高层隔震结构设计方法研究

韩华平 李静雅

【摘要】随着隔震技术在实际工程中得到越来越多的应用，隔震技术是实现高性能抗震结构最佳选择的观点，逐渐得到了广泛认可，本文对高层隔震结构设计的方法进行了深入探究。以供同仁参考借鉴。

【关键词】高层隔震；结构设计；方法研究

引言：隔震结构是通过引人隔震装置来延长结构的周期改变结构动力特性，并利用耗能装置来抑制结构的位移，从而达到全面降低结构动力响应的目标。结构动力响应全面降低即隔震结构不同于抗震结构的重要方面，这样即使在中震或大震下，房屋不仅可以不倒，甚至还不需进行结构性的修复工作即可继续使用。

一、隔震层的布置

在抗震结构设计之初，选择竖向受力构件截面有这样一种方法： 可将由竖向荷载产生的压力值乘以增大系数（ 以此考虑地震作用对竖向受力构件轴力的增大作用） 作为初选竖向受力构件截面的依据. 与竖向受力构件不同的是，隔震支座设计承载力的荷载组合中地震效应的组合应采用罕遇地震. 在中低层隔震结构中，水平地震作用下的效应一般也不起绝对控制作用，因此可沿用上述方法，即将由竖向荷载产生的压力值乘以增大系数，作为隔震支座平均压应力设计值的依据. 但在高层隔震结构设计中，地震作用效应较大，造成隔震支座在有无地震作用的情况下变化较大，且高层隔震结构中的剪力墙下两端隔震支座与中部隔震支座的竖向力变化也不一样，若采用上述方法，势必造成多次无序调整隔震支座的布置. 在没有丰富的工程实践经验之前，本研究建议选择隔震支座的方法如下.隔震建筑一般要求水平地震作用减少一半以上，对多个高层及超高层隔震结构的工程实例的归纳总结，高层隔震结构的减震效果虽不如中低层隔震结构，但其水平地震作用也可降低 2/3以上，因此，可建立隔震层上部结构的模型，将原罕遇水平地震作用减少至 1/3 ～1/2输入结构，将计算所得结构底部竖向反力作为隔震支座的设计轴力.

二、隔震技术的适用性

由于风作用和地震作用的基本原理的区别，隔震装置仅仅对抵抗地震作用有效，而风作用下，隔震结构相比传统结构就更易倾覆且还需评价阻尼器在反复荷载下的疲劳性能以及风荷载作用下的居住使用性能等故我国规范规定风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过总重力的10%故在前期方案时应比较风和地震作用所占比例大小结合结构重要性来综合判断是否采用隔震技术。

由于隔震装置抗拉屈服强度低且叠层支座中钢板压屈后性能变差等特点当结构高宽比过大时隔震设计的难度加大，甚至不适合采用隔震技术。

三、以工程案例概述高层隔震结构的设计方法

3.1工程概况：

本项目20 层高，总高 70. 8 m，结构形式为框架剪力墙结构，裙房5 层，层高分别为5.1、4.5、3.9、3.9 和3.9 m，其余各层为3.3 m， 丙类建筑，设防烈度为7 度，Ⅱ类场地，特征周期为0.4 s.

3.2设计方法分析：

建立隔震层上部结构的模型（ 即高层抗震结构） ，选取适用于Ⅱ类场地的 Elcentro 波、Taft 波和人工波沿 X 向和 Y向输入双向地震波，加速度峰值调至 2. 2 m·s- 2（ 7 度罕遇） 的1/3 即0.733 m·s- 2. 将计算所得结构底部竖向反力作为隔震支座的设计轴力，并选用相应的隔震支座. 隔震支座的设计与计算主要有连接板的设计和预埋钢板及配件的设计。连接钢板是隔震支座的一部分， 作用于隔震支座的剪力先通过连接板由螺栓传递到预埋钢板，再由预埋钢板通过可靠的连接件，即预埋锚杆或锚筋传递到周围的梁柱. 若需要更换支座，只需要旋开螺栓，隔震支座就可以取出. 这一连接方法既保证了连接的可靠性，又使得更换支座简单易行.确定连接钢板的尺寸步骤如下： ①钢板为正方形，且螺栓布置对称，可得 c1= （ 2e1+ e2） ②钢板对角线长度为 l =2（ c1+ e3） +D，其中 D 为隔震支座的直径. 钢板边长为 l 用锚筋连接的预埋钢板，长度尺寸及螺栓孔位置及大小均与连接钢板相同，在螺栓孔下部点焊配套的螺母，螺栓拧入配套螺母中，就可以将连接钢板与预埋钢板连接起来.用锚筋连接的预埋钢板， 长度尺寸及螺栓孔位置及大小均与连接钢板相同，在螺栓孔下部点焊配套的螺母，螺栓拧入配套螺母中，就可以将连接钢板与预埋钢板连接起来.用预埋螺杆的预埋钢板. 设计构造与用锚筋连接的预埋钢板与螺栓有很大区别. 预埋螺杆由圆钢加工而成，内部制作与螺栓配套的螺纹，在螺杆顶部外做螺纹，与预埋钢板上螺栓孔配套，这样预埋螺杆与预埋钢板之间就可以用这部分螺纹连接了.按照《建筑结构荷载规范》（ GB 50009 -2001）（ 以下简称《荷载规范》） 取福州地区20 年一遇的基本风压为0.53 kN·m- 2，用线性回归滤波器法模拟此高层抗震结构迎风面的脉动风压时程，并折减一半沿 Y 向将其施加到高层抗震结构三维有限元空间模型各楼层的？ -②和？ -⑤节点上，计算所得基底剪力为1 858.1 kN. 在隔震层边角处布设铅芯橡胶隔震支座，分别为 4 个 GZY400、8 个 GZY600、2 个GZY700 和 2 个 GZY800，隔震 支 座 总 屈 服 力 为1 926. 96 kN. 其余位置则使用普通叠层橡胶隔震支座，为8 个 GZP400、6 个 GZP500、2 个 GZP600、4 个GZP700、16 个 GZP800 及 4 个 GZP900，隔震层层高 1. 8 m.

四、隔震结构的基础设计及注意事项

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）第12.2.9条隔震建筑地基基础的抗震验算和地基处理仍应按本地区设防烈度进行，对于高烈度区且地址条件差时还应特别注意桩身水平承载力能满足相应受力要求。

由于隔震结构的出发点就是让上部结构能自由运动，因此应该在隔震结构的周边留有足够的距离保证其运动，除水平方向留有空间外，竖向也注意应断开上部结构与下部结构的链接，如楼梯、电梯等应做特殊处理，可设置为悬挂式或增设滑动支座. 隔震层防火措施和穿越隔震层的配管、配线，有与隔震要求相关的专门要求。2008年汶川地震中，位于度区的隔震建筑，上部结构完好但隔震层的管线受损故隔震结构的设计中需要特别注意强调设备专业应明确配管、配线的方式。

结束语：

在设计隔震结构时既要把握住隔震结构与传统结构一致的地方又应特别注意与传统结构不一致的地方。

参考文献：

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