隔震减震控制技术在复杂高层建筑结构设计中的应用

王 鑫

（甘肃省建设设计咨询集团有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

近年来我国减震技术逐渐成熟，在复杂高层建筑中均应用新型抗震技术，将减震装置布设在高层建筑内[1]，以消散地震带来的能量，分担建筑结构中的地震能量，起到保护复杂建筑结构的作用，提升建筑的安全性。

现在有很多学者研究高层建筑结构设计中隔震减震控制技术，如吴小宾等人[2]提出组合隔震技术在复杂高层结构中的应用方法，该方法将不同减震器组合后，安装到高层建筑中，以减少建筑结构偏置引起的结构扭曲作用，提升建筑结构的抗震性；齐毅男等人[3]提出新型抗拉装置在建筑结构设计中的应用方法，该方法以力学试验数据为基础，推导出简化的高层建筑结构抗震能力限值，再将抗拉装置应用到高层建筑抗震结构中，提升高层建筑结构的拉压状态下的力学特性。以上两种方法在实际应用中虽都取得一定成果，但均存在抗震效果欠佳的情况。因此，本文提出一种隔震减震控制技术，应用于复杂高层建筑结构设计中，可有效提升高层建筑结构的抗震能力。

1 工程概况

以某综合建筑项目作为试验对象，该建筑总高度72.4m，地上共17 层，由塔楼和裙房组成，地下2 层，分别为地下室和地下停车场，建筑平面呈“Z”型，长度为138.2m，最大宽度为48.4m，单肢宽度为24.5m。地上17 层中包括裙房4 层，裙房高度22.5m，建筑的矩形面长度和宽度分别为195.5m 和110m。该建筑项目形状特殊，整体结构较为复杂，增加了其隔震减震控制难度。建筑剖面如图1所示。

图1 复杂高层建筑项目剖面图

该项目为商住两用建筑，其防震属于重点设防类别，建设位置距离地质活跃断裂带小于4km，受地震影响严重。整体建筑结构较为复杂，虽然其底盘较大但结构为单塔结构，塔楼偏置的同时其平面也不够规则，整体建筑高度为72.4m，已经超过9 度区钢筋混凝土结构的适用高度。由此可见，该建筑项目为复杂高层建筑结构，其防震减震难度较大。

2 复杂高层建筑结构隔震减震控制设计

2.1 转换梁与抗风设计

2.1.1 转换梁设计

复杂高层建筑在遭受大风时，受风力影响楼体结构也会出现震动，在试验对象的隔震层设置转换梁，利用剪力墙和隔震支座对其进行固定[4]，在设计转换梁时，考虑转换梁构造要求，尽量避免次梁转换。因此，该转换梁依据中震不屈服的性能要求设计，转换梁上部结构采用0.12 水平地震影响系数的最大值，下部结构则采用0.34水平地震影响系数的最大值。

2.1.2 抗风设计

抗风设计是复杂高层建筑隔震减震设计的重要内容。由于要考虑隔震减震结构在发挥最佳效应时建筑的舒适度要求[5]，因此，隔震减震结构需具有足够的屈服前刚度和屈服承载力。故设计抗风设施时，抗风设施与隔震减震结构之间需满足以下约束条件：

式中：γw——风荷载分项系数（本文取值为1.35）；

Urw——建筑抗风设置水平方向承载力设计值；

Uwk——在风荷载作用下，建筑隔震减震层水平剪力标准值。

依据公式（1）约束条件，首先设计该复杂高层建筑抗风参数，在其基础上设计该高层建筑隔震减震系统。

2.2 组合隔震减震系统设计

该综合建筑总体结构为框架-剪力墙结构，在满足建筑结构防风设施与隔震减震结构之间关系的条件下[6]，使用组合基础隔震减震技术，选择不同类型支座和黏滞阻尼器组成隔震减震系统，其支座数量以及主要参数见表1；黏滞阻尼器分为X向和Y向，其参数如表2所示。

表1 隔震支座主要参数与使用数量

表2 黏滞阻尼器主要参数与使用数量

2.3 隔震减震效果相关参数计算分析

设计完隔震减震系统后，对其效果进行充分验证。隔震减震系统中的隔震支座负责承载竖向力，则应用隔震减震系统后[7]建筑竖向地震作用标准值FEvk计算公式如下：

式中：αvmax——竖向地震影响系数的最大值；

δeq——建筑结构等效总重力荷载。

复杂高层建筑结构每层质心沿着垂直于地震作用方向的偏移值叫做偶然偏心[8]，则第i个质心的偶然偏心值计算公式如下：

式中：ei——第i个质心的偶然偏心值；

Yi——第i个质心垂直地震作用方向建筑物总长度。

当发生地震时，建筑结构体系的水平位移主要集中在隔震减震装置上，隔震减震结构在抗震时的加速度反应衰减比Za计算公式如下：

式中：ϖ ϖn——固有频率比；

η——阻尼比。

3 隔震减震效果模拟试验

利用有限元软件建立试验对象仿真模型，通过在试验环境内模拟地震作用，对结构隔震减震效果进行测试，以验证方法的应用效果。

在仿真软件内模拟3级、4级和5级地震，计算该建筑物隔震减震前后的结构自振周期，结果如表3所示。

表3 复杂建筑物隔震前后结构自振周期变化（单位：s）

由表3 分析可知，该复杂高层建筑进行隔震减震处理后，在地震时结构自振周期得以延长，说明其分散地震能量的能力得到增强。

以该复杂高层建筑基底剪力作为衡量指标，测试在不同震型阶数情况下，隔震前和隔震后其基底剪力变化情况如图2所示。

图2 复杂高层建筑基底剪力曲线

由图2 分析可知，该复杂高层建筑在隔震减震处理前，在震型阶数为3 时基底剪力数值最高，随着震型阶数不断增加，呈现波动下降趋势，在震型阶数为9 时基底剪力为小幅度上升状态。而进行隔震减震处理后，虽然在震型阶数为3 时，其基底剪力数值有所降低，但随着震型阶数增加，隔震后的建筑结构基底剪力始终保持在0MN 左右。上述结果说明，该复杂高层建筑在受到地震作用时，没有隔震减震处理时基底剪力数值较高，结构承受的地震荷载较大，其抗震性能不佳。而使用本文方法对其进行隔震减震处理后，其基底剪力数值较小，整体建筑结构的抗震能力较强。

以偶然偏心值作为衡量指标，测试在不同地震等级情况下，该建筑隔震前后的偶然偏心值变化情况，结果如表4所示。

表4 建筑结构偶然偏心值

由表4 分析可知，依据建筑物长度可计算出该建筑结构的偶然偏心值为6.91，而在不同地震等级下，该建筑结构的偶然偏心值均小于6.91，说明在地震导致地面运动扭转时，该建筑结构扭转角度和位移较小，其抗震性能较好。

4 结束语

本文研究隔震减震控制技术在复杂高层建筑结构设计中的应用，并通过模拟仿真试验的方式对其进行验证，结果表明：利用本文方法对复杂高层建筑进行隔震减震处理后，在不同地震等级情况下建筑的偶然偏心数值较小，且建筑的基底剪力数值较小，说明该建筑抗震能力得到有效提升，本文方法应用效果较佳。