浅谈高层建筑结构中的基础隔振体系设计

浅谈高层建筑结构中的基础隔振体系设计摘要：隔震技术主要应用于使用功能有特殊要求的建筑及抗震设防烈度为8、9度的建筑。隔震是指在建筑物与上部结构之间设置隔震层，把房屋结构与基础隔离开来，隔离地面运动能量向建筑物的传递，以减小建筑物的地震反应，实现地震时建筑物只发生轻微运动和变形，从而保证建筑物的安全。其主要特征是地震时继续保持建筑物的性能，即地震时不仅要确保建筑结构上的安全，还要使作用于建筑物上的水平重力加速度尽可能小，避免室内设施、器具、物品等移动翻到，现在这种技术在我国已基本发展成熟。关键词：高层建筑;结构设计;隔震体系;技术建筑的诞生之初就被认为是技术与审美融合的产物。这就意味着一个好的建筑，它必经得起适用性、经济性与美观性这三重考验。而伴随着高层建筑在我国的迅速发展和建筑高度的不断增加，高层建筑的安全性，坚固耐用性亦成为人们所追求的目标。一、高层建筑的结构与设计理念现代的高层建筑变得越来越纤细，产生更大侧移的可能性比以往大体积的多层高楼要大。建筑愈高，自然界所产生的重力荷载、风荷载和地震荷载的影响愈大。正因为如此，抵消这些荷载的结构作用成为高层建筑设计的一个重要方面。高层建筑对侧向荷载的动力反应，可以通过改进结构系统以及选择有效建筑形式的措施加以控制。因此，高层建筑的形式在很大程度上和结构的有效性有关，这也就决定了建筑的经济性。建筑的结构性能可以定义为建筑承受荷载以及抵抗侧移的能力，同时也决定着建筑各体量的组成。从表象层面看，建筑表现为空间方面的概念的形式是表现总体环境的。对于某个建筑物最初方案设计．建筑师考虑更多的是它的空间组成特点，而不是详细地确定它的具体结构。但是，关于空间形式的整体设想，也要求建筑师必须考虑建筑形式中有关荷载与抗力之间关系的某些准则．即结构概念。这包括以下几方面：一是所设想的空间形式应当固定在地面上。二是所设想的空间形式必须能抵抗水平风力作用的地震作用。所以，在进行高层建筑设计时，建筑师的基本任务是；一方面要与结构工程师及其他工程技术人员协调合作，另一方面要根据建筑功能要求、建筑立意，场地情况、外力特征，施工条件及效率等因素，寻找出最经济、合理、美观的建筑方案。二高层建筑结构设计的特殊性(一)水平荷载成为决定因素。一方面。因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比，而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。(二)轴向变形不容忽视。高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续粱弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大，还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整。另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。(三)侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。(四)结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。三、高层隔震体系的特殊性高层、超高层陨震体系与常规的隔震体系相比，具有特殊性。首先对高层隔震建筑，上部结构不能满足刚体运动的假定，高振型反应分量的影响不能忽视，不能简单地以结构第一振型为主确定上部结构反应；二是由于高层、超高层结构的水平地震力产生的倾覆力矩比较大，在较大地震和强风作用下，隔震支座可能会有拉应力的出现，如何避免和控制隔震支座的拉应力是一个问题。三是高层、超高层的自振周期都比较长，所以必须进一步延长高层、超高层隔震建筑的基本周期，以达到更好的隔震效果。低弹性、大变形能力的隔震支座的开发和性能研究是在强震和强风作用下的各种分析，具有较高的研究价值和重大的工程意义。四、高层基础隔震系统组成基础隔震建筑体系通过在建筑物的基础和上部结构之间设置隔震层，将建筑物分为上部结构、隔震层和下部结构3部分。地震能量经由下部分结构传到隔震层，大部分被隔震层的隔震装置吸收，仅有少部分传到上部结构，从而大大减轻地震作用，提高隔震建筑的安全性。经过人们不断的探索，如今基础隔震技术已经系统化、实用化，它包括摩擦滑移系统，叠层橡胶支座系统、摩擦摆系统等。目前工程最常用的是叠层像胶支座隔震系统。这种隔震系统．性能稳定可靠，采用专门的叠层橡胶支座作为隔震元件，该支座是由一层层的薄钢板和橡胶相互盛置，经过专门的硫化工艺粘合而成，其结构、配方、工艺需要特殊的设计，属于一种橡胶厚制品。目前常用的橡胶隔震支座有：天然橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等。五、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。六、设计性能目标大地震时具有高安全性是隔震建筑的特点，因此隔震设计以建设地区大地震的烈度为基准，以建筑本身及室内物品无损坏为目标确定抗震性能指标。非隔震的下部结构及基础部分(桩、挡土墙、地下室等)也要求有一定抗震能力，在大地震中结构基本保持在弹性范围以内。抗风性能。由于隔震建筑水平刚度小容易产生微小晃动，应考虑季节风等带来的不适，还会出现因风压而使隔震层的阻尼装置失效或高衰减的叠层橡胶的隔震效果降低等情况。因此风压产生的水平振动可能会有损建筑的使用性及隔震部件的耐久性。此外，罕遇的大台风也会使隔震层产生大的变形，所以要求隔震层具有抗风性。七、隔震装置布置在隔震建筑的设计中，原则上应使隔震层所有隔震构件的刚心与上部结构的重心一致，不产生扭转。但是，由于建筑物的不规则和柱网尺寸的限制，仅靠柱下配置的隔震支座会产生隔震层的刚心与上部结构的重心不一致。采用与隔震支座独立的阻尼器设计，在阻尼器的弹性范围内，可以使隔震层的刚心与上部结构的重心一致，避免隔震层的振动扭转。如果阻尼器布置在建筑外周，抑制扭转变形的效果更好。总之，国内外对高层建筑采用隔震技术的需求不断增多，高层隔震也成为隔震技术发展的新趋势。本文建筑设计论文对隔震关键设计提出了建议，对高层隔震设计中的关键问题进行了研究，希望对高层建筑基础隔震结构设计提供借鉴。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．类似干刚体平动，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。