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高层建筑结构隔震设计关键问题

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第31卷第1期2009年1月南　京　工　业　大　学　学　报　(自然科学版)JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY(NaturalScienceEdition)Vol.31No.1Jan.2009高层建筑结构隔震设计关键问题王曙光,杜东升,刘伟庆(南京工业大学土木工程学院,江苏南京210009)

收稿日期:2008-05-03基金项目:国家自然科学基金资助项目(50608039)作者简介:王曙光(1972—),男,江苏阜宁人,教授,博士,主要研究方向为结构抗震与减震控制,E2mail:720108@vip.sina.com.摘　要:对高层建筑隔震设计中的一些关键问题进行研究,就规范中隔震设计方法的主要不足提出改进建议.采用规范设计反应谱进行高层隔震结构分析时,必须充分考虑结构高阶振型的影响,否则会大大低估结构减震效果.对规范中不同阻尼比的地震影响系数曲线修正方法进行讨论,对规范中采用的阻尼调整和形状参数提出修改建议.指出了规范中容易导致隔震支座受拉的不合理规定,提出了改进后的结构布置原则.并对规范中隔震支座面压控制的计算方法提出修正建议.关键词:高层建筑;隔震设计;阻尼比;时程分析中图分类号:TU352.1 文献标志码:A 文章编号:1671-7627(2009)01-0071-07Key2problemsofseismicisolationstructuredesigninhigh2risebuildingsWANGShu2guang,DUDong2sheng,LIUWei2qing(CollegeofCivilEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)Abstract:Someimprovementsforthedesigncodewereadviced.Usingthecodedesignresponsespectrumtoanalyzetheseismicisolationstructureinhigh2risebuilding,thevibrationmodesmustbeamplyconsi2deredforcalculation,otherwisetheeffectoftheseismiccontrolwillbeunderestimated.Themodificationmethodforseismicinfluencecoefficientcurvewithdifferentdampingratiosinthecodewasdiscussed,modificationofthedampingregulationanditsshapeparametersissuedincodeareproposed.Theshearandcompressionpropertiesofthelaminatedrubber,andslidingbearingswereanalyzed.Itispointedoutthattheirrationalityofcalculatingmethodinthecodeiseasytoresultintheisolationbearingunderthetension,thenthecorrectdesignmethodtoresultintheisolatationunderthecompression.Theseanalysesprovideatheoryforapplicationandextendingseismicisolationinhigh2risebuildings.Keywords:high2risebuildings;seismicisolationdesign;dampingratio;time2historyanalysis 隔震技术作为一种简便、有效的减震技术已被广泛应用于各类中低层建筑中,取得了良好的减震效果.近年来,这一技术又被逐步推广到高层建筑中.1998年,日本竹中工务店设计并建造了东京杉并花园城[1],地上28层,塔楼2层,高度9311m.2002年底,在日本神奈川县川崎市建成了ThousandTower[2],该大楼41层,高度135m.2006年12月,位于日本大阪的一栋超高层隔震建筑建成,该建筑地下1层,地上50层,塔楼2层,高度17714m,高宽比值为517.我国江苏省宿迁市在建的宿迁海关业务大楼地下1层,地上17层[3],高度7316m;宿迁在建的华夏丽景地下1层,地上20层,高度7416m.可以预见,随着社会经济发展的需求和人们抗震意识的进一步提高,高层隔震结构将会有广阔的发展前景.高层隔震建筑相对于多层隔震建筑具有以下主要疑难点:1)高层隔震是否具有隔震效果?我国规范提出的设计反应谱长周期段下降很慢,对于长周期的高层建筑,隔震后虽然周期延长,是否仍具有明显的减震效果值得探讨;2)当结构阻尼比大于5%时,我国规范中地震影响系数曲线的阻尼调整系数值过于保守,这样势必会造成高层隔震结构地震响应不准确;3)高层建筑倾覆效应明显,隔震支座有可能出现拉应力,而通常采用的叠层橡胶支座的抗拉能力很低,隔震支座受拉问题也是隔震技术在高层建筑中推广应用的主要障碍之一;4)高层建筑重力荷载较大且在罕遇地震作用下竖向构件的轴力变化大,隔震支座的面压变化及其水平位移也很大,如何合理控制隔震支座的面压及稳定性也是高层隔震设计的重要内容.本文针对以上几个关键问题进行分析,指出我国规范中隔震设计相关规定的不完善之处,提出设计建议或改进意见,为规范的修订提供依据.1　长周期高层隔震建筑的减震效果高层建筑本身已经具有较长的周期,高度100m左右高层建筑的基本周期一般在215s左右,采用隔震技术后一般可将其周期延长到315s左右.根据我国GB50011—2001《建筑抗震设计规范》(以下简称“规范”)的设计反应谱,其在长周期段下降缓慢[4];另外,当阻尼比大于0105时,地震影响系数曲线的阻尼调整系数也过于保守.按我国规范计算,长周期的高层建筑在隔震前后地震剪力变化不大,隔震效果不明显,但事实却并非如此.现以某高层隔震结构为例,分别以等效线性法和动力时程分析法计算其隔震效果,探讨长周期高层建筑进行隔震后仍具有较好减震效果的原因. 某高层建筑主楼结构地上23层,隔震层兼作地下室;纵向长5016m,横向长2612m,主体建筑高度约8918m,长边方向高宽比值为1178,短边方向高宽比值为3143,最高处9712m[5].其隔震层配置如图1所示.利用等效线性分析方法计算出该结构隔震前后基底剪力,如表1所示.

GZY1100—直径1100mm铅芯橡胶隔震支座;GZY1300—直径1300mm铅芯橡胶隔震支座;GZP1200—直径1200mm橡胶隔震支座;GZP1300—直径1300mm橡胶隔震支座;图1　隔震支座布置Fig.1　Planoftheisolationlayer27南　京　工　业　大　学　学　报　(自然科学版)第31卷　表1　隔震结构等效线性法分析结果Table1　Analysisresultsofbase2isolatedstructurebyequivalentlinearanalysismethod结构类型等效位移/mm等效质量/t等效周期/s等效刚度/(kN・m-1)基底剪力/kN非隔震结构5711315921520213522206612680隔震结构105153582611924130752137935 由表1可以看出,根据我国规范反应谱,隔震前周期为2135s的高层建筑,通过隔震技术将周期延长到4130s后,基底剪力的隔震后/隔震前的比值为01626,减震效果不明显.表2给出了隔震与非隔震结构在计算时采用不同振型数量情况下X向的基底剪力.由表2可以看出,隔震和非隔震结构第1阶振型的基底剪力相差不大,也说明为什么直接从反应谱上看长周期结构隔震效果不明显.但是,隔震结构的第1阶振型质量参与系数达到了8415%,采用多阶振型地震剪力组合后,最终的基底剪力与采用1阶振型基底剪力相差不大;而非隔震结构的第1阶振型质量参与系数只有5112%,通过多阶振型地震剪力组合,最终的基底剪力会远远大于第一阶振型的基底剪力.表2　隔震与非隔震结构在不同振型数量下的地震剪力(X向)Table2　Baseshearforcesofisolatedandunisolatedstructuresbycalculatingdifferentrembersofvibrationmodes采用的振型总数非隔震结构隔震结构累计振型质量参与系数时程分析结果地震剪力平均值/kN累计振型质量参与系数时程分析结果地震剪力平均值/kN101512125790184577792017881992501927827330188825806019958366401946284170199785285019862980701998888760199831810019998958 图2给出了隔震和非隔震结构基底剪力随振型阶数增加而变化的情况.由图2可以看出,非隔震结构地震剪力随振型阶数增加而显著增加,从采用1阶振型时的12579kN增大到采用6阶振型时的31810kN,增大了153%.而隔震结构的基底剪力随振型阶数的增加而变化不大,从采用1阶振型时的7779kN增大到采用6阶振型时的8958kN,只增大了15%.对于长周期高层建筑,在利用反应谱进行隔震效果分析时,必须要充分考虑高阶振型影响的修正问题,否则会明显低估非隔震结构的地震响应,从而低估减震效果.通常,经过合理设计的高层隔震结构,能够具有明显的减震效果

.图2　基底剪力与振型阶数的关系Fig.2　Baseshearforcechangewithvibrationmodenumberincrease2　高层隔震结构不同阻尼比地震影响系数的修正 目前,世界上拥有专门的隔震设计规范或规程的国家和地区主要有:日本、美国、意大利、中国、中国台湾地区.与我国规范类似,其他4种规范也有大致相同的隔震设计思路:1)提出不同阻尼比下的结构加速度反应谱曲线;对隔震和消能减震结构,首先采用等效线性化方法进行迭代求解.对于隔震结构,可求出隔震层位移、基底剪力等重要数据.2)采用非线性时程分析方法,进行隔震结构的进一步分析,以得到上部各层结构的加速度、速度、位移、层间剪力等详细动力响应.3)要求非线性时程分析方法和等效线性化方法的分析结果的误差较小,具有足够的可比较性.文献[6]对这5种隔震设计规范或规程做过比较详细的对比分析.发现除了日本隔震设计规范以37　第1期王曙光等:高层建筑结构隔震设计关键问题外,包括美国、意大利、中国、中国台湾地区的隔震设计规范,均存在等效线性化方法的计算结果比时程分析方法偏大很多的问题.对于我国规范来说,隔震结构的周期越长或阻尼比越大,2种方法的误差还会进一步增大[6].其主要的原因可能是:1)我国规范中长周期段的地震影响系数值偏大;2)当结构阻尼比大于5%时,阻尼调整系数η2的值也偏大.我国规范可借鉴采用日本规范中的阻尼调整系数Fh的计算方法.Fh=1151+10(hv+018hd) Fh≥014(1)式中:hv为隔震层黏滞阻尼部分所提供的阻尼比;hd为滞回阻尼部分所提供的阻尼比,当阻尼调整系数Fh<014时,取为014.相应的,我国规范中的地震影响系数α曲线的表达式可以调整为α=0145+η2-0145011TαmaxT≤011η2αmax011

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高层建筑抗震结构设计

高层建筑抗震结构设计

高层建筑抗震结构设计探讨

摘要：随着我国城市人口的不断增多及建设用地趋紧张和城市规划的需要，促使高层建筑得以快速发展。另一方面由于轻质高强材料的开发及新的设计计算理论的发展，抗风和抗震理论的不断完善，加之新的施工技术和设备的不断涌现，特别是计算机的普及和应用以及结构分析手段的不断提高，为迅速发展高层建筑提供了必要的技术条件。地震是一种自然现象。如果强烈地震发生在人类聚居区,就可能造成严重的地震灾害,08年发生的汶川地震、4月14号青海玉树地震再次给我们敲响了警钟, 提醒我们在建筑结构抗震方面应该进一步加强。本文通过笔者多年从业经验对高层建筑抗震结构设计的几个问题进行了总结。

关键词：高层建筑抗震设计

一、抗震设计的理论分析

（一）拟静力理论。拟静力理论是20世纪10~40年代发展起来的一种理论，它在估计地震对结构的作用时，仅假定结构为刚性，地震力水平作用在结构或构件的质量中心上。地震力的大小当于结构的重量乘以一个比例常数(地震系数)。

（二）反应谱理论。反应谱理论是在加世纪40~60年代发展起来的，它以强地震动加速度观测记录的增多和对地震地面运动特性的进一步了解，以及结构动力反应特性的研究为基础，是加理工学院的一些研究学者对地震动加速度记录的特性进行分析后取得的一个重要成果。

（三）动力理论。动力理论是20世纪70－80年广为应用的地震动力理论。它的发展除了基于60年代以来电子计算机技术和试验技术的发展外，人们对各类结构在地震作用下的线性与非线性反应过程有了较多的了解，同时随着强震观测台站的不断增多，各种受损结构的地震反应记录也不断增多。进一步动力理论也称地震时程分析理论，它把地震作为一个时间过程，选择有代表性的地震动加速度时程作为地震动输入，建筑物简化为多自由度体系，计算得到每一时刻建筑物的地震反应，从而完成抗震设计工作。

高层建筑结构设计中的地震防护

高层建筑结构设计中的地震防护

高层建筑结构设计中的地震防护

高层建筑在现代城市化的过程中起着举足轻重的作用，而地震是一个全球性的自然灾害，给人们的生命和财产安全带来了极大的威胁。因此，在高层建筑结构设计中，地震防护问题尤为重要。本文将探讨高层建筑结构设计中的地震防护措施。

首先，地震对高层建筑的影响主要包括横向荷载和竖向荷载。横向荷载是指地震产生的水平力作用于建筑结构的情况，而竖向荷载则是指建筑物因地震引起的垂直应力。为了减小地震对高层建筑的影响，工程师们设计了一系列的地震防护措施。

其一，对于横向荷载的防护，高层建筑通常采用抗震框架结构。抗震框架结构是通过在建筑结构主体框架中设置横向刚度较大的框架单元，提高建筑整体的抗震能力。框架单元通过水平连接构件与建筑柱和楼板相连，形成一个整体的刚性系统。在地震发生时，这个刚性系统可以有效地承担横向荷载，减小地震对建筑物的破坏。

其二，对于竖向荷载的防护，高层建筑通常采用增设剪力墙和防震支撑。剪力墙是建筑物中的纵向承重构件，在地震发生时，可以帮助建筑物抵抗竖向荷载。剪力墙通常位于建筑结构的核心区域，由钢筋混凝土墙体构成，具有良好的延性和刚度。防震支撑是辅助性的支撑系统，用于增加建筑结构的稳定性。防震支撑可以采用各种形式，如防震支撑系统、钢筋混凝土支撑结构等，通过增加建筑的刚度和强度来减小地震对建筑物的破坏。

其三，高层建筑还可以借鉴抗震设备的应用。抗震设备是一种用于减小地震对建筑物的影响的技术手段。其中，最常见的抗震设备是阻尼器和基础隔震装置。阻尼器可以通过吸收地震能量来减小建筑物的振动幅度，从而减小地震对建筑物的破坏。基础隔震装置则可以通过将地震动能传递到地下深处来减小地震对建筑物的传递，从而减小建筑物震动的幅度和频率。 最后，高层建筑的地震防护还需要结合规范和监理的要求。在设计过程中，工程师们需要遵循相关的抗震设计规范，确保建筑物具备足够的抗震能力。同时，监理人员需要对建筑物的施工过程进行监督和检查，确保设计要求得到有效地执行。

高烈度区高层建筑的隔震设计

高烈度区高层建筑的隔震设计

高烈度区高层建筑的隔震设计

在现代城市的发展中，高层建筑如雨后春笋般拔地而起。然而，在高烈度区，地震的威胁成为了高层建筑设计中不可忽视的重要因素。为了保障人们的生命财产安全，提高建筑在地震中的抗震性能，隔震设计应运而生。

高烈度区的地震活动频繁且强度大，对建筑物的破坏往往是毁灭性的。传统的抗震设计主要通过增强结构的刚度和强度来抵抗地震力，但这种方法在面对强烈地震时可能效果有限，而且会增加建筑的成本和自重。而隔震设计则是一种全新的思路，它通过在建筑物底部设置隔震装置，将上部结构与地面的地震运动隔开，从而有效地减少地震能量向上部结构的传递，降低结构的地震响应。

隔震设计的核心在于隔震装置的选择和布置。目前常见的隔震装置有橡胶隔震支座、摩擦摆隔震支座等。橡胶隔震支座具有良好的竖向承载能力和水平变形能力，能够有效地隔离水平地震作用；摩擦摆隔震支座则利用摩擦和摆的原理来消耗地震能量，具有自复位能力和较好的隔震效果。在实际工程中，需要根据建筑的结构形式、高度、使用功能等因素，综合考虑选择合适的隔震装置，并合理地进行布置，以确保隔震效果的均匀性和可靠性。

在进行隔震设计时，首先要对建筑所在地区的地震危险性进行评估。这包括确定地震烈度、地震加速度等参数，为后续的设计提供依据。然后，根据建筑的结构体系和功能要求，建立合理的力学模型，进行地震作用下的结构分析。通过计算分析，可以得到结构在隔震和非隔震情况下的地震响应，从而评估隔震设计的效果。

除了隔震装置的选择和结构分析，隔震层的设计也是至关重要的。隔震层需要具备足够的水平刚度和变形能力，同时要保证隔震装置的安装和维护方便。在隔震层的设计中，还需要考虑防火、防水、通风等问题，以确保隔震层在地震发生时能够正常工作，并且在平时能够满足建筑的使用要求。

另外，隔震设计并非一劳永逸，还需要考虑在极端情况下，如超大地震或隔震装置失效时，结构的抗震能力。因此，在设计中通常会设置一些备用的抗震措施，如增加结构的延性、设置耗能装置等，以提高结构的整体抗震性能。

超高层建筑结构抗震设计常见问题及解决措施

超高层建筑结构抗震设计常见问题及解决措施

超高层建筑结构抗震设计常见问题及解决措施

摘要：超高层建筑本身的结构相对特殊，一旦出现问题将会造成难以估量的损失，因此在超高层建筑的设计过程中，需要做好抗震相关的性能设计工作，还需要增强相关的监督和检查力度。对于超高层建筑开展质量方面的抗震分析，是设计抗震结构过程中最为基础也是最为核心的一步。当前阶段我国在超高层建筑抗震设计方面的规范和准则比较完善且系统性较强，但是依然存在部分超出我国明确规定范围之外的超高层建筑类型，因此如何针对这些不同类型的超高层建筑开展抗震分析，并完善抗震设计，是我国超高层建筑设计和施工人员都较为关心的重点问题。本文将针对超高层建筑在结构抗震设计方面存在的不足和问题进行分析，并针对性的探讨相应的解决对策。

关键词：解决措施；常见问题；抗震设计；超高层建筑

引言：在对超高层建筑结构性能进行设计的过程当中，需要高度重视起抗震结构的设计。在保证超高层建筑基本结构良好的基础之上，需要保证其应用的抗震结构更为可靠，并且能够在一定程度上延长超高层建筑的实际使用期限。所以，基于超高层建筑结构开展抗震设计，需要在增强其稳定性能、优化建筑结构的基础之上，关注其结构性能方面的抗震设计，并且对相关的抗震设计方案进行更加科学合理的规划，从而丰富超高层建筑的实际结构设计内容，从而科学的应对各类地震因素。在此基础之上，便能够有效增强超高层建筑结构抗震设计的技术含量，增强超高层建筑的性能和质量。

一、超高层建筑结构抗震设计的基本原则分析

第一是均匀与规则性原则。在对超高层建筑结构进行抗震设计时，通过对均匀和规则性原则的考量，可以使这一类建筑结构在竖向上的布局更为合理，从而有效的应对结构侧向的刚度变化，避免侧向刚度发生突变，从而给超高层建筑结构的抗震性能造成较为严重的负面影响。与此同时，为了超高层建筑结构在地震能量的影响下出现较为明显的扭转问题，则需要在其平面布置的过程中满足以下要求：平面结构设计选择受地震影响相对较小的平面形状，并且平面上的结构布置需要遵循对称、规则的原则，避免刚度和质量分布不均匀问题的出现。