高层建筑隔震设计方案六篇

高层建筑隔震设计方案 篇1

建筑隔震结构具有安全可靠、有效减震、节省造价、适用性广和检修方便等优点。结构经过隔震后使用周期延长, 地震作用明显减小, 从而有效降低建筑体上层结构的反应。对比非隔震结构, 隔震结构通常能将水平地震加速度降低60%左右。在隔震研究的逐步深入以及工程技术实践的长期累积, 我国多层建筑隔震技术已逐步走向成熟。近年来国内外也开始进行高层建筑隔震的研究和应用。高层建筑虽然基本周期较长, 但由于高阶振型减震效果明显, 也使得高层隔震建筑具有良好的减震效果, 特别是高层隔震建筑顶部加速度显著降低。为了引导推进高层隔震建筑在国内的应用, 《建筑抗震设计规范》GB50011-2010 (以下简称《抗规》) 也对隔震设计的结构类型放松限制, 删除了2001版中“基本周期小于1s和采用底部剪力法进行非隔震设计的结构”的规定。本文考虑高层隔震建筑特点, 对高风压高烈度地区某高层隔震建筑进行了三种隔震方案设计, 对比分析三种隔震方案的减震效果, 讨论了三种隔震方案优劣, 提出了高风压地区高层建筑隔震设计建议。

1 工程概况

某高层住宅楼为框架-剪力墙结构, 建筑类别为丙类建筑。建筑总高度为84.6m, 高宽比2.74, 地上28层 (不包括隔震层) , 带两层裙房, 地下室2层。隔震层层高为1.6m, 1层层高4.7m, 2~27层层高为2.9m, 28层层高为4.5m。柱子截面尺寸主要有800mm×800mm, 700mm×700mm, 600mm×600mm和400mm×400mm, 混凝土等级为C50~C30。隔震层梁截面尺寸主要为800mm×800mm和300mm×700mm, 混凝土等级为C35。上部结构梁截面尺寸主要有400mm×700mm, 350mm×700mm, 300mm×800mm, 300mm×700mm, 300mm×600mm和200mm×500mm, 混凝土等级为C35~C30。剪力墙厚度为400~200mm, 混凝土等级为C50~C30。隔震层楼板为200mm, 顶层楼板厚度为120mm, 中间楼层板厚为100mm, 楼梯间板厚150mm, 混凝土等级为C35~C30。结构设计使用年限为50年。主要设计依据:1场地土的类型为中硬场地土, 场地类别II类, 设计地震分组第三组;2基本风压按50年一遇的基本风压采用, 取0.55k N/m2, 地面粗糙度B类;3区域抗震基本烈度8度, 设计基本地震加速度0.3g。该工程隔震层位于地下室顶面, 隔震支座均在同一标高, 隔震设计目标为上部结构地震作用和构造均按降一度考虑。

2 隔震方案设计

目前国内常用隔震设计方案主要是采用带铅芯和不带铅芯的叠层橡胶支座以及粘滞阻尼器配合使用。隔震层抗风装置主要利用带铅芯的叠层橡胶垫或配合使用金属阻尼器。

2.1 三种隔震方案

第一种采用带铅芯和不带铅芯的叠层橡胶支座, 即目前国内常用的隔震方案, 其中抗风承载力主要由铅芯提供, 隔震支座布置如图1所示。第二种采用带铅芯叠层橡胶支座、不带铅芯叠层橡胶支座和摩擦滑板支座混合隔震, 即在方案一基础上, 将裙房非铅芯支座L27、L30、L35、L37、L38、L39、L40、L41、L46、L47、L49和L50全部换成摩擦滑移支座, 其中抗风承载力由带铅芯叠层橡胶支座和滑移支座二者共同提供。第三种是在第一种方案基础上将L11、L17、L28和L31换成不带铅芯的叠层橡胶支座, 并且隔震层两个方向分别安装4个破坏荷载为250k N的专门抗风装置。该抗风装置在风荷载作用下和铅芯共同提供抗风承载力, 当地震作用超过其破坏荷载时退出工作, 布置位置如图1所示。三种方案隔震支座布置时应尽量使得结构质心和刚心尽量重合, 并使结构抗扭刚度尽量大。各支座力学参数见表1所示。

计算表明三种方案隔震支座性能验算 (包括压应力验算、拉应力验算、最大位移验算和层回复力验算) 均满足规范要求, 抗风承载力均大于风荷载设计值。三种方案对比见表2所示。

采用ETABS对三种隔震方案进行分析, 上部结构采用弹性模型和刚性隔板假定, 取地下室顶部为嵌固端, 隔震单元采用非线性连接单元。考虑叠层橡胶支座拉压刚度不等, 取受拉刚度为受压刚度的1/7倍, 在ETABS中采用ISOLATOR1单元和GAP单元组合模拟, 摩擦滑移单元采用ISOLATOR2模拟, 专门抗风装置在地震作用下失效, 所以计算模型中不予考虑。结构动力特性分析采用RITZ法求解振型。地震作用时程分析采用FNA法。计算时先采用非线性重力荷载工况加载, 在保持重力荷载作用下, 分别施加不同工况地震作用, 分析过程考虑二阶重力荷载效应。

根据《抗规》5.1.2条规定, 本工程选取了5条实际地震波和2条人工模拟地震波加速度时程, 结果显示7条时程平均反应谱与规范反应谱较为接近 (结构前几阶周期处) 。基底剪力对比结果如表3所示, 可知均能满足规范要求。

2.2 减震效果分析

对比分析非隔震结构和三种隔震结构动力特性, 计算在设防烈度的地震作用下, 各结构的楼层剪力、倾覆弯矩、层间位移角和楼层加速度, 对比三种隔震方案的减震效果。

2.3 周期对比

对比非隔震结构和不同方案隔震结构前三阶振型的周期、方向和参与系数, 各模型前两阶振型为平动, 第三阶振型为扭转。由表4可知, 隔震结构周期均明显大于非隔震结构。从方案设计中可知方案二和方案三隔震层刚度都比方案一隔震层刚度小。因此, 方案二和方案三的周期均大于方案一的周期。方案二的周期比 (即第一扭转周期与第一平动周期比值) 比方案一和方案三大, 可见方案二的扭转效应比方案一和方案三明显。

3.4楼层剪力、倾覆弯矩对比

《抗规》中采用楼层剪力比和楼层倾覆弯矩比 (即隔震结构楼层剪力、弯矩与非隔震结构楼层剪力、弯矩的比值) 作为高层隔震建筑减震效果的评价指标, 即减震系数。且当减震系数小于0.4时, 上部结构构造措施可以降低一度。图2和图3对比了三种方案两个方向的减震系数, 由图可知, 三种方案均具有很好减震效果;方案二和方案三的大部分楼层减震效果均优于方案一, 特别是倾覆弯矩比优势更明显;三种方案顶部出天面小塔楼减震系数相对其他楼层均较大, 在Y向上都超过了0.4, 但该层在设计中考虑鞭梢效应的影响会有所加强, 所以可以不考虑该层减震系数;方案一和方案二天面层Y向倾覆弯矩比超过了0.4, 而方案三满足小于0.4的要求。在上部结构设计中方案一和方案二顶部天面层楼层构造措施不应降低。

2.5 层间位移角对比

根据原结构和三种隔震结构层间位移角计算结果可知, 三种隔震结构层间位移角均明显小于非隔震结构, 隔震效果明显。分别将三种隔震结构层间位移角比非隔震结构层间位移角, 得到三种隔震结构的层间位移角比, 如图4所示, 可知方案二和方案三的大部分楼层层间位移角减震效果均优于方案一。

2.6 楼层加速度对比

通过原结构和三种隔震结构楼层加速度计算结果可知, 三种隔震结构楼层加速度均明显小于非隔震结构, 隔震效果明显。分别将三种隔震结构楼层加速度比非隔震结构楼层加速度, 得到三种隔震结构的楼层加速度比, 如图5所示, 可知方案三的大部分楼层加速度的减震效果优于方案一;方案二在X向楼层加速度比与方案一和方案三相比变化较大, 主要是由于方案二隔震支座布置形式导致隔震层Y向刚心偏移较多, 上部结构扭转效应增加, 进而使得X向地震作用下楼层加速度变化较大, 相比之下Y向刚心变化不大, 楼层加速度变化与方案一和方案三较为一致。

2.7 隔震方案讨论

该高层建筑处于高烈度地区, 采用隔震技术能够取得很好的安全性和经济性。但该地区风压很大, 使得国内传统隔震设计中隔震层设计需要较多带铅芯的叠层橡胶支座, 导致隔震层刚度过大, 上部结构减震效果降低, 部分楼层减震效果不能达到设计目标。采用专门抗风装置和滑板支座均是在保证隔震层抗风要求, 减小隔震层刚度, 使得上部结构取得较好的减震效果。按照《抗规》进行设计时, 方案三可以保证上部全部楼层减震系数均小于0.4的要求, 但是方案三需要专门的抗风装置, 该装置性能的研究还很少, 技术不够成熟。方案二将高层建筑裙房的隔震支座采用滑板支座, 由于裙房柱底压力小, 从而滑板等效水平刚度也小, 一定程度减低了隔震层刚度, 且具有较好的经济性, 但国内对滑板支座应用于建筑隔震中的研究还比较少。方案一是国内常用的隔震设计方案, 该方案用于低风压地区普遍适用, 而在高风压地区可能因为隔震层刚度过大, 导致上部结构个别楼层减震效果达不到设计目标的要求。此时建议修改设计目标, 允许个别楼层抗震构造措施不降低。

3 结论

本文对高风压高烈度地区某高层隔震建筑进行了三种隔震方案设计, 对比分析三种隔震方案的减震效果, 讨论三种隔震方案优劣, 提出高风压地区高层建筑隔震设计建议。研究结构表明:

(1) 高风压高烈度地区高层建筑隔震设计时, 通过合理设置滑板支座代替叠层橡胶支座或是采用专门抗风装置, 都能有效减小地震作用时隔震层刚度, 提高上部结构减震效果, 更容易达到设计目标。

(2) 国内滑板支座和专门抗风装置研究还很少, 有必要进行深入的研究, 以适应高风压高烈度地区高层隔震建筑的发展。

(3) 高层减震隔震设计时, 应允许各别楼层减震系数超过0.4, 但该楼层抗震构造措施不应降低。

参考文献

[1]日本建筑学会.隔震结构设计[M].刘文光译.北京:地震出版社, 2006.

[2]GB 50011-2010, 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.

[3]CECS 126:2001, 叠层橡胶支座隔震技术规程[S].北京:中国工程建筑标准化协会, 2001.

[4]CECS 160:2004, 建筑工程抗震性态设计通则 (试用) [S].北京:中国计划出版社, 2004.

[5]JG 118-2000, 建筑隔震橡胶支座[S].北京:中国建筑工业出版社, 2000.

[6]GB20688.3-2006, 橡胶支座第3部分:建筑隔震橡胶支座[S].北京:中国标准出版社, 2007.

高层建筑隔震设计方案 篇2

关键词：高层建筑,隔震技术,耐震建筑物

1 地震这一自然灾害的破坏性极强, 而我国的地理位置又处于环太平洋地震带附近, 所以国内的建筑物必定要具有很强的防震性。

以往我国建筑商主要在建筑物的强度和韧性方面下功夫来增强建筑物的耐震性。在吸取世界其他常受地震灾害的国家的震后教训后, 我国也吸收了世界建筑业的新型耐震技术——隔震技术和消能技术。这两种技术现在在建筑防震领域发挥了很大的作用。尤其是我国在2008年的四川汶川大地震后, 这两种防震技术更是被广泛的运用。

1.1 耐震建筑物

通常我们在设计建筑物之前要充分考虑建筑物的耐震性能。要保证建筑物的主体可以承受中小程度的地震强度, 允许建筑物在承受地震时发生塑性变形, 而韧性需求不得超过容许韧性容量, 并且充分假设最大地震强度时建筑物的最大韧性以将地震的破坏能力降到最低。

1.1.1 中小度地震:

这里提到的中小度地震是指地震的重现期为30年, 并且在50年之内的地震强度不可能大于此地震强度的可能性仅在百分之二十左右的地震。由于此类地震的发生频率较高, 所以要求房屋在筑造的过程中必须有相应的防震措施, 以保证房屋在地震时其韧性可以达到地震摇晃所带来的力量。一旦房屋在地震中受到破坏, 想要对之进行震后修复就比较困难, 这不仅会带来很大的经济损失还会对人民的安全生活带来极大的威胁, 就高韧性容量的建筑物而言其耐震设计会受其影响。

1.1.2 设计地震:

是指地震的重现期为475年, 而在五十年内地震强度超过它的可能性仅为百分之十左右。建筑物在受到此类地震强度的影响下只允许产生轻微破坏以保证不会带来人民的生命和财产威胁。而那些建筑意义非同一般的建筑物, 回归期更长。若要保持房屋在此类地震强度影响下能够保持房屋构造的基本结构不受影响, 可以采取一些措施以增加房屋的韧性, 如在筑造房屋时, 在某些指定位置加入塑铰, 这是一个既经济又实用的方法, 加入的塑铰可以再地震过程中大大缓解地震时带来的破坏力量。只有将房屋的韧性严格控制在房屋允许的韧性范围内才能保证房屋在遭遇地震时不会受到极其严重的破坏。

1.2 隔震建筑物

在基面增加了隔震层的建筑物成为隔震建筑物。它的工作特征是利用很多隔震零件加长建筑物的周期来减小发生地震时的破坏力度。伴随着周期的加长, 房屋的位移数也会增长, 因此再配合消能组件, 提高系统的阻尼比, 进而降低位移量。施工中最为流行的隔震组件是lrb, 这个组件中添加了铅心, 其作用是消能, 依靠靠橡胶层受水平剪力作用时具有低劲度来拉长周期。Lrb的使用期限很长, 而且性能持久, 它的工作能力强, 尤其是在消能方面可以进行多次工作。

隔震层的上层结构硬于隔震层是各镇建筑物的另一个特征。所以, 由于软硬程度的区别, 当建筑物遭遇地震的破坏时, 上层建筑会因其质地硬而变位量小于质地软的隔震层。故我们有时把上部结构视为刚体。

1.3 消能建筑物

所谓效能建筑物就是利用对建筑物添加阻尼器来进行消能的建筑物。消能组件概分为位移型、速度型与其它型式。位移型消能组件显现刚塑性、双线性或三线性迟滞行为, 且其反应需与速度及激振频率无关。速度型消能组件因不同的阻尼比、劲度及材料可分为:包含固态与液态之黏弹性组件及液态黏滞性组件。第三类则含括所有不属于位移型与速度型的消能组件。

2 世界各国隔震建筑物发展现况

目前, 随着人们对地震的了解愈加深刻, 各国人民普遍认识到隔震技术是一种有效的防震减灾的技术。各式各样的隔震建筑物被建造, 而且隔震建筑物的结构格式日趋多样化, 这些带有新技术的隔震建筑物在历经多级大地震后凸显了它们的隔震减灾性能, 得到了人们的认定。

3 耐震建筑与隔震建筑造价比较

日本实验者做了大量的数据采集工作, 结果表明:在高度为25米以下的建筑物造价比较中, 隔震建筑物约为耐震建筑物的105%-109%;在高度为25米至31米的建筑物造价比较中, 隔震建筑物约为耐震建筑物的102%-104%;但是, 在高度为31米以上的建筑物时, 隔震建筑物的造价就相对而言比较低了, 是耐震建筑物的99%-103%左右。此外, 我们还对结构造价进行比较, 数据显示, 在所有的防震建筑物中, 由于办公室约为总建筑费用的百分之十八;旅馆约占总建筑费用的百分之十三;医院则仅占总费用的百分之八。总结而言, 建筑意义愈大愈应使用隔震建筑技术。

4 隔震建筑新趋势

高层与超高层隔震建筑物, 目前日本最高隔震建筑物为位于大阪城之西梅田超高层计划, 地下1层, 地上50层, 屋突2层, 基础隔震, 楼高177.4m, 高宽比5.8:1, 隔震型式有滑动支承, 积层橡胶垫, 及u型钢板消能器+fluid damper。

5 超高层隔震建筑物设计技术

超高层隔震建筑物设计技术主要需要考虑以下因素:

5.1 长周期建筑物之隔震效果

隔震技术最明显的技术优势是可以延长建筑物基本振动周期。但一般情况下的振动周期大于三秒, 即使延长至五秒甚至超过五秒, 两者加速度反应相差有限。但是在增加阻尼比降低地震位移反应, 则有其贡献。

5.2 倾覆作用造成隔震组件受拉力

隔震组件必须具有很强的耐拉性。

5.3 风力作用

在地震级别小或者风的作用下, 建筑物的隔震组件能否继续保持其原有性能还需要日后继续研究。

结语

我国也是世界上多地震的国家之一, 百分之七十八的国土面积都需要进行抗震设防, 而隔震技术则是一种经济有效的防震减灾技术。虽然, 它的体制还西药进一步健全, 但由其原理名了、结构简单、造价低等技术优势, 必然会在日后得到长足的发展, 但就现有技术水平还未能达到可以安全面对最大等级的地震水平, 所以, 就目前情况而言, 我们更要对人们的生命财产负责, 采取更为保守的作为。

参考文献

[1]庞伟萍从防震角度看高层建筑结构设计[J].中华民居, 2012 (6) .

高层建筑隔震设计方案 篇3

关键词：高层建筑 组合 隔震 方法 应用

1 基础隔震结构的动力体系设计

在高层建筑结构设计中，基础隔震结构一般安装在楼层上部结构水平面宽度较小而楼层之间刚度较大、楼层高度在三十层以下的楼房建筑中。假如该楼房上部结构水平面宽度较大而不同楼层之间刚度又很小、楼层数量又较大，这时候的楼房上部结构就是多质点的隔震结构体系，需要采取相应的多质点隔震模型，而且另外还要想办法防止隔震结构出现扭转和发生倾覆等意外情况。

如果发生强烈地震，高烈度地区的地震冲击波产生强作用力，高层建筑组合隔震层的上部结构就会由于剧烈颠簸和摇晃而产生弯曲和变形，破坏楼层的稳定性，使得高层建筑有坍塌的危险。所以对于位于强地震带和高烈度地区的高层建筑要采用橡胶材料的隔震结构，因为橡胶隔震结构中的隔震支座在冲击波作用下会产生一定的拉应力或者发生轻微的非线性变形，从而保证高层建筑结构的整体安全和稳定。对于高层建筑结构的组合隔震体系而言，如果隔震层上部结构倾覆弯矩太大的话，发生的水平地震作用力就会使得隔震层转动起来，加大隔震结构在垂直方向的负载，那么该高层建筑隔震层就会发生较为突出的纵向变形。因此，在考虑高层建筑基础隔震结构的动力体系时，一方面要考虑到隔震结构的转动，另一方面还要考虑到隔震结构的多质点平动受力，最好是采用多质点摆动加平动隔震计算模型。

2 高层建筑结构的组合隔震的设计要求

首先，高层建筑结构的组合隔震设计要按照该建筑抗震的级别要求、防烈度的等级要求、建筑施工场地的状况、建筑使用目的和用途、建筑的整体设计方案等综合情况来讨论隔震的可行性、技术性和经济性，最终确定一套完整可行的隔震方案。其次，在高层建筑结构的隔震目标上，应该规定采用组合隔震设计的高层抗震效果至少高于一般抗震建筑。水平地震隔震结构在安全储备上要比抗震结构在防烈度方面至少高出半个值。同时纵向抗震措施也不能减弱。在对高层建筑的组合隔震部件要求上，要对部件性能要求有明确规定；通过试验先确定每个隔震组成部件的耐久性和具体设计参数；先进行抽样采集检测各种零部件的原型类型和规格，然后再去安装，采集和抽样的数量不少于三个，抽样合格率必须保证是100%；隔震部件要便于安装、检查和更换。

3 高层建筑组合隔震的设计方案

首先，高层建筑组合隔震装置的選取原则是要保证有足够的横向变形和纵向承载能力，这样当大的地震发生时，隔震层能够较为稳定安全地把高层建筑物支撑起来，防止楼层因为受到冲击而失去重心，保持其稳定的隔震作用。高层建筑组合隔震层设计上的重点之一是橡胶隔震支座的平均拉应力和压应力限值，无论是在可变的负载作用下还是永久性负载作用下，橡胶隔震支座组合的纵向平均压应力设计值都不能超过限值。如果高层建筑隔震层橡胶支座产生拉应力，那就说明隔震层的上部结构有被颠覆的危险和可能，所以要在设计时考虑到这一点。

设计时还要考虑到高层建筑组合隔震层必须满足一定的水平刚度，这样当有强风来袭时，因为隔震层的初始刚度够硬，即便发生强度较大的地震，隔震层也能通过柔性的变形来降低地震的水平作用力，防止楼房倒塌。

除了保证良好的自动回位功能以外，高层建筑组合隔震层的上部结构质心要和横向刚度保持一致。纵向刚度要能够满足在纵向负载的作用下，纵向位移保持在安全范围之内。除此之外，高层建筑组合隔震的阻尼和刚度必须保持稳定，变化范围越小越好。

隔震装置的变形和受力在满足规定要求的同时还要具有一定的抗老化、防徐变、经久耐用的性能，这样能够保证建筑物在使用期限内发挥良好的隔震作用。

其次，关于高层建筑隔震层的平面设置原则。高层建筑组合隔震层最好设置在楼房第一层下面地基顶面或地下室顶板的位置，保证有很好的对称效果，隔震层最好安装在楼房受力较大的位置，而且保持适当的间距。

最后，关于水平地震作用下高层建筑组合隔震层的验算方案。按照隔震层相关力学原理和参数，当不同强度的地震来临时，隔震层的等效阻尼比和等效刚度，按照动力时程分析的方法，选用相应的隔震计算模型来验算，并拿隔震结构和不隔震结构分别在地震频繁发生时的反应和很少地震发生时的反应进行分析和对比。

4 结语

实践证明，在高层建筑组合隔震结构中采用橡胶垫隔震既有它的经济性优势，同时还有良好的隔震性能。这种隔震结构一方面能够通过隔震作用的发挥使得建筑稳定，从而在地震发生时保障人民群众的生命财产安全不受到威胁；另一方面还能够帮我们节省地震受灾后灾区重建和维修高额的成本和巨额的费用。因此，在高层建筑设计中要采用橡胶垫隔震支座装置，同时用多质点平动体系分析地震反应，用多质点平动加摆动计算隔震模型，用动力时程分析法验算地震到来时高层建筑组合隔震结构体系的动力反应。

参考文献：

[1]高俊江，熊仲明.高层隔震结构现存问题及改进策略[J].建筑结构学报，2010（S2）.

[2]王曙光，杜东升，刘伟庆.高层建筑结构隔震设计关键问题[J].南京工业大学学报（自然科学版），2009（01）.

高层建筑隔震有哪些设计要求？ 篇4

，

(2)设防目标：采用隔震设计的房屋建筑，其抗震设防目标应高于抗震建筑。在水平地震方面，隔震结构具有比抗震结构至少高0.5个设防烈度的抗震安全储备。竖向抗震措施不应降低。

(3)隔震部件：设计文件上应注明对隔震部件的性能要求；隔震部件的设计参数和耐久性应由试验确定；并在安装前对工程中所有各种类型和规格的部件原型进行抽样检测，每种类型和每一规格的数量不应少于3个，抽样检测的合格率应为100；设置隔震部件的部位，除按计算确定外，应采取便于检查和替换的措施。

建筑结构隔震橡胶支座 篇5

关键词：隔震橡胶支座,基本特性,制造工艺,安装

引言

在雅安地震中, 距震中区10 km处的芦山县城地震烈度为8~9度之间, 该地区抗震设防烈度为7度, 很多建筑遭受到不同程度的破坏, 而芦山县人民医院新建成的门诊综合楼却几乎完好无损。该建筑为框架结构, 设计抗震设防烈度为7度, 为澳门特别行政区援建项目。震后整个建筑的梁、柱、板等结构构件基本无损, 建筑外立面不仅墙面没有开裂, 而且连瓷砖也几乎没有脱落, 外窗玻璃也未震碎。也就是说, 该建筑在7级地震的作用下, 不仅整体结构保持完好, 而且内部装修、设备和外部装修完好无损, 在震后照常运转, 为及时救治伤员发挥了很大的作用。究其原因, 主要是采用了橡胶隔震支座, 消耗了大部分的地震能量, 才使得上部结构免遭震害。

橡胶隔震支座的基本原理是通过在建筑物基础与上部结构之间设置橡胶支座, 使得地震作用下建筑物的自振周期能够延长, 可使建筑物在地震作用时的水平加速度降低50%~60%, 从而减轻上部结构的地震作用效应, 达到减小震害的目的。通常的做法是在下部结构 (基础) 与上部结构 (主体) 之间设置隔震层来改变结构整体的动力特性。一般地震的振动周期大多在0.1~1 s之间, 隔震支座因为水平刚度较小, 可延长上部结构的振动周期至3 s以上, 使建筑物因地震而产生的加速度反应大量减小, 从而达到保护建筑结构物的目的。在地震作用下, 橡胶片产生弹性变形, 通过弹性位移吸收地震作用力, 隔震支座中的钢板层对橡胶层竖向变形起约束作用, 使支座具有很高的竖向承载能力, 同时又不影响橡胶的水平柔性, 使得其有良好的水平变形能力和复位能力, 从而提高建筑物的抗震能力。这种橡胶隔震支座体系在技术上已经基本成熟, 应用方便, 在建筑耗能减震领域前景广阔。

1 隔震橡胶支座的基本特性

橡胶支座是由若干层薄橡胶板和若干层薄钢板交替叠合, 经高温、高压硫化而成。目前工程中使用的大部分为扁圆柱体形状, 如图1所示。

隔震橡胶支座中橡胶层与夹层钢板紧密粘结, 具有以下特性:

1.1 竖向承载能力特性

橡胶支座能有效地支承上部结构, 即使在发生较大变形的情况下也能正常工作而不发生失稳破坏。隔震橡胶支座中橡胶层与钢板层紧密粘结在一起, 上部结构自重及使用荷载产生的竖向力传到支座时, 橡胶板产生横向变形, 但同时要受到钢板层的约束, 使得橡胶层处于三向受力的状态, 而钢板本身又是一种不可压缩的材料, 使得橡胶支座具有较强的竖向承载力和刚度。工程中常用的橡胶支座的竖向承载力一般在100 MPa以上, 考虑到轴压承载力安全系数, 实际工程中其设计轴压应力在15 MPa以上, 作为建筑物的竖向支承绝对安全。

1.2 水平隔震特性

橡胶支座具有一定的水平刚度和变形能力, 通过水平错动, 能延长整个结构体系的自振周期, 削减地震能量向上部结构的传递。建筑物在小震水平力作用时, 橡胶支座的初始刚度就可以确保建筑物的安全;在中、强震水平力作用时, 橡胶支座的橡胶层产生水平错动, 同时产生内摩擦。随着支座水平变形的增大, 水平刚度有所降低。橡胶支座具有的水平力学性能, 能为橡胶支座在正常工作状态下提供必要的水平刚度, 为上部结构的安全提供了保障。地震发生时, 橡胶支座的水平刚度降低, 使得隔震层形成刚度薄弱层, 产生较大变形, 上部结构同时产生的是平动, 而不是普通建筑在地震作用下产生的摆动和扭转效应, 从而使得地震对上部结构的效应减小。

1.3 复位特性

橡胶支座具有一定的水平弹性恢复能力, 使隔震结构体系在地震中具有瞬时自动“复位”功能。地震后, 能使上部结构回到原来的状态, 满足继续使用的要求。

1.4 耐久性

橡胶支座是隔震的关键部件, 材料本身必须具有良好的耐久性。橡胶支座的橡胶原料采用耐氧化和耐疲劳的氯丁、天然橡胶或三元乙丙橡胶, 钢板采用精轧不锈钢板, 使之具有很好的耐老化性能和抗疲劳性能。一般民用建筑的设计基准期为50年, 橡胶支座在合理使用、合理维护的情况下, 其耐久性能应至少大于建筑物的设计基准期。

2 隔震橡胶支座的制造工艺

2.1 材料的选择

根据隔震支座的使用要求, 主体材料为性能较好的天然橡胶, 应满足以下几个方面的要求:

(1) 橡胶材料的抗撕裂性要好, 伸长率要大。

(2) 橡胶层与钢板层的粘合性能要好。

(3) 厚度较大的隔震垫需长时间硫化, 橡胶不能发生硫化返原现象。

(4) 支座中心的铅棒纯度要高, 可以提高橡胶支座早期的刚度, 这样在水平位移下可以起到阻尼的作用。

2.2 橡胶支座的制造工艺

制造工艺是隔震橡胶支座能够在工程中可靠工作的关键。支座由多层橡胶与多层钢板叠层组合, 经各工艺程序制成, 能够满足较高的力学性能要求。实际工程中对抗震隔震垫性能的要求高, 故其工艺要求特别高, 任何一道工序不严谨, 都会造成橡胶垫力学失稳, 从而失去隔震作用。橡胶支座在工艺方面需要注意以下几个方面:

(1) 产品不能过硫, 更不能欠硫。

(2) 内部胶层的厚度要均匀。

(3) 胶层内部不能有气泡, 否则会直接影响与钢板的粘合性。

2.3 产品的制造工艺流程

隔震橡胶支座的制造工艺流程为:圆形胶片涂胶粘剂钢板→组装入模→模压硫化→卸模→中孔灌铅→测试→装联结板→检查→刷保护层→标志→出厂。

3 隔震橡胶支座的安装

3.1 下埋板的安装

利用起重设备将预埋板吊运至设计部位;在可调螺栓对应的位置放置垫块。根据所放轴线及控制线, 调整下埋板位置, 偏差须≯5 mm;调节可调螺栓, 使下埋板位于同一水平面, 并且埋板水平度≯3‰, 水平度利用高精度水平尺在双向同时进行检查;用Φ≮14 mm的短钢筋将下埋板锚筋与基础竖向主筋焊接固定;在埋板固定牢固后, 旋转可调螺栓, 取出垫块。将螺栓连接孔用胶带贴严实, 防止混凝土进入。混凝土浇筑完毕, 立即校核下埋板的水平度, 如不满足要求需立即进行调整。

3.2 安装橡胶支座及上埋板

混凝土浇筑48 h后, 用起重设备将橡胶支座本体吊到固定位置, 按照厂吊点 (连接板上预留的吊装螺孔) 安装吊具, 严禁使用连接螺孔起吊, 以免对连接螺孔造成损伤;用高强螺栓将连接板牢固地与上、下预埋板连接, 高强螺栓应对称拧紧, 拧紧过程分为初拧、复拧、终拧3个阶段, 并在同一天完成。

4 经济效益分析

4.1 短期效益分析

据统计, 公共类建筑物设防烈度每提高1度, 将增加造价20%左右, 使用隔震技术将节约这部分投资。购置隔震装置的费用加上安装费用占总投资的5%左右。抗震规范规定, 采用隔震设计可以降低烈度, 主体结构所承受的地震作用将减小, 抗震等级也可能降低, 这样结构构件的截面尺寸、构件的配筋等也将减少, 即混凝土和钢筋用量均随之减少, 降低了结构的造价。同时, 在采用隔震支座降低烈度后, 建筑物的层数和高度可能增加, 带来直接的经济效益。

据统计, 非公共建筑在9度区采用隔震设计工程造价明显降低;8度区工程造价略有降低或持平, 但结构的可靠度明显提高;在6度、7度区采用隔震设计, 工程造价略有增加或持平, 但结构的可靠度显著提高。

4.2 长远效益分析

从长远的角度分析, 即考虑未来该建筑可能遭遇较大地震的情况。传统的建筑遭遇地震时, 其经济损失包括直接经济损失和间接经济损失两方面。直接经济损失是指地震后建筑物损坏需加固维修和重建的费用, 间接经济损失是指由地震造成的建筑物、设备和电力等损坏导致的不能正常工作和生产所带来的经济损失。地震所带来的直接经济损失是显而易见的, 而间接经济损失也是非常巨大的, 地震发生后的间接经济损失往往大于其直接经济损失。采用隔震技术后, 建筑物在遭遇较大地震时, 建筑及室内设备不损坏或轻微损坏, 仍可继续工作, 从根本上避免或降低了直接经济损失, 同时有效地降低了间接经济损失。隔震建筑具有传统抗震建筑无法比拟的经济效益。

5 隔震橡胶支座的发展前景

5.1 结构设计理论成熟

橡胶支座的结构设计已经有一套完整的计算理论, 专业人员能够根据橡胶支座的设计承载力、竖向刚度、水平刚度、阻尼比等力学性能的要求, 通过理论计算, 确定橡胶支座的有效承载直径、钢板厚度、橡胶板厚度、层数、支座高度等指标参数。

5.2 生产工艺技术稳定

目前, 我国已经能够生产不同物理性能和力学性能要求的工程橡胶, 有成熟的生产工艺和胶料配方, 能够满足工程使用的要求。

5.3 构造简单, 施工方便

橡胶支座是由薄钢板与薄橡胶板叠合模压硫化而成, 具有支承、复位、阻尼等功能, 结构简单。安装时只要按竖向标高和平面位置与上下构件连接, 便能进行施工安装, 十分方便。

5.4 应用范围广泛

隔振技术对多层和低层建筑物比较合适, 在高层建筑中也有应用。橡胶支座可安装在不同标高的位置上, 并且遇到不均匀沉降时, 橡胶支座仍能正常工作。

6 结语

建筑隔震橡胶支座是集支承、复位、阻尼等功能于一身的新型隔震装置, 橡胶材料的物理性能、支座的力学性能等均能达到工程要求, 在竖向与水平地震作用下保持稳定。支座设计理论成熟, 安装操作方便, 是一种有效的隔震措施, 具有良好的经济效益和社会效益。但是, 目前这种技术在我国的应用还具有一定的局限性, 其原因主要是隔震垫价格较高, 人们对这种技术认识不够以及我国建筑的使用寿命较短, 隔震垫的综合效益得不到体现。相信随着人们对隔震技术认识的不断提高, 橡胶隔震支座将对我国的建筑业带来深远的影响, 其应用前景一片光明。

参考文献

[1]GB 50011—2010, 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.

[2]王东平, 张燕, 李永刚.建筑隔震橡胶支座的原理及工艺研究[J].中国橡胶, 2009, 25 (3) :31-35.

高层建筑隔震设计方案 篇6

随着我国高层建筑的飞速发展, 人们对自身居住的条件要求逐渐上升至坚固耐用。由于现阶段世界范围内生态平衡受到了严重的破坏, 导致自然灾害产生的频率逐渐提升, 为了提升人们的居住安全及和谐家园的实现, 促使建筑工程逐渐朝安全的领域发展, 而抗震体系则是其中最为关键的一项, 能进一步将人们受到自然灾害的影响降至最低。

1 建筑工程抗震技术的发展及现状

1.1 建筑工程抗震技术的发展

从20世纪初开始, 工程抗震防灾技术在日本被提出, 主要从静力理论逐渐向柔性结构体系发展, 促使结构体系的刚度得到有效的减少。随后又逐渐向上部结构强度增大、结构底层刚度减少的柔性底层结构体系方向发展。最后发展至现阶段世界范围内所广泛运用的延性结构抗震体系, 通过发展, 传统抗震技术沿用至今, 从而形成具有较为完善的抗震防灾技术, 并在许多情况下发挥着有效的作用。

1.2 建筑工程抗震技术的现状

现阶段, 抗震技术、总工技术、隔震技术以及耗能减震技术的发展已经处于成熟阶段, 并在试点工程中得以运用及推广。

2 高层建筑结构设计的原理

对于现代高层建筑来说, 建筑结构逐渐向纤细的方向发展, 与传统的大体积高层建筑相比, 现代高层建筑会有容易产生侧移的现象。随着建筑物的逐渐增高, 自然界则会有越大的重力荷载、风荷载以及地震荷载的现象形成。因此为了使该类荷载的结构作用抵消, 高层建筑中的设计发挥着关键作用。通过对结构体系的改进以及对建筑形式的合理选择, 促使高层建筑中侧向荷载的动力反应得到有效的控制。所以, 高层建筑的形式及结构对建筑的经济性造成一定的影响。而建筑所能对荷载进行承受并对侧移现象进行抵抗的效果则被称之为是建筑的结构性, 同时又对建筑中各体量的组成发挥着决定性的作用。

从表面看来, 在空间方面, 建筑的表现形式主要是对总体环境进行表现的。在整个建筑物的最初设计时, 设计人员过多的是对建筑的空间构成特点进行考虑, 而不是对它的具体结构进行确定。其次, 从建筑物空间形式来看, 要求设计人员应对建筑形式中荷载和抗力之间存在的关系进行有效的分析, 也就是所谓的结构概念。其包含的内容主要包括以下两方面:首先, 应在固定的地面上对所设想的空间形式进行确定。其次, 设想出的空间形式应确保对水平风力作用的地震作用进行抵抗。因此, 在对高层建筑进行设计的过程中, 设计人员应协调结构工程师以及工程技术人员, 严格按照建筑的功能要求、建筑目的、工程现场的实际情况、外力作用条件、施工条件以及施工效率等方面进行分析, 促使所设计出的建筑方案满足经济、合理、美观的要求。

3 高层建筑结构设计中存在的特殊性

1) 高层建筑结构设计的决定因素是水平荷载。主要表现为:首先, 在竖构件中, 楼房自重及楼面使用荷载形成的轴力及弯矩的数值与建筑高度的一次方成正比。在竖构件中, 结构受到水平荷载形成的倾覆力矩和轴力与建筑高度的两次方成正比。其次, 在大体上对于具有一定高度的建筑物, 其竖向荷载通常属于定值, 而水平荷载中的分荷载以及地震作用, 会由于结构动力特性的不同, 其素质也会出现较大的变化。

2) 高层建筑结构设计中的关键是结构侧移。随着楼房高度的进一步提升, 水平荷载作用下会有较大的结构侧移变形现象发生, 促使在水平荷载的作用下, 应在某一限度内将结构位移进行制约。

3) 在设计中最为重要的指标结构延性发挥着关键作用。与较低建筑物进行对比可以看出, 高层建筑物具有一定的柔性。当地震发生时, 会有较大的变形出现。为了满足在塑性变形阶段中, 结构仍能保持较强的变形效果, 防止倒塌现象发生, 关键在构造上进行一定的改善, 促使结构发挥一定的延性性能。

4 高层建筑隔震体积的特点

1) 高层建筑的隔震技术中, 应对高振型分量的影响进行关注, 禁止盲目地采用结构第一振型为主的方法对建筑物上部结构的反应进行确定。

2) 在水平地震力的作用下, 高层及超高层建筑结构会有较大的倾覆力矩存在。当强大的地震及强风到来时, 导致隔震支座有拉应力产生。而隔震支座拉应力的避免及控制应得到广泛关注。

3) 由于高层及超高层建筑具有较长的自振周期, 因此, 应对高层及超高层建筑隔震的基本周期进行一定的延长, 促使隔震达到更为有效的效果。在强震及大风作用下, 应对隔震支座的低弹性及较大的变形能力进行开发及研究, 在工程建设中发挥着有效的作用。

5 高层建筑中基础隔震系统的构成

在建筑物的基础及上部结构之间进行隔离层的设置, 则是建筑的基础隔震体系。主要将建筑物划分为上部结构、隔震层以及下部结构三部分。地震能量通过下部结构逐渐向隔震层传递, 而地震能量中的较大一部分被隔离层中设置的隔震装置进行吸收, 会有较少一部分会向上部结构进行传递。促使地震产生的作用得到有效的减轻, 进一步使建筑物的安全性能得到提升。通过对隔震技术的分析, 现阶段基础隔震技术逐渐朝系统化、实用化的方向发展, 主要有摩擦滑移系统、叠层橡胶支座系统以及摩擦摆系统等方面。而现阶段在建筑工程中最为常见的则是叠层橡胶支座隔离系统。该隔离系统具有较为稳定的性能, 其构成主要通过专业的硫化工艺粘结实现, 对其结构、配方以及工艺进行设计时存在一定的特殊性, 可以归纳为橡胶厚制品中的一种。而橡胶隔振支座中最为常用的主要包括:天然橡胶支座、铅芯橡胶支座以及高阻尼橡胶支座等。

6 高层基础隔离技术的应用原理

对于传统的抗震结构来说, 地震能量的抵抗及消除的关键是通过结构及构件实现的。在设计过程中, 地震作用力发挥着外加荷载的效果, 结合在结构上其他荷载的作用, 对设计及验算结构进行分析, 看其是否符合设计及使用要求。在高层建筑的隔震技术中对专门的变形及耗能装置进行了增加:橡胶隔震支座、阻尼器。其中橡胶隔震支座主要发挥着竖向承载性能提供、弹性能力以及较强的变形能力等作用。其次, 铅芯橡胶隔震支座还发挥着较强的对地震能量进行消耗的作用。另外, 在传统的抗震结构中, 较低建筑物的地震周期会有2~5 s的延长, 有效地促使结构中地震加速反应现象的降低。

在隔震技术应用过程中, 通常上部结构的地震作用会有3~6倍的减小, 在地震出现时, 将第一振型作为建筑物上部结构的反应, 对于干刚体平动, 通常不会有放大反应的效果。隔震层的大位移能够促使上部结构所受的地震荷载现象得到降低。在对基础隔震措施进行设计及使用的过程中应严格按照较高的标准进行, 在处理过后遇到地震时, 会对上部结构发挥较小的反应, 不仅不会对结构构件及内部设备造成破坏, 而且对在建筑物中生活及工作的人员也不会有伤害发生。地震过后无需对人员进行疏散。促使建筑物的安全得到有效保障, 从而避免设备、装修等非结构构件出现破坏现象。

7 高层建筑基础隔震技术的经济效益

对于橡胶隔震垫来说, 不仅发挥着有效的隔震性能, 而且还具有较低的技术成本, 使建筑工程节约了成本。与一般建筑结构相比, 高层建筑的基础隔震会有较高的工程费用存在, 主要包括隔震构件的配备、隔震层以上楼面、设计及施工费用等。若采用传统的建筑结构对上部结构进行抗震设计时, 会促使建筑的总体费用得到提升。合理的隔震结构设计不仅能充分发挥相应的性能, 在地震发生时保障人们的生命及财产安全, 而且还能节省大批灾后维护的巨额费用。

8 结语

随着隔震技术的进一步完善及推广, 使强地震来临时人们居住的安全性能得到保障, 有效的减轻地震灾害的损失。该技术在高层建筑中被广泛应用, 从而在防震减灾工作中发挥着重要的作用。

摘要：从工程抗震技术着手, 对隔震技术中存在的特点和建筑工程中隔震技术的应用进行了详细的探讨。