高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的層間隔震分析

【關(guān)鍵詞】高層；框架剪力墻結(jié)構(gòu)；層間隔震  

　　1 引言 

　　由于高層建筑可以節(jié)省大面積的建筑用地，減少市政建設(shè)投資，縮短建筑工程工期等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)高層建筑在建筑工程中的應(yīng)用日益增多。但是多高層建筑結(jié)構(gòu)與一般建筑不同，它是一種建筑面積、高度、自重大，結(jié)構(gòu)平面布置、受力情況復(fù)雜的特殊性建筑，因此必須正確選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，以保證高層建筑的安全、投資和施工進(jìn)度。目前高層建筑中比較常用的結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要有框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)以及剪力墻結(jié)構(gòu)，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)就是在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量剪力墻的結(jié)構(gòu)體系，不僅使建筑具有相當(dāng)大的剛度來(lái)提高建筑物的抗側(cè)能力，還可以提供局部大空間，滿足使用空間的靈活自由，而且相對(duì)框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)工程造價(jià)比較低，抗震效果比較好，因此在我國(guó)高層建筑中應(yīng)用廣泛。 

　　隨著高層建筑室內(nèi)外裝修以及附屬設(shè)備設(shè)施造價(jià)的提升，傳統(tǒng)的依靠結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身的彈塑性變形和延性來(lái)抵御地震作用的抗震理論，已經(jīng)不再適合現(xiàn)代高層建筑的防震設(shè)計(jì)，而近年來(lái)新出現(xiàn)的“隔震”或“制振”理論，目前在高層建筑中的防震設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，即在建筑物基礎(chǔ)或結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置一個(gè)減震系統(tǒng)，使地震能量不能夠直接傳遞到建筑物上，從而起到保護(hù)高層建筑結(jié)構(gòu)的作用。目前高層建筑中比較常用的隔震結(jié)構(gòu)主要包括層間隔震和基礎(chǔ)隔震，本文主要分析層間隔震技術(shù)在高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的基本隔震減震原理，然后從減震效果、施工難易程度以及工程造價(jià)三個(gè)角度出發(fā)，對(duì)比分析了層間隔震與基礎(chǔ)隔震的優(yōu)缺點(diǎn)，并闡述了層間隔震技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景。 

　　2 層間隔震技術(shù)的基本隔震減震原理 

　　層間隔震技術(shù)的基本思想是在高層建筑結(jié)構(gòu)的某一層安裝耗能器，以實(shí)現(xiàn)消耗地震能量減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的作用。具體來(lái)說(shuō)就是在高層建筑結(jié)構(gòu)某一層的柱頂與上部樓板之間安裝由質(zhì)量（具體包括增層結(jié)構(gòu)、隔熱層或質(zhì)量塊）和隔震支座（一般為疊層橡膠支座）組成的耗能器，從而有效吸收和消耗地震能量，減少地面運(yùn)動(dòng)的向上傳遞，進(jìn)而降低甚至消除原結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。 

　　由于隔震層上部子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比下部子結(jié)構(gòu)（即原結(jié)構(gòu)）小，而且隔震層的水平剛度比上部子結(jié)構(gòu)的層間剛度小也要小很多，使得上部子結(jié)構(gòu)在地震作用下近乎于一種整體平動(dòng)狀態(tài)，因此隔震層的減震效果具體可以用簡(jiǎn)化的兩質(zhì)點(diǎn)體系模型進(jìn)行解釋。假設(shè)地震作用下建筑物的層間結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示， 為下部子結(jié)構(gòu)質(zhì)量， 為下部子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為兩質(zhì)點(diǎn)體系的等效剛度， 為上部子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量， 為橡膠隔震支座的剛度， 、 分別為原結(jié)構(gòu)和上部子結(jié)構(gòu)的阻尼， 為地面運(yùn)動(dòng)的加速度，、 、 分別為原結(jié)構(gòu)相對(duì)于地面運(yùn)動(dòng)的加速度、速度和位移， 、 、 分別為上部子結(jié)構(gòu)相對(duì)于原結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)加速度、速度和位移。當(dāng)層間隔震體系為線彈性體系時(shí)，那么這一體系的運(yùn)動(dòng)微分方程可以用以下方程式表示： ， 。從以上公式可以很明顯的看出，地震作用下隔震層與高層建筑建筑結(jié)構(gòu)的上下子結(jié)構(gòu)相互作用，并分擔(dān)了部分建筑本應(yīng)結(jié)構(gòu)承擔(dān)的地震反應(yīng)。 

　　3 層間隔震技術(shù)與基礎(chǔ)隔震的對(duì)比分析 

　　基礎(chǔ)隔震技術(shù)出現(xiàn)的比較早，主要通過(guò)在建筑物的基礎(chǔ)頂部設(shè)置一套隔震裝置，來(lái)增加建筑結(jié)構(gòu)的自振周期，使其遠(yuǎn)離地面運(yùn)動(dòng)的卓越周期，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)上部建筑結(jié)構(gòu)的作用�；�礎(chǔ)隔震技術(shù)隔震機(jī)理明確，適用于不同地震烈度和抗震等級(jí)要求的建筑物，但是由于基礎(chǔ)隔震層除了要具備足夠的豎向剛度、豎向承載力、變形能力、復(fù)位功能、阻尼和初始剛度，還必須具備充分小的水平剛度，這就決定了建筑物的高度不能太大，上、下剛度要分布均勻，因此對(duì)于高層框架剪力墻這一上、下剛度突變的建筑物來(lái)說(shuō)，設(shè)置基礎(chǔ)隔震層則不會(huì)發(fā)揮明顯的抗震效果。由于隔震層位置上移，層間隔震技術(shù)克服了基礎(chǔ)隔震技術(shù)的缺點(diǎn)，具有其獨(dú)特的優(yōu)越性，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 

　　3.1 不用設(shè)置水平隔離縫，設(shè)計(jì)、施工方便 

　　由于隔震層的水平剛度很小，在地震發(fā)生時(shí)隔震層較其他樓層要發(fā)生較大的位移變形，因此對(duì)于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由于隔震層設(shè)置在了室外地面以下，為了能夠使隔震層能更好的發(fā)揮隔震作用，在上部建筑結(jié)構(gòu)的周邊應(yīng)設(shè)置防震縫，而且在上部結(jié)構(gòu)與地面之間還要設(shè)置水平隔離縫或水平滑移墊層。但是對(duì)于層間隔震結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由于隔震層設(shè)置在建筑物某一層的柱頂上，這樣就使地震時(shí)建筑結(jié)構(gòu)的大變形位置上移到了地面以上甚至空中，從而消除對(duì)于預(yù)留空間的顧慮，方便了建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工。 

　　3.2 隔震層頂部無(wú)需加設(shè)梁板式樓蓋，節(jié)約工程成本 

　　為了增加隔離層樓蓋的梁板剛度和承載力，對(duì)于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，需要在隔震層頂部增設(shè)一層很厚的梁板式樓蓋，這樣就增大了結(jié)構(gòu)自重，增加施工成本。但是對(duì)于層間隔震結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，則不需要另外加設(shè)這一梁板式樓蓋，只是將結(jié)構(gòu)原來(lái)的樓蓋按隔震要求設(shè)計(jì)即可，這樣就減小了隔震層上部結(jié)構(gòu)自重，減少了隔震層支座的數(shù)量和尺寸，進(jìn)而節(jié)約了加設(shè)梁板式樓蓋和隔震支座的費(fèi)用，節(jié)約了高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的施工成本。 

　　3.3 可有效利用結(jié)構(gòu)增層或隔熱層進(jìn)行隔震，增加高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震能力 

　　由于層間隔震結(jié)構(gòu)隔震層位置設(shè)置的特殊性，因此高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的增層或隔熱層在進(jìn)行適當(dāng)改建之后，可以做成隔震層，使其在發(fā)揮原有功能的同時(shí)，承擔(dān)了部分隔震減震作用，成為了高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的第二道防線。這種方法簡(jiǎn)單方便，在節(jié)約工程成本的基礎(chǔ)上，大大提高了高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震能力。 

　　4 結(jié)束語(yǔ) 

　　目前層間隔震技術(shù)還沒(méi)有形成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，因此在我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的還不夠廣泛，但是據(jù)統(tǒng)計(jì)層間隔震技術(shù)的隔震效果一般在10%～40%之間，雖然小于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，然而對(duì)于高層框架剪力墻這一結(jié)構(gòu)自重大、剛度分布不均的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)特別適用，不僅會(huì)滿足建筑結(jié)構(gòu)高度、剛度等方面的要求，還能提高其隔震減震能力。因此高層建筑工程的設(shè)計(jì)和施工人員應(yīng)合分析擬建場(chǎng)地的巖土性質(zhì)、上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素，進(jìn)行高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的隔震技術(shù)選擇和設(shè)計(jì)，充分滿足現(xiàn)行規(guī)范允許的強(qiáng)度、剛度和延性的要求，從而保證高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。 

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