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《地震工程学》课程论文论文名称：超高层隔震建筑物结构设计技术姓名：专业：学号：教师：地震工程学—超高层隔震建筑物结构设计技术摘要：本文主要介绍了在建筑结构中加入隔震设计或是在已有建筑中加入隔震技术的改造将有助于降低建筑物特别是高层建筑在地震中的影响。关键词：超高层；隔震；装置;结构设计Abstract：Thepaperintroducedtheprincipleanditsmainwayofbuildingisolatedstructure,thentheisolationdeviceissimpletointroduction,finally，themainmethodsofisolationstructuraldesigncalculationsiselaborate.Keyword：superhigh-building；isolation；equipment；structuraldesign1引言近代的基础隔震技术基本上可分为两大类,即弹性隔震和基础滑动隔震[1-4]。在弹性隔震中,叠层钢板橡胶垫隔震技术[5,6]应用最多。这类隔震方案主要是在房屋底层与基础顶面之间增设一个侧向刚度很低的隔震层,使在地震过程中整个结构体系的周期变长,变形集中在底层,上部结构基本上是刚性运动。但主要用于隔震水平地震动,对于竖向震动则几乎没有隔离作用;另一方面,这种隔震体系实际上是在地震时对上部结构起着低通滤波的作用,地震中的中高频成分几乎全部可以滤掉,但并不能完全避免结构共振。中国大部分地区地处环太平洋地震带上，每年发生大地震机率甚高，因此建筑物之耐震设计非常重要。传统建筑物采用耐震设计规范设计建筑结构物，主要考虑强度与韧性，5.12地震后，由业界引进两种耐震新技术，一为隔震，另一为消能。其技术由研究阶段迈入实际应用阶段。此两种耐震新技术在日本阪神地震发生后，蓬勃发展；中国大部分地区与其它世界各主要受强震侵袭国家也不例外。自2008年5.12集集地震发生后，国内采用隔震消能新技术的建筑物案例与日俱增，规范也适应时势所驱，于耐震规范中列入专章包括了有关隔震与消能设计的规定。2隔震技术隔震技术不仅在新建工程中获得应用，而且已用于现有建筑的抗震加固改造[7,8]。隔震装置可安装在结构的防火层或设备层，隔震层可设置在结构的不同部位，如基础、中间层等，也可设置在房屋的顶层，同时起到结构加层和抗震加固的目的。由于传统的加固改造技术对结构震后的性能和不可靠程度缺乏准确地了解，故较难达到强度和延性的合理匹配。采用隔震技术对结构进行加固改造，通过在隔震层设置刚度很小的隔震装置，将地震变形集中到隔震装置上，相对于依靠结构本身的较高强度和较低变形来吸引地震能量而言，隔震结构的周期和阻尼都有很多的提高，故加速度和位移反应明显降低。同时，耗能减震加固改造技术，智能材料加固改造技术，以及吸振减震加固改造技术等开辟了房屋加固改造的新途径。3耐震建筑物、隔震建筑物与消能建筑物3.1耐震建筑物耐震建筑物耐震设计之基本原则，系使建筑物结构体在中小度地震时保持在弹性限度内，设计地震时容许产生塑性变形，但韧性需求不得超过容许韧性容量，最大考虑地震时则使用之韧性可以达规定之韧性容量。3.2隔震建筑物隔震建筑物系在建筑物基面设置隔震层。该隔震层系由侧向劲度很低的隔震组件构成，让整体隔震建筑物之周期大幅拉长，藉以降低作用在结构物上之地震力。然因周期增加后，建筑物之位移增加很多，因此再配合消能组件，提高系统的阻尼比，进而降低位移量。最常用的隔震组件为铅心橡胶支承垫(Leadrubberbearing，简称LRB)，中间所加之铅心，就是来提供消能的，而拉长周期就靠橡胶层受水平剪力作用时具有低劲度的特性来达成。LRB消能的特性很稳定，虽经过多周次之作用，其强度、劲度及消能之能力并没有明显的衰减。隔震建筑物另有一个特性，就是因为隔震层相对于上部结构软了许多，因此当其受地震水平力作用时，隔震层的相对变位很大，而上部结构的相对变位很小。因此有时为简单计，可以将上部结构视为刚体。3.3消能建筑物消能建筑物就是加上一些阻尼器，藉增加建筑物的阻尼比来达到耐震的目的。依据耐震设计规范10.2节之定义，消能组件概分为位移型、速度型与其它型式。位移型消能组件显现刚塑性(摩擦组件)、双线性(金属降伏组件)或三线性迟滞行为，且其反应需与速度及激振频率无关。速度型消能组件因不同的阻尼比、劲度及材料可分为：包含固态与液态之黏弹性组件及液态黏滞性组件。第三类(其它)则含括所有不属于位移型与速度型的消能组件，其典型范例包括形状记忆合金(超弹性效应)、摩擦.弹簧组件，以及兼具回复力与阻尼的液态消能组件。4隔震建筑的形式4.1基础隔震基础隔震是建筑抗震新技术家族中的佼佼者，大量试验研究及多次强震实践表明，基础隔震以其极少的投资换取很大的安全系数。基础滑动隔震效果受地面运动频率特性的影响较小，几乎不会发生共振现象[9]。所谓基础隔震，就是在建筑物的基础与上部结构之间增设高度很矮，具有足够可靠性的隔震层，控制地面运动向上部结构传递，地震时其能量可反馈到地面或由隔震层吸收，以大大减小结构及构件的地震反应，确保建筑物的整体安全，其内部设备不发生破坏或丧失使用功能，室内人员不遭受伤害也不会有强烈震感[10]。同时，还可防止结构内部的次生灾害。主震后无需避震疏散，即使发生罕遇大震隔震房屋也不会倒塌。在其中使用的橡胶隔震垫不仅有良好的隔震性能，而且该技术在造价方面也有其优越性。隔震结构与一般结构相比，费用增加的部分包括：隔震构件、隔震层上面的楼面、设备管道的柔性接头及相应的设计费用和施工费用。如果上部结构仍然按传统的抗震设计，其总工程费用略有增加。采用基础隔震设计上应注意：(1)在建筑物周边,隔震层部分要比基础大一圈。因此场地要宽裕；(2)隔震层的周围设挡土墙,其上部有墙外狭道等,因此要确保地震时不因上部结构的移动而带来其它问题；(3)方便检查和更换隔震装置；(4)为使设备管线适应隔震层的位移和变形，常采用柔性连接或球型接点,但要考虑安放装置及检修的空间；(5)隔震建筑物与其它建筑物之间的联系通道要适应相对变形，确保畅通无阻[11]。4.2中间层隔震在基础以上的中间楼层设置隔震层，下部结构同普通建筑物一样直接与地基接触，因此它不存在基础隔震建筑的底部体积和墙体数量问题，但隔震层以下的楼层需要做抗震处理[12,13]。在市区场地不太宽裕时，可把隔震层设计在地面以上，在空中变形有利于节约用地，同时也能有效减少地基的挖土量。采用中间层隔震，设计上应注意：(1)为适应隔震层的移动变形，该部分的建筑外墙应设水平缝,要考虑防水、隔音、防火等，也要注意立面的协调美观；(2)解决楼梯、电梯井、机器升降、设备管线等贯穿隔震层的问题，并考虑防火区间的划分；(3)便于检查、更换隔震装置及耐火材料等。隔震装置布置和选取的一般原则为：(1)隔震层具有适当的水平刚度，在强风作用下,隔震层具有足够的初始刚度，在较大地震作用时，隔震层产生柔性变形,能大大减小水平地震作用；(2)隔震层的水平刚度中心宜与上部结构的质心基本一致；(3)隔震装置具有足够的竖向承载力和水平变形能力，在发生大震时，可安全稳定地支撑建筑物，不会出现失稳破坏，能发挥隔震功能；(4)隔震装置具有良好的自动复位功能，在发生大震后，可基本复位到初始位置，当发生余震时，可继续有效发挥隔震作用；(5)隔震装置具有较大的竖向刚度,在设计竖向荷载作用下,竖向位移被控制在允许值以下；(6)隔震装置的刚度和阻尼具有较好的稳定性，在可能出现的荷载和温度范围以内，其变化较小；(7)具有良好的耐久性，具有良好的抗老化、抗疲劳、抗徐变等性能，在建筑物的使用期内能有效发挥隔震作用[14]。5隔震结构控制理论一种新的隔震设计理论—结构控制和控制结构理论。结构控制主要研究结构工程中控制装置的设计理论、方法及其实施,控制结构是根据给定的条件将结构和控制装置作为一个整体进行优化设计。主动控制由于制约因素多、造价昂贵等原因,应用研究尚处于开创阶段。被动控制特别是其中基础隔震技术的研究，已经逐渐成熟,在工程应用中日渐广泛。所谓基础隔震，就是在结构底部与基础顶面之间设置隔震层，使上部结构与固结于地基中的基础分离，阻隔地震波向上部结构的传播，使得输入结构的能量或反馈入地基土层或被耗能元件吸收，从而大大减少结构的地震反应，保证建筑物的安全，乃至正常使用功能。6超高层隔震建筑物设计技术超高层隔震建筑物设计技术[15,16]主要有下列关键因素：6.1长周期建筑物之隔震效果隔震建筑物之最优越抗震效果即在延长建筑物基本振动周期，但高层建筑物基本振动周期往往超过3秒，隔震后即使将建筑物基本振动周期拉长至5秒以上，由反应谱显示，两者加速度反应相差有限。但是在增加阻尼比降低地震位移反应，则有其贡献。6.2倾覆作用造成隔震组件受拉力隔震组件设计时必须考虑拉力作用，因此拉力试验成为规范修订之首要任务。6.3风力作用隔震层设计时必须考虑地震力作用，但是小地震或风力作用，隔震组件是否发挥功能？仍有待深入探讨。7隔震建筑经济性隔震建筑在振动性能和抗震安全性方面提高了建筑结构的附加价值。因此,与以往建筑比较时，应考虑附加价值进行综合评价。在考虑隔震建筑的造价时，不仅要考虑其初始造价，还要考虑其使用阶段期间遭受地震损坏的维修、重建、内部物品的损坏和经济损失，在此意义上,隔震建筑具有很好的经济性[17]。8总结目前，国内有关超高层隔震建筑物设计与施工之相关研究仍相当欠缺，已完成之研究报告仍有待产、官、学之意见补充，使研究成果得以展现，鉴于隔震建筑日趋普及，隔震建筑设计审查、隔震消能材料认证与验证机制、以及评定机构之指定工作，已刻不容缓，如何有效结合产、官、学三方，尽早订定完善之超高层隔震建筑设计审查机制、隔震消能材料试验标准、以及装设前中后之检测，实为当务之急。本文认为，在相关机制与配套措施均付之阙如下，隔震建筑物是否得以应付2500年以上之最大地震折磨尚待深入探讨，则超高层隔震建筑物发展，应在上述疑虑未澄清前，应采取更为保守之作为。参考文献:[1]马新宇.浅谈高层建筑结构中的基础隔震技术.黑龙江科技信息,2012,(28):290.[2]杨华.高层建筑结构中的基础隔震技术.今日科苑,2009,(10):128.[3]丁朝辉,何峥嵘,杨建洲.高层建筑采用基础隔震技术的探讨.福建建筑,2008,(11):23-24+13.[4]郭德华.国内外基础隔震技术标准进展.中国标准化,2008,(10):11-13.[5]吕百龄,李和平.隔震橡胶支座的特性和应用.橡胶科技市场,2009,(03):8-12.[6]李建国.叠层橡胶支座隔震技术在羌族博物馆的应用.山西建筑,2011,(12):42-44.[7]王芙蓉.隔震技术的开发应用是抗震设计的补充和发展.科技创新导报,2012,(15):20-21.[8]吕军水.国内外隔震技术研究进展及其工程应用.山西建筑,2012,(23):21-22.[9]韩淼.基础隔震技术的研究现状.北京建筑工程学院学报,2004,(02):11-14.[10]王志强,段友利,张立新.浅谈基础隔震技术.山西建筑,2007,(32):79-81.[11]曾桂香,黄慧.混凝土结构基础隔震技术及其应用.自然灾害学报,2008,(02):127-130.[12]赵楠,马凯,陈彬磊,等.高层多塔中间层隔震结构的设计与应用.建筑结构,2011,(S1):205-207.[13]赵楠.高层中间层隔震结构的非线性动力分析.动力学与控制学报,2011,(03):286-288.[14]徐忠根,周福霖.房屋建筑中间层隔震研究.工程抗震与加固改造,2004,(05):23-28.[15]赵思强,杨志文.超高层隔震建筑物结构设计技术.中国新技术新产品,2009,(16):169.[16]何文福,霍达,刘文光,等.高层隔震结构振动台试验及数值分析.北京工业大学学报,2010,(03):334-339.[17]党育,杜永峰,毕长松.隔震建筑的经济性分析.工程抗震与加固改造