高层建筑结构隔震设计关键问题

高层建筑结构隔震设计关键问题【摘要】：本文通过对高层建筑隔震设计中存在一些关键问题展开研究，并就规范中隔震设计方法的存在不足提出了具体的改进建议。

在采用规范设计反应谱展开高层隔震结构分析的时候，应该充分考虑到结构高阶振型带来的影响，不然会大大的降低结构减震的效果。

讨论规范中不同阻尼比的地震影响系数曲线的修正方法，对规范中采取的形状参数以及阻尼调整提出了自己的一点修改建议。

指出在规范中容易导致隔震支座受拉的不合理规定，提出了在改进之后结构布置的原则，此外还对规范中隔震支座面压控制的计算方法提出了具体修正意见。

【关键词】：高层建筑结构；隔震设计；阻尼比
中图分类号：[tu208.3] 文献标识码：a 文章编号：
一.引言
高层隔震建筑相对于多层隔震建筑具有以下主要疑难点：1.高层隔震具有隔震效果与否。

我国规范所提出来的设计反应谱长而且周期段下降十分缓慢，对于长周期的高层建筑，隔震后尽管延长了周期，但是否仍然具备有效的减震效果仍然值得探讨。

2.当结构阻尼比值高于5％时，我国规范中的地震影响系数曲线的阻尼调整系数值偏于保守，这就必然会导致高层隔震结构的地震响应不够准确。

3.高层建筑结构的倾覆效应十分明显，隔震支座也可能会出现拉应力，往往所采用的叠层橡胶支座有着很低的抗拉能力，隔震支座受拉问题是阻碍隔震技术在高层建筑中应用推广的主要罂粟。

4.
高层建筑重力负荷较大而且在遇到罕见地震作用时下竖向构件的轴力变化比较大，隔震支座的水平位移以及面压变化也很大，如何能够合理的控制隔震支座的面压及其稳定性同样是高层隔震设计的十分重要的内容。

本文通过分析上述几个十分关键问题，指出了当前我国规范中隔震设计中相关规定存在的不完善地方，提出有关改进意见，为修订规范提供依据。

二.长周期高层隔震建筑的减震效果
高层建筑结构自身已经有着比较长的周期，高度达到100m的高层建筑基本周期通常在2.5s，采用隔震技术后通常可以将周期延长到3.5s。

依据我国gb5001 1-2001《建筑抗震设计规范》文件的设计反应谱，它的长周期段下降比较缓慢。

除此之外，当阻尼比值高于0.05的时候，地震影响系数曲线的阻尼调整系数也偏于保守。

按照我国规范来计算，长周期的高层建筑在隔震前后的地震剪力变化不是很大，隔震效果并非十分明显，但实际上事实并非如此。

现在我们选择某个高层建筑结构隔震来为案例，分别以动力时程分析法以及等效线性法来计算各自的隔震效果，进而探讨长周期高层建筑结构在进行隔震之后仍然具备良好的减震效果产生的原因。

某各高层建筑结构的主楼地上有23层，隔震层兼作为地下室。

纵向长度达到50.6m，横向长度为26.2m，建筑结构主体高度大于为89.8m，短边方向的高宽比值是3.43，长边方向的高宽比值是1.78，最高处达到97.2m。

它的隔震层的配置如图l所示，采取等效线性分析方法来进行计算得出该结构隔震前后的基底剪力，如表
l所示：
．
由表1 可以看出，依据我国的规范反应谱，隔震前周期为2.35s 的高层建筑，经过采取隔震技术后将周期延长至4.30s，基底剪力的隔震后与隔震前的比值是0.626，减震效果并不是很明显。

表2给出了非隔震和隔震结构在计算时采取不同振型数量情况下x向的基底剪力。

由表2能够看见，非隔震和隔震结构第1阶振型的基底剪力也并不是很大，这也就说明了为何从反应谱上来观察长周期结构的隔震效果并不明显。

然而，隔震结构中的第1阶振型质量的参与系数高达84.5%，采取多阶振型的地震剪力组合之后，最后产生的基底剪力和采用第1阶振型的基底剪力所形成的相差值并不大。

但非隔震结构的第1阶振型质量的参与系数仅仅为51.2%，经过多阶振型地震剪力组合，最后基底剪力则会远远高于第一阶振型的基底剪力。

表2 隔震与非隔震结构在不同振型数量下的地震剪力(x向)
图2给出了非隔震与隔震结构基底剪力随着振型阶数的增加而变化的状况。

由图2能够看出，非隔震结构的地震剪力随着振型阶数的增加而相应的增加，从采取1阶振型时的12579kn增至到采用6阶振型时的31810kn，增加了153%。

但是隔震结构的基底剪力随着振型阶数的增加变化却不大，从采用1阶振型时的7779kn 增至
到采取6阶振型时的8958kn，仅仅增大了15%。

对于长周期的高层建筑，在利用反应谱进行分析隔震效果时，一定要充分的考虑到高阶振型影响修正结果的问题，不然会明显的低估非隔震结构的地震响应，最终降低减震效果。

往往通过合理设计的高层隔震结构，可以具有明显的减震效果。

图2 基底剪力与振型阶数的关系
三.隔震支座面压计算方法
隔震支座在使用正常的状态下会长期承受上部结构的重量。

当发生强烈地震的时候，隔震支座会产生比较大的水平位移现象，这个时候就需要承受地震力以及上部结构重量的共同作用。

对于水平滑移类的支座，水平位移对它的有效承压面积不会产生很大是影响。

但对于叠层橡胶的支座，水平位移则会减少其有效承压的面积，导致承载能力的下降。

在规范中的隔震支座面压验算方法应用于工程设计过程时，存在的主要问题有以下几点：
1采用设计值来计算隔震支座的平均压应力的时候，还应该考虑到地震的作用。

这样的设计方法会致使隔震支座的直径偏差很大，除了加大对隔震层投入资金，此外还增加了隔震层的相应水平刚度，最终对隔震效果也产生不利影响。

2.未按照要求对隔震支座在遇到罕见地震作用下进行面压验算，只是对隔震支座的作了相应的水平变形限制，不能准确的把握隔震支座在遇到罕见地震作用下的稳定性与安全性。

叠层橡胶的支座在承受长期负荷作用时基本未发生大的水平变
形，这个时候竖向轴压的承载能力就会很高，针对第一形状系数s1≥15以及第二形状系数s2≥3的条件下，通常能够达到90mpa以上。

规范所规定的平均压应力限值范围是按照安全系数的方法进行折减，当采取15mpa来作设计限值的时候，它的安全系数能够达到6以上，因此对于长期负荷的作用，只需要验算结构自身的长期负荷带给隔震支座的面压，不需要重新使用设计值来进行验算面压，也不需要考虑地震作用带来的效应。

对于短期的地震作用，叠层橡胶支座会产生水平变形，这个时候就会降低承载其能力。

所以，一定要对叠层橡胶支座进行短期遇到罕见地震作用下的变形与面压验算，只有这样才可能准确的把握其在遇到罕见地震作用下的稳定性与安全性。

四.结束语
1.我国规范反应谱中的长越期段结构地震影响系数值过于偏大，当结构阻尼比值高于5％的时候，它的阻尼调整系数的值也会相应偏大，致使按照反应谱方法计算的隔震结构的地震响应也会显著偏大。

本文对规范反应谱采取的形状参数以及阻尼调整系数都提出了相应的修改建议，在进行修改之后的地震影响系数曲线会对高阻尼以及长周期情况下的过渡更加合理。

2..规范中隔震支座的面压验算方法还存在着不完善的地方，本文建议采取变形关系曲线以及极限面压来作为隔震支座，能够准确的把握隔震支座在地震作用下的稳定性以及安全性。

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