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天津喜邦建筑工程设计有限公司 天津 300000
【摘 要】高层建筑的结构设计始终是人们讨论和关注的焦点。本文研究了高层隔离系统的组成、技术原理及其特殊性，最后根据高层建筑结构的特点，讨论了高层建筑结构的设计方法。
【关键词】高层隔震结构；组成；原理；设计方法
一、前言
隔震建筑的抗震能力较强，特别适合在高烈度地区、对抗震安全性和使用功能有较高要求或专门要求的建筑。由于隔震设计及所采用的材料与以往的设计习惯有很大的不同，因此有必要对高层隔震设计中需注意和考虑的问题进行研究。
二、高层基础隔震技术原理
传统的抗震结构是通过结构和构件来抵抗并消耗地震能量的，设计时将地震作用力作为一种外加荷载，与作用在结构上的其他荷载进行组合来设计和验算结构是否满足设计和使用要求。隔震建筑则增加了专门的变形和耗能装置：橡胶隔震支座和阻尼器（如铅阻尼器、油阻尼器、钢棒阻尼器、粘弹性阻尼器、滑板支座等）橡胶隔震支座具有提供竖向承载能力、弹性得位能力、良好的变形能力等特性此外铅芯橡胶隔震支座同时还具有消耗地震能量的耗能特性。另一方面，传统的抗震结构体系中，低层抗震建筑的周期延长到2-5秒，有效地降低了结构的地震加速度反应。
采用隔震技术，上部结构的地震作用一般可减小3-6倍，地震时建筑物上部结构的反应以第一振型为主，类似于刚体平动，基本无反应放大作用，通过隔震层的相对大位移来降低上部结构所受的地震荷载。按照较高标准设计和采用基础隔震措施后，地震时上部结构的地震反应很小，结构构件和内部设备都不会发生破坏或丧失正常的使用功能，在房屋内部工作和生活的人员不仅不会遭受伤害，也不会感受到强烈的摇晃，强震发生后人员无需疏散，房屋无需修理或仅需一般修理。从而保证建筑物的安全甚至避免非结构构件如设备、装修破坏等次生灾害的发生。
三、案例分析
昆明市东川区某商住楼小区，设防烈度为9度（0.40g），设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.4s，抗震设防类别为丙类。小区共13栋高层建筑，1栋建筑为14层，其余为17层，高度均在50m以上，最高为53.7m。地上部分建筑面积约13万m2，为云南省9度区已经建成的最高隔震建筑。本文介绍其中一栋17层的建筑，其1，2层层高为3.6m，标准层层高为3m，室内外高差为0.45m。剪力墙厚度为200，300mm，标准层框架梁尺寸为300×600，200×600，200×500，隔震层顶部梁尺寸为400×700，700×1000，隔震层混凝土强度等级为C50，上部结构混凝土强度等级为C50～C30。建筑隔震支座剖面见。
四、隔震结构设计
为使隔震设计更具有可操作性，且结合设计人员的设计习惯，我国相关规范、规程对隔震设计采用分部设计法，即将隔震设计分为上部结构设计、隔震层（隔震装置）设计、下部结构设计（支墩、支柱及相连构件、地下室和隔震塔楼下的底盘）、基础设计等。
1、两种软件模型对比
工程采用SATWE软件对上部结构进行了多遇地震下的振型分解反应谱法分析，采用ETABS软件进行了设防地震、罕遇地震下的隔震结构时程分析，且为保证计算模型的准确性，对两种软件的非隔震结构在设防地震下的结构反应进行了对比分析。两种软件计算得到的质量、周期差异很小，各层间剪力（除顶层外）差异也很小，结果表明分析模型是可靠的，能够作为设计、计算分析的依据。
2、上部结构竖向地震作用
结构所受的地震作用，既有水平分量也有竖向分量。目前采用的橡胶隔震支座对水平地震作用向上部结构输入的减小效果明显，但对竖向地震作用的减小效果较差，导致隔震后上部结构的竖向地震作用有可能会大于水平地震，因此竖向地震的影响不可忽略。采用分部设计法进行上部结构设计时，大多采用PKPM系列软件，其竖向地震作用与水平地震影响系数最大值相关。上部结构设计时采用隔震后的水平地震影响系数，将导致与其相关的竖向地震作用不满足要求。因此，为确保竖向地震作用按照规范的要求取值，需对竖向地震作用进行调整。一种方法是直接调整竖向地震作用分项系数，另一种方法是调整“地震影响系数最大值αmax”与“全楼地震作用放大系数β”。
3、高层隔震结构的设计的分类
地震对建筑物的破坏作用，是由于地面运动激发建筑物强烈振动所造成的，也就是说，破坏的能量来自地面，通过基础向上部结构传递。人们总结地震经验发现，地震时结构底部的有限滑动能大幅度地减轻上部结构的破坏程度，因此在建筑物上部结构与基础之间以及上部建筑层间设置隔震层，利用软弱隔震层的大变形来减少地震能量的输入，减少地震地面运动对上部结构的影响（隔震一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右），从根本上减少地震对人身安全、建筑物及其室内重要设备的破坏，以达到防震的目的。隔震措施主要包括基础隔震和层间隔震。基于可动概念的基础隔震方案主要有以下几种：
（一）软垫式隔震
软垫式隔震是在房屋底部设置若干个带铅芯的钢板橡胶块隔震装置，使整个房屋坐落在软垫上。与传统结构相比，在结构底部设置软垫式隔震装置的楼房在遭遇地震时，楼房底面和地面之间产生相对水平位移，房屋自振周期加长，主要变形都发生在软垫处，上部结构层间侧移变得很小，从而保护结构免遭破坏。
（二）滑移式隔震
滑移隔震体系是指在上部结构和建筑物基础之间设置一个滑移面，并在滑移面上使用摩擦系数较小的摩擦材料（钢珠、石墨等），允许建筑物在发生地震时相对基础作整体水平滑动，使结构与基础解锁，起到隔离地面运动的作用。同时建筑物在滑动过程中通过摩擦耗散了地震能量，有效限制能量向上传递和向下反馈，从而达到减震的效果。
（三）摆动式隔震
摆动式隔震是将基础支撑在可摆动的短柱群或桩基上，或者将基础设计成底部呈球状的整体，并在基础侧面采用圆形弹簧作为阻尼器。在地震作用下，基础可产生一定的倾向和摆动，即以低的刚度控制结构的反应，延长自振周期，从而减轻地震作用。此种摆动隔震方式实际上是柔性底层概念的改进和引伸。
（四）悬吊式隔震
悬吊式隔震是将整个结构物悬挂在巨型钢架或钢筋混凝土内筒上，地震时，悬挂物和支撑协同工作，从而大幅度减少建筑物所受到的地震惯力。其中应用最广泛的是多层悬挂楼板结构，主要用于公共和生活建筑。层间隔震是结构隔震与抗震相结合的一种方法，它是在原结构上安装由质量和隔震支座组成的耗能减震装置，地震时，耗能减震机构吸收并消耗地震能量，从而减小原结构的地震反应。上部隔震部分结构对下部抗震部分也具有反作用。
五、结束语
目前，国内有关高层隔震建筑物在设计和施工方面的研究仍然相当欠缺，在这一领域存在较大的技术空白，一定程度上阻碍了高层隔震建筑的发展。而对于已经完成的研究报告仍有待各有关部门的探讨和评估，并且接受生产实际的检验，使研究的成果得以展现，最终能应用于高层隔震建筑物结构的设计审查、隔震消能材料的认证与认证机制以及评定机构的指定工作中来。
参考文献：
[1]付伟庆，王焕定，丁琳，于德湖.规则型高层隔震结构实用设计方法研究[J].哈尔滨工业大学学报，2007，10：1541-1545.
[2]杜东升，王曙光，刘伟庆，王浩亮.高层隔震结构非线性地震响应分析及设计方法研究[J].防灾减灾工程学报，2010，05：550-557.
[3]商昊江.高层钢筋混凝土基础隔震结构减振研究[D].福州大学，2011.
【摘 要】高层建筑的结构设计始终是人们讨论和关注的焦点。本文研究了高层隔离系统的组成、技术原理及其特殊性，最后根据高层建筑结构的特点，讨论了高层建筑结构的设计方法。
【关键词】高层隔震结构；组成；原理；设计方法
一、前言
隔震建筑的抗震能力较强，特别适合在高烈度地区、对抗震安全性和使用功能有较高要求或专门要求的建筑。由于隔震设计及所采用的材料与以往的设计习惯有很大的不同，因此有必要对高层隔震设计中需注意和考虑的问题进行研究。
二、高层基础隔震技术原理
传统的抗震结构是通过结构和构件来抵抗并消耗地震能量的，设计时将地震作用力作为一种外加荷载，与作用在结构上的其他荷载进行组合来设计和验算结构是否满足设计和使用要求。隔震建筑则增加了专门的变形和耗能装置：橡胶隔震支座和阻尼器（如铅阻尼器、油阻尼器、钢棒阻尼器、粘弹性阻尼器、滑板支座等）橡胶隔震支座具有提供竖向承载能力、弹性得位能力、良好的变形能力等特性此外铅芯橡胶隔震支座同时还具有消耗地震能量的耗能特性。另一方面，传统的抗震结构体系中，低层抗震建筑的周期延长到2-5秒，有效地降低了结构的地震加速度反应。
采用隔震技术，上部结构的地震作用一般可减小3-6倍，地震时建筑物上部结构的反应以第一振型为主，类似于刚体平动，基本无反应放大作用，通过隔震层的相对大位移来降低上部结构所受的地震荷载。按照较高标准设计和采用基础隔震措施后，地震时上部结构的地震反应很小，结构构件和内部设备都不会发生破坏或丧失正常的使用功能，在房屋内部工作和生活的人员不仅不会遭受伤害，也不会感受到强烈的摇晃，强震发生后人员无需疏散，房屋无需修理或仅需一般修理。从而保证建筑物的安全甚至避免非结构构件如设备、装修破坏等次生灾害的发生。
三、案例分析
昆明市东川区某商住楼小区，设防烈度为9度（0.40g），设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.4s，抗震设防类别为丙类。小区共13栋高层建筑，1栋建筑为14层，其余为17层，高度均在50m以上，最高为53.7m。地上部分建筑面积约13万m2，为云南省9度区已经建成的最高隔震建筑。本文介绍其中一栋17层的建筑，其1，2层层高为3.6m，标准层层高为3m，室内外高差为0.45m。剪力墙厚度为200，300mm，标准层框架梁尺寸为300×600，200×600，200×500，隔震层顶部梁尺寸为400×700，700×1000，隔震层混凝土强度等级为C50，上部结构混凝土强度等级为C50～C30。建筑隔震支座剖面见。
四、隔震结构设计
为使隔震设计更具有可操作性，且结合设计人员的设计习惯，我国相关规范、规程对隔震设计采用分部设计法，即将隔震设计分为上部结构设计、隔震层（隔震装置）设计、下部结构设计（支墩、支柱及相连构件、地下室和隔震塔楼下的底盘）、基础设计等。
1、两种软件模型对比
工程采用SATWE软件对上部结构进行了多遇地震下的振型分解反应谱法分析，采用ETABS软件进行了设防地震、罕遇地震下的隔震结构时程分析，且为保证计算模型的准确性，对两种软件的非隔震结构在设防地震下的结构反应进行了对比分析。两种软件计算得到的质量、周期差异很小，各层间剪力（除顶层外）差异也很小，结果表明分析模型是可靠的，能够作为设计、计算分析的依据。
2、上部结构竖向地震作用
结构所受的地震作用，既有水平分量也有竖向分量。目前采用的橡胶隔震支座对水平地震作用向上部结构输入的减小效果明显，但对竖向地震作用的减小效果较差，导致隔震后上部结构的竖向地震作用有可能会大于水平地震，因此竖向地震的影响不可忽略。采用分部设计法进行上部结构设计时，大多采用PKPM系列软件，其竖向地震作用与水平地震影响系数最大值相关。上部结构设计时采用隔震后的水平地震影响系数，将导致与其相关的竖向地震作用不满足要求。因此，为确保竖向地震作用按照规范的要求取值，需对竖向地震作用进行调整。一种方法是直接调整竖向地震作用分项系数，另一种方法是调整“地震影响系数最大值αmax”与“全楼地震作用放大系数β”。
3、高层隔震结构的设计的分类
地震对建筑物的破坏作用，是由于地面运动激发建筑物强烈振动所造成的，也就是说，破坏的能量来自地面，通过基础向上部结构传递。人们总结地震经验发现，地震时结构底部的有限滑动能大幅度地减轻上部结构的破坏程度，因此在建筑物上部结构与基础之间以及上部建筑层间设置隔震层，利用软弱隔震层的大变形来减少地震能量的输入，减少地震地面运动对上部结构的影响（隔震一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右），从根本上减少地震对人身安全、建筑物及其室内重要设备的破坏，以达到防震的目的。隔震措施主要包括基础隔震和层间隔震。基于可动概念的基础隔震方案主要有以下几种：
（一）软垫式隔震
软垫式隔震是在房屋底部设置若干个带铅芯的钢板橡胶块隔震装置，使整个房屋坐落在软垫上。与传统结构相比，在结构底部设置软垫式隔震装置的楼房在遭遇地震时，楼房底面和地面之间产生相对水平位移，房屋自振周期加长，主要变形都发生在软垫处，上部结构层间侧移变得很小，从而保护结构免遭破坏。
（二）滑移式隔震
滑移隔震体系是指在上部结构和建筑物基础之间设置一个滑移面，并在滑移面上使用摩擦系数较小的摩擦材料（钢珠、石墨等），允许建筑物在发生地震时相对基础作整体水平滑动，使结构与基础解锁，起到隔离地面运动的作用。同时建筑物在滑动过程中通过摩擦耗散了地震能量，有效限制能量向上传递和向下反馈，从而达到减震的效果。
（三）摆动式隔震
摆动式隔震是将基础支撑在可摆动的短柱群或桩基上，或者将基础设计成底部呈球状的整体，并在基础侧面采用圆形弹簧作为阻尼器。在地震作用下，基础可产生一定的倾向和摆动，即以低的刚度控制结构的反应，延长自振周期，从而减轻地震作用。此种摆动隔震方式实际上是柔性底层概念的改进和引伸。
（四）悬吊式隔震
悬吊式隔震是将整个结构物悬挂在巨型钢架或钢筋混凝土内筒上，地震时，悬挂物和支撑协同工作，从而大幅度减少建筑物所受到的地震惯力。其中应用最广泛的是多层悬挂楼板结构，主要用于公共和生活建筑。层间隔震是结构隔震与抗震相结合的一种方法，它是在原结构上安装由质量和隔震支座组成的耗能减震装置，地震时，耗能减震机构吸收并消耗地震能量，从而减小原结构的地震反应。上部隔震部分结构对下部抗震部分也具有反作用。
五、结束语
目前，国内有关高层隔震建筑物在设计和施工方面的研究仍然相当欠缺，在这一领域存在较大的技术空白，一定程度上阻碍了高层隔震建筑的发展。而对于已经完成的研究报告仍有待各有关部门的探讨和评估，并且接受生产实际的检验，使研究的成果得以展现，最终能应用于高层隔震建筑物结构的设计审查、隔震消能材料的认证与认证机制以及评定机构的指定工作中来。
参考文献：
[1]付伟庆，王焕定，丁琳，于德湖.规则型高层隔震结构实用设计方法研究[J].哈尔滨工业大学学报，2007，10：1541-1545.
[2]杜东升，王曙光，刘伟庆，王浩亮.高层隔震结构非线性地震响应分析及设计方法研究[J].防灾减灾工程学报，2010，05：550-557.
[3]商昊江.高层钢筋混凝土基础隔震结构减振研究[D].福州大学，2011.