高层建筑结构设计中的隔震减震措施

高层建筑结构设计中的隔震减震措施

赵松涛

香格里拉市住房和城乡建设局 674400

摘要：随着城市化进程的加快，高层建筑在我国得到了广泛的应用。但是，高层建筑也面临着来自地震等自然灾害的威胁。为保证高层建筑的安全性能，通过采取隔震减震等措施以提高其抗震性能刻不容缓。本文针对高层建筑结构设计中的隔震减震技术进行了详细探讨。首先从隔震减震的工作原理入手，分析了其实现减小地震力的基本方式。然后，结合具体工程实例，分析了不同隔震减震系统的优缺点及实际应用情况。最后，对进一步推广隔震减震技术，提升高层建筑抗震水平提出了建议。

关键词：高层建筑；结构设计；隔震技术；减震技术

引言：我国处于地震多发地区，高层建筑遭遇强震时容易发生倒塌事故，因此提高其抗震性能刻不容缓。隔震减震技术能有效控制建筑结构在地震作用下的反应，是保障高层建筑安全的重要手段。为此，有必要深入研究隔震减震技术在高层建筑结构设计中应用现状和存在问题，以期提出切实可行的优化措施。

一、隔震技术在高层建筑结构设计中的应用

（一）隔震原理

隔震技术的基本思路是在建筑物的底部设置一个连续的“隔震层”，使建筑物分为上下两个子结构。上部结构通过隔震层与下部结构（基础）隔离开来，当地震发生时上部结构与下部结构可以发生较大的相对位移和变形。隔震层由一系列具有吸能功能的支承构成，常用的有铅芯橡胶支座、摩擦支座等。这些隔震支座具有一定的延性、阻尼和吸能能力，可以吸收和消散地震输入能量，有效控制上部结构的地震反应，起到保护上部结构的作用。

隔震技术的工作原理是通过隔震层吸收输入地震能量来控制上部结构的反应。当地震发生时，由于上部结构与下部结构在水平方向的刚度存在差异，使得上部结构基本保持弹性，而输入的地震能量主要由隔震层的塑性变形来吸收。隔震层中的隔震支座会发生明显的剪切变形或其他非弹性变形，从而达到上部结构与下部结构明显隔离的效果。隔震层吸收的能量越多，则传递到上部结构的能量就越少。这种通过“断层”隔离上部结构和下部结构的设计思路，与传统抗震理念形成鲜明对比，从根本上减少了地震的破坏作用。

隔震技术的关键是合理选择隔震周期。增大隔震周期可以更有效减小上部结构地震反应，但隔震层位移也会增大。因此，设计时需根据上部结构刚度、设防烈度合理确定隔震周期，实现两者的最佳平衡。此外，隔震支座的性能直接影响隔震效果的发挥。支座的延性、阻尼、耐久性及其各向同性等参数必须完全满足工程需要，确保能提供足够的吸能容量。

（二）隔震系统

隔震系统由上部结构、隔震层和下部结构三个子系统组成。上部结构通常采用框架结构或框剪结构体系，要求上部结构整体刚度和抗侧力强度充足，避免发生局部或整体稳定失效。常用的结构材料有钢筋混凝土和钢结构，也有采用合成材料的。上部结构的设计应充分考虑附加质量的影响，根据隔震层位移和加速度反应采取必要的补强措施。隔震层设置于上部结构与下部结构之间，是发挥整个隔震系统效用的关键。隔震层由一系列粘弹性隔震支座组成，支座产生形变来吸收地震输入的能量，实现上下部结构的隔离。常用隔震支座可分为整体式钢支座、层状橡胶支座和离心摆支座三类。整体式钢支座利用支座本身的屈服和弹塑性工作来达到消能的目的；层状橡胶支座依靠橡胶的剪切和形变发挥支座的隔震减震功能；离心摆支座中则主要利用摆锤的摆动来吸收地震能量。三种支座各有特点，应根据工程实际情况精心选择。离心摆支座对位移容量要求较高；橡胶支座对温度和频率响应灵敏。下部基础采用传统基础形式，要求具有足够的承载力、刚度和侧向稳定性，以适应上部隔震运动的需要。此外还需要考虑基础与土体互制的影响。下部结构在隔震设计中要充分注意避免发生各种不稳定失效。隔震系统的关键指标是隔震周期，直接影响到隔震性能的发挥。增大隔震周期可以有效减小上部结构的加速度，但会增加层间位移。

（三）隔震技术优缺点

隔震技术的主要优点是：可以有效控制上部结构的加速度反应与内力反应，减小地震的破坏作用，保护结构和内容物的安全。特别适用于设防烈度高、结构抗侧力性能差的高层建筑。隔震技术成本相对较低，施工方便。主要缺点是：需要保证上部结构与下部结构侧向刚度，避免发生失稳；对下部结构位移变形能力要求较高；对隔震层的滑动位移需要预留足够空间。此外，目前关于隔震技术的参数优化设计也需要进一步完善。

（四）高层建筑隔震案例

国内外已经出现了一些采用隔震技术的高层建筑工程实例。例如位于日本东京的旧东京城市大厅，总高243米，于1991年建成启用。该建筑采用了层状橡胶支座隔震技术，设置在高4.5米的隔震层中。1995年发生级别为7.2的大地震时，这些建筑内的移动物体只发生轻微位移，而建筑本身则无任何损伤，充分发挥了隔震层的消震作用，验证了高层建筑采用橡胶支座隔震技术的效果。除此之外，沈阳市民中心也采用了类似的橡胶支座隔震技术，充分利用了支座的延性抗震。此外，旧金山的传说大厦、上海金茂大厦都采用了支座式及摆锤混合隔震技术。这些工程实例表明，隔震技术在提高高层建筑抗侧性能、控制结构震害方面独特的优势。值得更多重大或设防烈度高的高层建筑工程积极采用和吸收这些成功经验，以有效防范和减轻地震灾害损失。

二、减震技术在高层建筑结构设计中的应用

（一）减震原理

减震技术是针对建筑结构的抗侧力性能不足的情况，通过在结构中设置专门的减震部件或系统，当地震作用输入时，这些减震部件或系统可以发生屈服或弹塑性变形，从而吸收和消耗一定的地震输入能量，达到减小地震力对上部结构的破坏作用，保护建筑和内容物安全的目的。这种利用建筑本身的耗能能力来抵消地震作用的设计思想，与依靠提高结构本身的抗侧力强度和刚度来抵抗地震的传统设计概念不同，它更经济合理。减震系统产生减震效果的关键机制在于减震部件特殊的力-位移关系曲线，这种非线性的关联系数使其在一定的设计地震烈度下能发生屈服或弹塑性应变，这样就可以吸收相当部分的地震输入能量。减震器可以采用各种材料和构造形态，目前常用的有质量阻尼减震器、粘弹减震器、铅芯橡胶支座等。这些减震器根据材料参数和几何尺寸的不同，对地震波频率内容敏感的程度也有差别。

（二）减震措施

高层建筑采用减震技术的主要措施包括设置摇动轴、减震段落和减震墙等。设置摇动轴是最常用的减震手段之一，其思路是在建筑的底部某一楼层故意减小水平刚度并布置能够发生屈服变形的减震构件，当地震发生时这里就成为整幢建筑发生塑性机制的位置，大量吸收输入的地震能量。减震段落采用在高层建筑侧向力抗震体系中局部减小刚度的设计，使这些楼层在强震下发生屈服变形，发挥耗能作用，而主体结构保持基本弹性。减震墙一般是增设具有一定韧性的剪力墙或核心筒，它们与主体框架协同工作，提高建筑总体侧向刚度的同时，本身也会发生屈服，吸收一定的震能。除上述减震措施外，在高层建筑的结构设计中还可采用钢结构耗能梁、摇摆支撑等构件型式的减震部件。这些构件一般设置在易发生塑性变形的位置，具有合适的屈服强度，当地震作用超过该强度时，这些构件会首先发生屈服，实现对系统震能的吸收和耗散，避免其转移到主体结构上，起到减震的效果。

（三）减震技术优缺点

减震技术相对于基本隔震技术的优势主要体现在：实现减震效果的要求对结构形式和土质条件的适应性更强，大多数情况下都可以采用；施工简便，建筑使用也无特殊要求。主要缺点是减震器易发生疲劳问题，使用寿命有限，需要定期更换；减震系统效果受各种不确定因素影响较大；局部减震也可能诱发渐进性倒塌。此外，减震技术参数优化设计和减震系统性能评估也需要大量工程实践进行完善。

（四）高层建筑减震案例

国内外不少高层建筑采用了不同的减震技术方案。例如上海中心大厦采用了摇动轴技术，在一楼某位置做刚性和耗能处理，形成主要的塑性机制，有效控制了上部结构的位移和加速度；日本东京免税广场设置了摆式支座，依靠支座本身的粘弹性发挥了很好的减震效应；台湾台北101大楼中采用了调谐质量减震器，这种减震器可以当输入地震波时，放大结构本身与地震波之间的振型差，从而达到很高的消散地震能量比的效果。这些成功案例表明，减震技术能够切实有效地改善高层建筑的抗侧力性能，控制层间位移和层间加速度的反应，值得推广采用。

结束语：本文通过分析隔震减震的工作原理、主要措施及工程应用情况，证明了这些技术在控制高层建筑地震反应、保护结构和内容物安全方面的独特效果。但是相关技术手段还有很多可改进之处，需要工程技术人员持续优化，并结合更多实践经验不断完善。我们有理由相信，随着这些抗震技术的发展与应用，会使我国高层建筑抵御地震灾害的能力达到更高的水准。

参考文献：

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