浅议高层建筑结构设计中的隔震减震措施

周东东

摘 要：建筑结构设计采用的抗震措施决定着建筑结构的可靠性与安全性。设计人员均依据小震不塌、大震可修这一原则开展设计工作，并采用了很多的方法抗震。然而，因多种因素的制约，此工作仍旧存在某些问题。文章据此展开探究，首先对建筑结构隔震进行分析，然后探讨隔震措施，最后阐述减震措施。

关键词：高层建筑 结构设计 隔震 减震

1、建筑结构隔震减震介绍

建筑物内部的阻尼大小有利于地震能量消耗。而减震措施恰好利用这一点，借助建筑阻尼增加吸取地震能量，以此来维护主体结构，降低震害。隔震技术被广泛应用到高层建筑中，特别是汶川地震后涌现出较多的隔震建筑。因隔震设计选取的材料和以往设计存在差异，和传统抗震设计对比，当前的隔震设计，特别是高层隔震设计具有一定难度。隔震措施存在时间限制，不仅能应用到新建结构，而且在建筑物建成后可通过阻尼增加来实现减震。从适用部位层面而言，减震措施较为广泛，无论是上部结构，还是隔震夹层均适用。而消能减震技术利用消能减震装置配设来提高结构阻尼比，进而防控结构变形问题，借助附加装置来吸取地震能量，实现主体结构的全面防护，让主体结构遭受地震灾害时不会出现严重破坏。依照数据统计可知，消能减震结构能够显著增强抗震性能。另外，抗震构造还能够依据未采用消能减震之前的结构来降低。

2、建筑结构隔震设计的要求

在建筑结构中进行隔震设计工作，能够使建筑工程结构的稳定性大大增强。进行设计工作时，还应结合建筑工程的形式、抗震强度以及施工场地和施工目标来制定最科学可行的抗震、隔震设计方案，并比较各个方案的经济可行性，从中选择成本最低、施工成效最好的方案。不仅如此，进行抗震设计工作时，一般要保证抗震设计目标比抗震建筑强，一旦出现了水平地震，则建筑的隔震结构会有较好的安全储备，而且要确保其超过抗震结构半个设防烈度。确定隔震部件时，一定要检查其各项参数和性能，以确保良好的安装质量。通常要使用抽样检测的方法开展工作，并结合部件的类型和规格，和元件比较完成检验工作，且抽样检测的数量一般要大于三个，所有元件都合格时才算检验通过。

3、建筑结构隔震设计的相关措施

3.1 上部结构的相关措施

隔震层的上部结构位于最上方，在发生地震问题时，隔震层的上部会发生一定的位移，且位移的大小和设计方案有一定的关系，一般位移的方向是不固定的，上部结构所产生的变形通常较大，但是加速度并不大，因此在地震期间，家具并不会产生翻转的问题。要想避免地震中隔震层产生变形，则必须做好下述几方面的工作：（1）将楼梯、电梯和走廊中的障碍物彻底清除；（2）要在上部安装防震缝；（3）防震缝和地面间必须有水平的隔震缝，难度较大时，可以再加上水平滑移垫层。

3.2 下部结构的设计

位于隔震层下方的下部结构，对于防震层有着重要的支撑作用。要更好的提高防震层下部结构的安全稳定性，必须要使用最科学的原材料和施工方式。多层橡胶支座中一般都是含有铅芯的，这是在其中加入铅液并使其冷却后的结果。铅芯一般都具有双线型结构，滞回特性很强，因此在地震时会增加结构的刚度，且强度较大时还能够分散较多的能量。也就是说，这一设备综合了隔震器和阻尼器的优点，且操作起来十分简便。所以，进行隔震设计工作时，经常选择这一支座材料。

3.3 选择合理的结构布置方案

在抗震结构的概念设计中，十分重视结构布置方案。从减震的角度看，结构的平而布置应力求简明但适当的减震措施亦可使复杂的结构得以实现。此外，抗震概念设计排斥抗震缝。利用抗震缝将结构划分成若干子结构，通过给每个子结构施加侧向约束，利用抗震缝中的吸能器消耗子结构的能量，从而形成了结构联合振动控制体系，吸能器为结构提供水平控制作用，往往可以大幅度地降低结构振幅。

3.4 对建成建筑物的抗震加固

在对建筑物的地基或基础进行隔震设计时，我们一定要在建筑物没有动工以前按照隔震设计的措施，完成相应的工作。最迟也是在建筑物的施工过程当中，在建筑物的关键部位设置特殊的隔震装置。然而，建筑物建成以后，如果想对其进行抗震加固，就要采用增加阻尼的办法，在建筑物的结构上重新添加消能减震装置。

3.5 控制建筑物的侧移以及水平荷载

在地震发生时，地震产生的荷载作用对于建筑物结构产生巨大的水平剪力，这个时候建筑物就会产生较大的侧移，建筑物越高，在地震的荷载作用之下发生的侧移就會越严重。所以我们一定要将建筑物的侧移控制在一定的安全范围之内，才能保证在地震荷载作用下建筑物的侧移不引起建筑物严重破坏。

在地震发生时水平荷载会在建筑物结构中引起巨大的轴力，很可能会造成建筑物的倾覆。这与建筑物的高度呈现一定的线性关系，建筑物高度越高，建筑物产生的倾覆力矩就会成倍的增长，因此在我们的高层建筑中，控制水平荷载是一个决定性因素。

3.6 建筑物的墙体和防震缝的设计

墙体是建筑物的主要承重部件，建筑物的墙体使用的多少取决于建筑物的刚度。在建筑物的墙体选择和设计的过程中，选择什么样的墙体，选择多少墙体，墙体的位置该如何放置等等都要经过精心的设计。防震缝是在建筑物各板块结构中预先设置的一定宽度和长度，以达到在地震发生的时候建筑物产生的侧移或者倾倒的时保持一定的稳定性和整体性。但是由于地震的发生属于偶然的自然灾害，所以防震缝在普通的地区一般不设置或者很少设置，经常设置在地壳易发生运动的地震区，不过由于地震的时候地壳发生运动，建筑物和地面都会产生一定的位移，因此地震缝的宽度和长度的设置都有一定的难度，目前运用还不够成熟。

4、工程实例

某地区一栋小学教学楼，抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度峰值0.30g，设计地震分组第二组，II类场地，场地特征周期0.40s。采用框架结构形式，楼层数为3层，建筑结构高度12.5m，宽9.0m，高宽比1.4。属于重点设防类，乙类建筑。本工程使用有限元软件ETABS建立隔震与非隔震结构模型，并进行计算与分析。计算选取了实际5条强震记录和2条人工模拟加速度时程。通过计算，各时程平均反应谱与规范反应谱曲线较接近，同时各时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%，满足规范要求，可以应用本工程计算分析。本工程共使用了21个支座（其中15个LRB400，6个LRB500）。

通过计算，非隔震结构的基本周期分别为0.639s（第一振型）、0.580s（第二振型）、0.521s（第三振型），而隔震结构的基本周期分别为1.846s（第一振型）、1.823s（第二振型）、1.562s（第三振型）。采用隔震结构后的自振周期延长至非隔震结构的2.8倍左右，结构的基本周期明显延长。隔震层以上结构在隔震前后的层间剪力比值平均值最大值（水平向减震系数）0.267，说明采用隔震技术能够降低上部结构的地震响应。

结束语

隔震技术的成熟发展及推广应用，标志着人类在防震减灾方面取得了长足的发展。文章依据现有抗震设计规范，初步总结了隔震结构设计的设计流程。通过工程实例，表明采用隔震减震方法是有效的。

参考文献

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