1、概述高层隔震结构设计方法摘要：文本介绍了高层隔震结构体系的应用历史及现状，阐述了高层隔震结构存在的问题，并提出改进策略，以保证高层建筑的正常运行。关键词：高层；隔震；结构设计；方法 中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号： 引言 目前，隔震技术已经较为成熟，成为很重要的一种结构控制技术。采用基础隔震技术建造的现代建筑已经遍布全世界，我国及欧美一些国家已颁发了隔震结构的技术规程，可以预测的是，基础隔震技术将越来越多地用于不同形式的结构上和越来越高的建筑上，以保证建筑物内的人员安全、财产安全或设施的正常运行。 1 高层隔震结构体系的应用历史及现状 近年来，高层和超高层隔震结构体系的研
2、究和应用在世界各国逐渐得到了重视，也代表了现阶段隔震技术的发展方向，国外在不少高层建筑中也采用隔震技术。在我国，随着大量的高层超高层建筑不断涌现，也开始了高层建筑隔震的研究和应用 截至 2001 年底，全国 9 层以上高楼超过 66 万幢，其中 100 米以上的超高层建筑 850 幢，据中国建筑学会统计，截至 2004 年底，150 米以上超高层建筑 153 幢。隔震技术在高层建筑中应用的合理性来源于多个方面，其中比较主要的方面在于隔震层同时也是绝好的消能减震层，结构的大部分变形集中在隔震层，使得隔震层中阻尼器的消能作用具有更高的效率 在隔震层造价增加不很显著的情况下，无疑具有更好的经济性，并
3、且不需要外部能源，技术成熟，易于工程实现。 抗震规范规定，建筑结构隔震设计的计算分析，一般情况下宜采用时程分析法进行计算。 时程分析法能计算出结构线性和非线性地震反应随时间的变化规律，但需要借助计算机程序进行计算，设计计算比较繁琐。现在应用的非线性分析程序有 ETABS 和隔震计算程序 3D-BASISTABS1.1 等。在隔震结构的方案设计阶段，或对一些特殊的隔震房屋，用简化的计算方法就显得更方便有效， 抗震规范给出了一种隔震结构的简化计算方法，适用于多层砌体结构及与砌体结构周期相当的钢筋混凝土结构，结构体系规则，变形基本为剪切型，建筑场地土为一、二、三类，对工程设计人员而言，概念清晰，计算
4、简单的设计方法更易于为他们接受和使用，但对于高层隔震结构，因结构变形有多阶振型和弯曲变形的参与，显然采用隔震结构的简化计算方法不合适。国内对高层隔震结构设计这方面的研究不成熟。 2 高层隔震结构存在的问题及改进策略 2. 1 高振型作用 在高层隔震结构的等效模型方面, 文献 3对规则型隔震结构上部单自由度模型进行分析并给出了计算公式; 文献 4也给出了相应的公式。各种中低层规则型隔震建筑, 应用此公式可获得满意的结果。近来隔震技术逐渐被应用到高层建筑中。对于高层隔震结构体系, 上部结构的高阶振型效应不能忽略，应用单自由度模型将产生较大误差。有些研究将高层结构等效为上部结构两个自由度和隔震层一个
5、自由度组成的三自由度模型,其中文献 3给出了上部结构两质点的质量和两质点距基底高度比的详细的计算方法。此模型采用上部结构周期和总基底剪力相等的准则, 推导了等效模型的结构参数公式, 并通过数值模拟分析给出了等效模型简化确定方法。文献 5通过实例分析表明, 与两质点简化模型比较, 三质点简化模型更好地等效了原结构。计算得到的各种反应量都接近于对原结构的计算结果。并且随着结构高度的增加, 结构的高阶振型的影响将变得突出, 三质点模型的优越性能得到显现。另外, 两质点总质量模型相对于等效质量模型, 隔震层反应加大, 上部结构反应变小。 2. 2 大高宽比作用 目前对大高宽比隔震建筑领域的研究较少,
6、仅对隔震房屋抗倾覆稳定性和隔震结构高宽比限值进行了一些研究: 有些文献对多层基础滑移房屋滑动抗倾覆稳定性判定, 给出了抗倾覆问题的关键参数和判定条件。有关文献采用基础摩擦隔震屋高宽比限值的研究给出了基础摩擦隔震的高宽比限值。计算数据表明高宽比较大的隔震结构体系, 上部结构层间剪力的计算结果偏小, 其原因在于各计算模型隔震层仅考虑了其剪切特性, 忽略了隔震层转动对上部结构层间剪力的影响。 有些研究采用简化计算对模型高宽比为 5. 01 的隔震结构实际工程进行了地震反应分析, 分析结果表明: 剪切型简化计算模型计算得到的层剪力系数、层间剪力、隔震层和上部结构层间变形, 经高宽比影响系数修正后的结果
7、与时程分析法计算结果相比, 一致性较好, 能满足精度要求; 忽略大高宽比隔震结构体系隔震层转动影响的简化剪切型计算模型, 经高宽比影响系数修正后, 能够和时程分析法计算结果精度相当。 高宽比影响系数克服了大高宽比隔震结构体系由于计算模型造成层间剪力偏小的缺陷, 同时使大高宽比隔震结构体系能够应用简化计算模型得到较好的地震反应分析结果, 其计算量与时程分析法相比较小, 在隔震结构设计初期或验算大高宽比隔震结构隔震层位移、上部结构层间变形和层间剪力、层剪力等方面实用性较强。 2. 3 平移-扭转耦合作用 结构在地震作用下除了发生平移振动外, 有时还会发生扭转振动。引起扭转振动的原因有:地面运动存在
8、着转动分量, 或地震时地面各点的运动存在着相位差, 这些都属于外因; 结构本身不对称, 即结构的质量中心与刚度中心不重合。震害调查表明, 扭转作用会加重结构的破坏, 并且在某些情况下还将成为导致结构破坏的主要因素。 结构刚度退化不均匀, 当结构进入非弹性反应时, 在地面运动水平分量作用下, 本来是规则、对称结构, 也会出现随变形状态变化的偏心。偶然偏心距, 由于施工误差、使用荷载的分布不均等致使刚度、质量、几何尺寸、荷载等不完全与计算值相同时, 可能出现偏心。而隔震结构平扭耦联地震反应的影响因素研究还不够完善。 高层结构设置了隔震装置后, 不仅平动时的动力反应大为降低, 还能有效地降低降低扭转
9、效应。但是对于非规则的超高层结构其平移-扭转耦合作用的影响是不可忽略的。归纳得出隔震层偏心率和上部结构偏心率、质量偏心和隔震层阻尼对非比例阻尼隔震结构平扭偶联地震反应的影响的结论: (1)随着非比例阻尼隔震建筑的隔震层偏心率的增大, 将引起隔震层和上部结构的扭转转角显著增大。上部结构的偏心率的增大, 引起上部结构层间水平位移和上部结构的扭转转角增加, 且上部结构的偏心率越大, 上部结构层间水平位移增加越显著。 (2)隔震层偏心率的变化对建筑的整体扭转变形有显著影响。当隔震层的刚心靠近整个结构的质量中心时, 结构的扭转变形得到很好的抑制, 减小了质量偏心对结构扭转的影响。因此, 在实际布置隔震垫
10、时, 应尽量使隔震层刚心接近整个结构的质量中心。 (3)当隔震层的阻尼比 0. 2 时, 隔震结构的扭转变形减小效果不明显。 3 结束语 目前，应尽快发展基于性能的隔震结构设计方法，主要工作之一是研究隔震建筑绝对加速度响应的计算方法，在理论分析的基础上，结合我国实际情况，提出一套简单实用的高层隔震结构设计方法是需要深入研究的问题。 参考文献 1党育, 杜永峰, 李慧. 基础隔震结构设计及施工指南M. 北京: 中国水利水电出版社, 2007. 2李红梅. 基础摩擦滑移隔振结构分析 D. 保定:河北农业大学, 2001. 21-24. 3李中锡, 周锡元. 规则型隔震房屋的自振特性和地震反应分析方法 J. 地震工程与工程振动, 2002,22( 2): 33-41. 4付伟庆, 刘文光, 王建, 等. 高层隔振结构的等效简化模型研究 J. 地震工程与工程振动, 2005, 25( 6): 142-143.
