高層建筑結構設計中的隔震減震措施分析

劉富宙

摘要：高層建筑結構設計中，隔震減震措施的綜合應用原理為：在充分考慮地震過程中，不同危險作用力引發的建筑結構傷損來源之后，降低震動力對建筑結構體的作用效果，從而達到減震隔震的目的。但在具體設置時，普遍會遇到隔震減震支座與抗震墻之間不協調、高層建筑設計結構建筑物走向不利于隔震減震等問題。本文對相關后果進行分析，提出對應的解決方案，供參考。

關鍵詞：高層建筑;結構設計;隔震減震措施

引言：在經濟高速發展的過程中，一個必然的情況是，大量人口會朝著經濟中心地帶涌入?，F階段，我國城市的經濟發展速度遠遠高于農村，故大量人口涌入城市已經成為現實。為了解決人口激引發的住房需求問題，城市中不斷開發大量住房。為了提高土地資源利用率，城市中包含住房在內的諸多建筑均已從傳統的矮層多單元結構轉變為單/雙單元高層結構。在開展結構設計工作時，隔震減震相關考量尤為重要。

1.高層建筑結構設計過程中有關隔震減震措施設計方面的常見誤區和解決方法

1.1隔震減震支座與抗震墻之間的不協調

在高層建筑結構設計過程中，進行隔震減震措施設置時，首先需要使設備處于相對分散的狀態[1]。原因在于，每一種設備都具備一定的減震、隔震作用，實質上是“對地震震動力進行不同形式的處理”，以達到降低此種作用力對建筑結構造成的影響的目的?？傮w而言，隔震減震措施應該布置在建筑結構的內部。如果設置在建筑之外，則地震時，減震墻承受的應力反而會加大。提及減震墻，必然需要考慮隔震支座的的設置。理想狀態下，相鄰兩個減震墻下隔震支座之間的距離應該在2m之上。如果間距過小，那么如上文所述，不同隔震措施之間對振動力進行處理時，互相之間會產生干擾。如果不能對震動力進行定向處理，則不僅無法隔震減震，反而會增加建筑承受的作用力?；诖?，在設計高層建筑結構時，需要充分考慮抗震墻的設置以及隔震減震支座的位置設置，二者之間應該和諧。

1.2高層建筑走向設計方面的問題

地震發生時，震動力沿著何種方向傳播是十分重要的信息。如果高層建筑設置在地震震向集中的區域，意味著建筑會長時間受到地震力的沖擊，房倒屋塌的幾率會大幅度增加?；诖?，高層建筑建筑位置走向設計應該在建筑動工修建之前便展開。設計人員可以通過查閱歷史資料，與地震局工作人員取得聯系等方式，在設計時，盡量避免高層建筑與震向平行，而是需要使二者之間相互垂直，如此方可提高建筑的抗震性能。

2.高層建筑結構設計過程常用的隔震減震措施梳理

2.1常見隔震措施

數據顯示，典型地震動的卓越周期最短為0.1s，最長為1s。從這個角度進行考慮，很多中低層結構的建筑的自振周期正處于0.1s～1s之內，故在地震發生時極其容易出現共振，進而使建筑結構遭到嚴重破壞，造成的人員傷亡及財產損失極高[2]。而將建筑結構形式從中低層調整至高層、超高層之后，由于建筑的自振周期與典型地震動的卓越周期不再重合，實際上便增加了高層建筑的抗震性能。因此，建筑層數越高，安全性也會隨之增加。事實上，在地震發生后，建筑遭受的破壞分為靜力破壞和動力破壞兩種類型。所謂靜力破壞是指在地震發生時，因為板塊運動導致地表面出現擠壓、碰撞，在“地表開裂”的影響下，建筑不可避免地受到影響。而動力破壞是指地震發生時，地面處于運動的狀態下，會產生動力作用，這種動力作用施加到建筑身上，進而引起破壞。

在綜合考慮靜力破壞和動力破壞的原動力的產生原理，結合現代高層建筑的結構特點，在設計隔震措施時，基本原理分為五個階段：①隔震。應在建筑地基處設置橡膠、鉛鋅、摩擦隔震支座;②在降低被動耗能方面，應使用粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器、摩擦阻尼器、軟鋼阻尼器、調頻質量阻尼器和電感鎮流器;③在主動控制方面，應用AMD和HMD;④在半主動控制方面，應用變阻尼半主動和變剛度半主動兩種模式;⑤在智能控制方面，應用磁流變阻尼器、SMA、PZT等設備。應用上述設備，實際上形成了三種形式的高層建筑隔震方式。其一，特殊材料地基隔震。作為與地面直接接觸的位置，建筑地基處是否穩定決定整個建筑體是否穩定。原因在于，地基是整個建筑體的直接受力區。如果在此處增加隔震措施，在地震發生時，由于隔震措施的存在，會使地表、地下產生的震動不會完全傳遞至建筑地基處，此即為“對地基進行隔震”。若要達到這一目的，需要使用的隔震材料包含橡膠、鉛鋅、摩擦性能較強的支座等。其二，基礎隔震。震源從地下生成，接觸地基后逐漸向上。按照常規設計意圖，震動作用力在逐漸向上傳遞時，應該逐漸降低。因此，需要在建筑基礎與上部建筑之間的合適區域設置隔震設備。此即為最基本的隔震設置。其三，結構懸掛式隔震。在設計時，可以將高層建筑的全部、大部分結構進行懸掛。如此一來，在地震發生時，這些懸掛式結構受地震波沖擊的可能性較低，可有效降低地震導致的建筑損害程度。

2.2常見減震措施

減震措施常常被認為與隔震措施是一回事，這實際上是一個很大的誤區。具體而言，隔震措施是在建筑結構內部設置相關設備，實現對震動力的“阻隔”。而減震措施是指在建筑物之外設置特定的裝置，使震動力在傳遞過程中，其自身能量逐漸被消耗殆盡，從而達到降低震損的目的。這二者之間的區別在于：隔震措施會在不同程度上降低震動力通過的程度，是依靠設備自身的特性，對震動力進行抵御;減震措施可對震動力進行轉化、消除，兩者在理解上有一定的相似之處，但并不完全相同?，F階段，高層建筑結構設計時常用的減震措施為：①使用上文提到的粘滯阻尼器。其中，電磁流體阻尼器能夠產生一種流體效應，主要喲經與控制電場強度和磁場強度。在發生地震時，阻尼器能夠根據動力傳感器對建筑結構瞬時振動狀態的測量結果，通過內設的ER或MR智能芯片，實現對阻尼器減震參數的調節。此種振動阻尼參數與震動力之間進行相應，可以減小整個結構的地震反應，從而達到減震目的?？傮w而言，高層建筑結構設計過程中，設置隔震減震措施的核心思路為：通過多種方式，降低地殼板塊運動時產生的作用力作用于高層建筑的強度，盡最大可能降低建筑的受損程度，最終達到保證人民群眾生命安全，降低人身財產損失的目的。

結語：綜上所述，地震發生后，建筑結構體會在不同階段受到不同的作用力沖擊。其中還包含結構體的共振。這些振動作用都會使建筑受到傷損。因此，在設計隔震減震措施時，所謂“隔震”是指將源自地下的作用力進行傳播阻隔，盡量避免器透過阻隔裝置;所謂“減震”是指在作用力自下而上傳遞的過程中，通過特定的設備，對作用力進行轉化、消除，最終達到降低作用力的目的。對兩類措施綜合考慮、共同設置，并注意設置過程中的相關問題，可提高建筑的安全性。

參考文獻：

[1]劉國龍. 高層隔震建筑隔震層優化及長周期地震作用下的響應分析[D].蘭州理工大學，2020.

[2]趙雪飛，盧小玉. 淺談建筑結構設計中“隔震減震控制技術”的應用和發展趨勢[J]. 建材與裝飾，2019，（02）：127-128.