力、地震作用下的层间剪力、隔震层位移验算，层间位移、风荷载下的结构稳定性验算、结构顶部加速度减震效果的分析等均应该做罕遇地震下的验算分析。
为了使得结构的抗倾覆稳定性满足要求，必须保证隔震层位移验算以及隔震支座应力必须满足要求。
3 超高层隔震建筑设计流程与设计要点
在进行超高层建筑隔震设计时，从设计初期就不能忽视隔震结构与非隔震结构的区别，超高层隔震设计流程图见图3。
在设计时，应该注意一下几点：
第一，场地选择，软弱场地和液化地基不建议进行超高层隔震建筑的基础隔震设计。
第二，判定高宽比的依据是表1，此时，可以根据场地条件、柱网、层高、剪力墙布置等其他条件适当调整。
第三，协调好柱网、剪力墙与其他结构布置、建筑设计的关系，选取最优的平面布置方案。
第四，当结构的偏小较大，抗扭刚度较小，纵向平动周期小于扭转周期时，不宜进行基础隔震设计。
第五，隔震效果由隔震与非隔震设计的最大的层间剪力比确定，要保0.5度的安全储备。
第六，如果隔震验算结果不能满足要求，需要调整上部结构和隔震层，调整具有针对性即可等。
小结
地震给人们带来巨大的灾难，严重威胁着人们的生命财产安全，随着城市化进程的发展，越来越多的超高层建筑屹立于城市之中，对超高层建筑进行隔震设计是十分必要的，隔震层的设计应该根据建筑的具体情况进行，满足规范的要求。
参考文献
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