浅议隔震设计在高层建筑结构中的应用

高层隔震建筑上部结构具有倾覆弯矩较大，而且对隔震支座的竖向压应力、位移以及水平剪应力、位移有着较为严格的质量要求，因此必须对相关的工作进行严格的控制。经果实际的工程实践，发现将隔震建筑与不隔震建筑的抗震效果进行比较，结果证明当建筑隔震结构采用橡胶垫的隔震支座时表现较为明显的隔震效果。建筑的隔震结构的设计内容由隔震目标的确定、隔震层设计、上部结构设计、构造措施、隔震层验算以及经济性论证等几个方面组成。

一、基础隔震结构体系动力分析

目前，基础隔震结构大多数应用在结构30层以下的位置，基础隔震层的结构特点是：高宽相对比较小、上部结构水平层刚度相对较大。当建筑的上部结构层数比较多、高宽相对较大同时层间的刚度比较小时，那么将上部结构视为一个多质点体系，那么在进行隔震结构设计过程中要将其建立多质点模型，并且将结构的倾覆、扭转作用等重点罗因素进行充分的考虑。

在高烈度区地震波的强烈作用下，高层建筑的相应隔震结构体系中的上部结构从开始阶段就会受到较大的弯曲变形，因此在高烈度地区进行高层建筑的隔震设计时要选用橡胶隔震结构。建筑结构中的隔震支座可在这一过程中会受到一定的拉应力以及发生一定程度的非线性变形，但由于橡胶隔震结构的作用，会充分保证建筑结构整体的安全性。高层隔震结构体系，如果上部结构受到较大的倾覆弯矩，那么建筑结构在水平地震的作用下会造成隔震层转动的风险，同时隔震结构还会受到较大的垂直荷载作用，在上述外力作用下，隔震层可能会产生较为明显的竖向变形。面对这种情况，那么在进行隔震结构的设计过程中，针对地震反应对建筑结构的作用特点，不仅要进行多质点平动体系的结构分析，而且还要针对建筑结构的摆动问题进行具体的设计分析。因此在进行建筑结构的隔震设计时可以采用多质点平动加摆动的结构计算模型。

二、高层建筑的隔震结构设计

1.高层建筑进行隔震设计要求

(1)设计方案：进行高层建筑结构的隔震设计时，要根据高层建筑抗震的设防类别、场地条件、抗震设防烈度、建筑结构方案以及高层建筑的具体使用要求，并且结合建筑结构的抗震设计方案进行相关技术、经济的可行性对比分析，最终确定具体的设计方案。

(2)设防目标：一般情况下，采用隔震结构设计的房屋建筑，其抗震设防目标明显要高于普通的抗震房屋建筑。例如在水平地震方面，采用隔震结构的高层建筑要比采用抗震结构的高层建筑高出至少0.5个设防烈度大小的抗震安全储备。同时，在竖向抗震方面采取的相关措施也不应当降低相应的设防目标。

(3)隔震部件：相关的建筑结构设计文件上应当详细注明对隔震部件一些具体的的性能要求;同时要进行相应的试验进而确定一些建筑的隔震结构部件的相关的设计参数和耐久性能的指标;此外在进行高层建筑隔震结构部件的安装之前对建筑工程中所需要的各种类型以及规格的部件原型进行详细的抽样检测，要求对于每种类型以及每一规格的建筑隔震部件的抽样检测数量不少于3个，最终隔震部件样品的抽样检测的相关合格率要达到100%;最后在隔震部件设置的建筑部位，部件的具体设计位置要通过相应的算确定外，计算结果的位置要同时采取一些便于隔震部件进行检查和替换的相关措施。

2.隔震层的设计以及相关设计要求

(1)进行隔震装置的选取。一般情况下，在进行隔震层的橡胶隔震支座布置以及选取工作中要遵循以下的几个方面原则：

①隔震装置要具有能够承受足够的竖向承载力以经济水平变形相关能力，在发生较大的地震时，能够实现安全稳定地支撑建筑物的结构，而不会使建筑出现失稳破坏的现象，进而能够更好的发挥建筑隔震的功能。橡胶隔震支座的平均压应力限值的设计以及拉应力的相关规定在进行隔震层设计过程中的一条关键因素，隔震支座在永久荷载和可变荷载的组合作用下，在竖向受到的平均压应力的设计值的限值：甲类建筑不超过10MPa、乙类建筑不超过12MPa、丙类建筑不超过15MPa。同时，如果在隔震层的支座中出现相应的拉应力，这意味着在建筑的上部结构存在发生建筑倾覆的危险，这对高层建筑结构的隔震效果有着很大的影响。

②隔震层在设计时规定要具有适当的水平刚度，这样在强烈的风力作用下，隔震层具有足够的初始刚度来抵挡风力对建筑结构的作用，而在受到较为严重的地震作用时，高层建筑的隔震层能够进而产生相应的柔性变形，从而起到减小水平地震作用对建筑结构的影响作用。

③建筑的隔震层的水平刚度中心位置要与建筑结构的上部结构的质心维持保持相对的一致性。

④隔震装置要具备较好的自动复位功能。

⑤隔震装置要具有足够的竖向刚度。在进行竖向荷载的设计时，要保证竖向位移被控制在规范所允许值的范围之内。

⑥隔震装置的刚度和阻尼效果要具有良好的稳定性，在可能的荷载和温度变化范围以内，刚性和阻尼效果要具有较好的稳定性，良好的耐久性以及抗老化、抗徐变、抗疲劳等相关的性能，进而能够保证隔震装置在建筑物使用期内有效发挥相应的隔震作用。

⑦在进行隔震结构设计过程中，要保证隔震层和隔震垫的受力和变形的控制指标满足相应的规范要求和功能需要。

(2)隔震层的平面布置：高层建筑的隔震层位置宜设置在建筑结构的第一层以下部位，即为在基础的顶面、地下室顶板位置或是二层楼面梁底的位置。高层建筑的隔震层的平面布置要求具有良好的对称性，同时应该尽量设置在受力较大的结构的位置，而且隔震层的间距不宜过大。

(3)在水平地震作用下进行隔震层的验算：根据相关的隔震层力学参数，要对在地震发生时，隔震层所受的等效刚度以及等效阻尼比进行相应的动力时程分析，同时要选用适合的计算模型以及符合场地频谱特征的实际地震波，并且结合符合相应要求的人工模拟地震波，分别分析高层建筑在是否具有相应的隔震以及不隔震结构在不同地震强度作用下的地震反应进行相关的对比和分析。

三、隔震方案经济效益分析

橡胶隔震垫一方面具有良好的隔震性能，另一方面这项技术成本极低，节约了相关的工程成本。高层建筑的隔震结构与一般建筑结构相比，相应的工程费用稍高，具体表现在隔震构件、隔震层以上的楼面以及相应的设计和施工费用。假设上部结构还是按照传统的建筑结构进行抗震设计，建筑总工程的费用会稍微增加。良好的隔震结构设计既能充分发挥相应的性能，在地震时保证人们的生命还财产安全，而且能够节约一大批用于灾后维修的巨额花费。

四、结语

对基础隔震结构进行相应的地震反应分析工作时，需要建立一个能确切地反映高层建筑基础隔震结构的发生实际变形状况、并且计算相对简便，而且结果误差较小的计算模型。而对于高层建筑的隔震结构体系，由于上部结构受到较大的倾覆弯矩，极易发生隔震层的转动的现象，隔震层也会因为外力作用产生较为明显的竖向变形。因此在进行隔震结构的设计时，一方面要按多质点平动体系进行科学客观分析，另一方面要充分考虑结构的摆动状况，采用多质点平动加摆动的具体计算模型，通过动力时程分析，进而计算得出高层隔震结构体系相应的动力反应形式。

【参考文献】

[1]倪国葳，赵亚敏，苏幼坡.框架隔震建筑设计方法及应用[J].世界地震工程，2005，21(4)：113-118.

[2]田其丰.框架结构橡胶垫基础隔震系统研究[D].西北工业大学，2004.