Research on Seismic Isolation and Damping Measures in High-rise Building Structure Design
施媛婷 SHI Yuan-ting
（云南省临沧市住房和城乡建设局建设工程质量监督站，临沧 677000）
（Construction Engineering Quality Supervision Station of Lincang Housing and Urban-Rural Development Bureau，Lincang 677000，China）
摘要：地震是损害建筑安全，导致建筑结构变形、倒塌的主要灾害之一。在进行建筑结构设计时，根据地震破坏特征、规律等可以采取有效的隔震减震措施减少地震波对建筑的冲击，降低建筑破损、倒塌概率。本文结合实际，对高层建筑结构设计中的隔震减震措施展开分析论述，希望能为相关实践工作提供理论参考。
Abstract: Earthquake is one of the main disasters that damage the safety of buildings and lead to the deformation and collapse of buildings. In the design of building structure, effective isolation and damping measures can be taken to reduce the impact of seismic waves on buildings and reduce the probability of damage and collapse of buildings according to the characteristics and laws of seismic damage. This paper analyzes and discusses the isolation and damping measures in the structural design of high-rise buildings, hoping to provide theoretical reference for relevant practical work.
关键词：建筑结构设计；隔震措施；减震措施
Key words: building structure design；seismic isolation measures；seismic damping measures
中图分类号：TB482.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2021）01-0139-02
0 引言
地震是常见自然灾害，地壳在快速释放能量的过程中产生震动，形成地震波，地震波对建筑等物体产生冲击，导致建筑结构变形或坍塌。地震对建筑的危害不容忽视，在进行建筑结构设计时，要认真做好防震减震工作，最大程度降低地震对建筑结构的影响，确保建筑安全。隔震与消能减震设计，可用于对抗震安全性和使用功能有较高要求或专门要求的建筑，利用橡胶隔震支座组成的隔震层和在主体构件上设置阻尼装置等部件这些措施尽可能减小地震波对建筑结构的冲击，减少建筑物出现变形、倒塌等问题。下面结合实际，就高层建筑结构设计中的隔震、减震措施做具体分析。
1 高层建筑结构设计中的隔震措施
在21世纪，基础隔震技术具有很强的代表性同时也发挥着重要作用，在进行建筑结构设计与防护时，基础隔震技术是设计人员参考与应用的主要技术方法。基础隔震技术的发展与应用有效提升了建筑结构设计水平，也保障了建筑结构安全。当前，按照隔震机理可以将建筑结构基础隔震体系划分多种不同类型，如摩擦摆体系、组合隔震体系、滚珠摩擦隔震体系、滑动摩擦隔震体系以及滑动凹面基础隔震体系这几大类型。当前适用于高层建筑的隔震措施比较多样，科学合理应用这些隔震措施可有效保障建筑结构安全，减少地震对建筑的损害[1]。
在高层建筑结构中，可运用一些高耗能的隔震装置，常用的隔震方法是使用叠层橡胶隔震支座以及铅芯橡胶隔震支座，利用其来阻隔地震能量，尽可能减小地震能量与建筑结构产生的冲击，确保建筑结构安全。除此之外也可使用一些具有隔震功能的特殊材料，通过材料削弱地震波，最大程度降低地震对高层建筑的影响。也可在高层建筑结构中增设基础隔膜，通过基础隔膜削弱地震向上的作用力，减小地震对建筑上部结构的冲击与损害。实践证明，层间隔膜能有效消耗地震进行的能量传递，将地震产生的能量吸收，减少地震作用于建筑上的力，防止建筑受损[2]。
1.1 应用基础隔震措施
在当前的建筑结构中，叠层橡胶垫隔震体系比较常见。这一体系的隔震原理与具体方法是：利用橡胶隔震支座等部件形成一个隔震层，利用隔震层的复位功能来保护整个建筑结构，让建筑结构体系的自振周期得到延长，将地震波作用于建筑结构的冲击减小，使建筑上部结构免受地震侵害，从而提升建筑结构的稳定性、安全性与耐久性。在建筑结构体系中，这一隔震体系一般是用于建筑底部结构与上部结构的中间位置。需要注意的是，尽管这一隔震体系能起到相对理想的隔震防护效果，但也存有缺陷。如其的竖向承载能力不足，叠层橡胶在竖直方向受到超过橡胶的极限承载后，橡胶会发生严重的形变，这一形变会使其的实际效用大大降低。设计中使用ETABS建立隔震与非隔震结构模型，并进行计算与分析，ETABS软件能够模拟橡胶隔震支座，实际工程计算时选取实际5条强震记录和2条人工模拟加速度时程，7条时程反应谱和规范反应谱曲线对比。根据《建筑抗震设计规范》要求，进行隔震支座压应力、拉应力、减震系数、偏心率、水平位移、最大剪力、最大轴力验算和隔震支座的反力等进行支墩设计及隔震垫选择。
1.2 应用悬挂隔震措施
在建筑结构中运用悬挂隔震技术将地面地震波进行阻隔，使其不能对建筑主体结构产生冲击，从而实现对建筑主体结构的有效保护。在悬挂隔震体系中，支撑结构常用于建筑底部或地下室结构，通过吊具对建筑的上部结构进行支撑与防护。应用于建筑结构中的隔震层是由以下内容组成：阻尼能耗装置、抗风装置、悬挂装置。实验与研究证明，若作用于建筑结构的地震荷载与风荷载较小，那么该隔震层能保护建筑结构不出现整体相对位移，当地震荷载较大时，该体系中的耗能装置又能通过耗散消减地震能量来保护建筑结构安全。于建筑结构中运用悬挂隔震技术后，即使发生地震，也会因结构上层分离而不会有惯性力出现，这样地震波就无法对建筑主体结构产生影响。目前这种隔震措施在钢结构尤其是大型的钢结构中比较常见。在建筑中悬挂子结构时，主框架结构与子结构就会分离，当地震波移动到悬挂的部位时，地震能量会大大减少，地震波也无法继续向上传递，因此建筑主体结构也不会受到严重破坏。
1.3 应用层间隔震装置措施
地震对建筑物的作用是一种能量的传输，当建筑物在弹性变形的范围内不能存储和消耗这些能量时，结构就开裂甚至倒塌。层间隔震装置是一种常见的隔离、消耗地震能量的装置，在高层建筑中也应用的比较广泛。层间隔震装置由两大部分组成，分别是隔震支座（一般为橡胶支座）以及质量（增层结构、隔热层或质量块）组成的耗能器。地震时，耗能器吸收并消耗地震能量，从而减小原结构的地震反应。所以，层间隔震方法适用于旧房增层和抗震加固，其减震效果可达10-40%，是一种简单、容易实现的方法，特别是利用隔热层减震，可作为结构抗震的第二道防线，在增加少量投资的同时，大大提高结构的抗震能力。尽管层间隔震装置能起到一定的隔震减震效果，但其的隔震效果要小于基础隔震技术。因此在具体的工程中还需根据工程防震要求、根据建筑所处环境等科学选择、合理应用，让各项隔震技术与装置的功能作用得到充分发挥。
2 高层建筑结构设计中的减震措施
在进行高层建筑结构设计时，通过在建筑结构中增设相关部件来增加阻尼，使地震能量被大大消耗掉，以此减少地震对建筑的损害，确保建筑安全。为保证减震效果，在设计时一般将部件设置在高层建筑变形较大的部位，同时在设计过程中结合外部建筑环境来确定结构主轴方向以及消能部件的设置位置，进而获得较大的阻尼与刚度，实现对建筑的有效保护[3]。
在高层建筑结构设计中，常见的减震方法有三种，一种是消能减震装置减震法，一种是屈曲约束支撑体系减震法，另外还有跷动震动控制减震方法。这三种方法在原理、技术、效果等方面存有些许差异。如高层建筑中的屈曲约束支撑系统主要是通过将建筑中的内核钢支撑与外包钢管进行隔离，并采用相应的技术手段使得建筑结构中的高强度螺栓、框架结构等有效结合，以此增加钢支撑的承压能力，从而获得较好的抗震效果。结构消能减震技术主要是指在进行高层建筑结构设计时，于结构的某些部位增设相应的消能构件或消能装置，利用这些构件或装置削弱地震能量，将主体结构受到的地震波冲击降到最小。
目前常见的消能器主要为位移相关型消能器以及速度相关型消能器。金属消能器、摩擦消能器等属于位移相关型消能器的范畴；黏弹性消能器、黏滞消能器等属于速度相关型消能器的范畴。这两大类型的消能器各有缺点与适用范围，在具体的设计工作中要能结合相关规范与要求，结合建筑结构抗震需求科学选择、合理运用，从而让建筑结构得到有效保护。
3 高层建筑结构设计中的隔震减震措施应用要点
3.1 优化隔震构造设计
隔震结构应该采取不阻碍隔震层在罕遇地震下发生大变形的构造措施。一般高层建筑的隔震构造由以下几部分组成：隔震沟（竖向隔离缝）、水平隔离缝以及其它专门构造措施。在设计时，要根据建筑具体的隔震需求将隔震沟设置在建筑隔震层以及房屋周边位置，同时为确保能获得最好的隔震减震效果，在设计时要根据实际情况对遭遇地震时建筑会出现的最大化水平位移进行计算与分析，在进行高层隔震建筑的设计时，需要对隔震缝的宽度做出准确计算与科学控制，这是因为当高层建筑遇到地震的冲击时，上部结构容易出现位移，因此必须通过适当增加隔震缝、防震缝宽度来实现对建筑结构的有效保护。在将竖向隔震缝隙设置于上部结构的周边位置时，也需合理控制缝宽，最小缝宽应保持在200mm左右。为使隔震构造能发挥出最好的效果，在设计与施工过程中要将性能质量达标的柔性材料填充于上下部结构之间，确保其能发挥出实际效果。为进一步增强建筑结构的安全性，还可在设置水平隔震沟与水平隔离缝的基础上于建筑楼梯等部位增设分缝以及隔离井，全面提升安全防护效果，防止出现碰撞问题。
3.2 优化高层建筑自身结构
在进行建筑的隔震减震设计时，除了考虑实际的隔震减震效果，还需要从经济性、生态性等角度进行考虑，要取得最佳的设计效果。具体如在建筑中采用控制隔震前结构周期、减小上部结构质量、合理布置剪力墙、取消电梯井周边等相关措施来提升建筑结构的抗震减震性能，同时降低建筑隔震减震构造经济成本。除此之外，为防止出现最大拉力，在设计时要对建筑周边的剪力墙做适当弱化，在此基础上合理布设大空间井字形长墙，实现对相关缺陷的有效弥补。
在进行高层建筑结构设计时，也可对建筑上部结构做适当调整，调整时不增加墙体总面积，没有改变混凝土用量，只根据具体的隔震减震需求适当缩减建筑上部结构基本周期。如适当放大基本周期，同时混合使用铅锌橡胶支座（LRB）、天然橡胶支座（LNR）等对隔震层偏心率进行控制，让建筑结构具备更好地隔震减震效果。
为获得最佳的设计效果，在设计时根据实际情况对遭遇地震时建筑会出现的最大化水平位移进行考虑，并且根据实际情况对建筑结构的竖向荷载进行计算分析，结合具体数据采取相应的防护措施，从而提升建筑结构的抗震性能，提高建筑结构安全水平。进行高层建筑结构设计时也需对隔震层顶盖进行计算，计算时以上部结构整体为基础，以地下室顶板为嵌固部位，得出在X、Y方向上的嵌固刚度比，然后参考这一数据采取相应的隔震减震措施，实现对建筑结构的有效保护。
4 结语
综上所述，隔震减震设计是建筑结构设计中的重要内容，优化隔震减震设计对于提升建筑结构稳定性、安全性具有重要意义。因此，在进行建筑结构设计时，要能结合具体的规范与要求，结合建筑结构及功能要求需要科学设计隔震减震方案，合理选用隔震减震材料，采取有效措施减少地震对建筑的损害，确保建筑安全。
参考文献：
[1]熊晓波.高层建筑结构设计中的隔震减震设计[J].城市建筑，2020，17（20）：94-95.
[2]杨友.建筑结构设计中的隔震减震措施探讨[J].工程技术研究，2019，4（23）：178-179.
[3]吴昊.浅谈高层建筑结构设计中的隔震减震措施[J].工程建设与设计，2018（18）：10-11. |
