高层框架剪力墙结构的层间隔震分析

【关键词】高层；框架剪力墙结构；层间隔震  

　　1 引言 

　　由于高层建筑可以节省大面积的建筑用地，减少市政建设投资，缩短建筑工程工期等优点，因此近年来高层建筑在建筑工程中的应用日益增多。但是多高层建筑结构与一般建筑不同，它是一种建筑面积、高度、自重大，结构平面布置、受力情况复杂的特殊性建筑，因此必须正确选择合理的结构形式，以保证高层建筑的安全、投资和施工进度。目前高层建筑中比较常用的结构类型主要有框架结构、框架剪力墙结构以及剪力墙结构，框架-剪力墙结构就是在框架结构中布置一定数量剪力墙的结构体系，不仅使建筑具有相当大的刚度来提高建筑物的抗侧能力，还可以提供局部大空间，满足使用空间的灵活自由，而且相对框架结构、剪力墙结构来说工程造价比较低，抗震效果比较好，因此在我国高层建筑中应用广泛。 

　　随着高层建筑室内外装修以及附属设备设施造价的提升，传统的依靠结构构件自身的弹塑性变形和延性来抵御地震作用的抗震理论，已经不再适合现代高层建筑的防震设计，而近年来新出现的“隔震”或“制振”理论，目前在高层建筑中的防震设计中应用广泛，即在建筑物基础或结构顶部设置一个减震系统，使地震能量不能够直接传递到建筑物上，从而起到保护高层建筑结构的作用。目前高层建筑中比较常用的隔震结构主要包括层间隔震和基础隔震，本文主要分析层间隔震技术在高层框架剪力墙结构中的基本隔震减震原理，然后从减震效果、施工难易程度以及工程造价三个角度出发，对比分析了层间隔震与基础隔震的优缺点，并阐述了层间隔震技术的广阔应用前景。 

　　2 层间隔震技术的基本隔震减震原理 

　　层间隔震技术的基本思想是在高层建筑结构的某一层安装耗能器，以实现消耗地震能量减小结构地震反应的作用。具体来说就是在高层建筑结构某一层的柱顶与上部楼板之间安装由质量（具体包括增层结构、隔热层或质量块）和隔震支座（一般为叠层橡胶支座）组成的耗能器，从而有效吸收和消耗地震能量，减少地面运动的向上传递，进而降低甚至消除原结构的地震反应。 

　　由于隔震层上部子结构的质量比下部子结构（即原结构）小，而且隔震层的水平刚度比上部子结构的层间刚度小也要小很多，使得上部子结构在地震作用下近乎于一种整体平动状态，因此隔震层的减震效果具体可以用简化的两质点体系模型进行解释。假设地震作用下建筑物的层间结构示意图如图1所示， 为下部子结构质量， 为下部子结构简化为两质点体系的等效刚度， 为上部子结构的质量， 为橡胶隔震支座的刚度， 、 分别为原结构和上部子结构的阻尼， 为地面运动的加速度，、 、 分别为原结构相对于地面运动的加速度、速度和位移， 、 、 分别为上部子结构相对于原结构运动的运动加速度、速度和位移。当层间隔震体系为线弹性体系时，那么这一体系的运动微分方程可以用以下方程式表示： ， 。从以上公式可以很明显的看出，地震作用下隔震层与高层建筑建筑结构的上下子结构相互作用，并分担了部分建筑本应结构承担的地震反应。 

　　3 层间隔震技术与基础隔震的对比分析 

　　基础隔震技术出现的比较早，主要通过在建筑物的基础顶部设置一套隔震装置，来增加建筑结构的自振周期，使其远离地面运动的卓越周期，以实现保护上部建筑结构的作用。基础隔震技术隔震机理明确，适用于不同地震烈度和抗震等级要求的建筑物，但是由于基础隔震层除了要具备足够的竖向刚度、竖向承载力、变形能力、复位功能、阻尼和初始刚度，还必须具备充分小的水平刚度，这就决定了建筑物的高度不能太大，上、下刚度要分布均匀，因此对于高层框架剪力墙这一上、下刚度突变的建筑物来说，设置基础隔震层则不会发挥明显的抗震效果。由于隔震层位置上移，层间隔震技术克服了基础隔震技术的缺点，具有其独特的优越性，具体表现在以下几个方面。 

　　3.1 不用设置水平隔离缝，设计、施工方便 

　　由于隔震层的水平刚度很小，在地震发生时隔震层较其他楼层要发生较大的位移变形，因此对于基础隔震结构来说，由于隔震层设置在了室外地面以下，为了能够使隔震层能更好的发挥隔震作用，在上部建筑结构的周边应设置防震缝，而且在上部结构与地面之间还要设置水平隔离缝或水平滑移垫层。但是对于层间隔震结构来说，由于隔震层设置在建筑物某一层的柱顶上，这样就使地震时建筑结构的大变形位置上移到了地面以上甚至空中，从而消除对于预留空间的顾虑，方便了建筑结构的设计与施工。 

　　3.2 隔震层顶部无需加设梁板式楼盖，节约工程成本 

　　为了增加隔离层楼盖的梁板刚度和承载力，对于基础隔震结构来说，需要在隔震层顶部增设一层很厚的梁板式楼盖，这样就增大了结构自重，增加施工成本。但是对于层间隔震结构来说，则不需要另外加设这一梁板式楼盖，只是将结构原来的楼盖按隔震要求设计即可，这样就减小了隔震层上部结构自重，减少了隔震层支座的数量和尺寸，进而节约了加设梁板式楼盖和隔震支座的费用，节约了高层框架剪力墙结构的施工成本。 

　　3.3 可有效利用结构增层或隔热层进行隔震，增加高层框架剪力墙结构的抗震能力 

　　由于层间隔震结构隔震层位置设置的特殊性，因此高层框架剪力墙结构的增层或隔热层在进行适当改建之后，可以做成隔震层，使其在发挥原有功能的同时，承担了部分隔震减震作用，成为了高层建筑结构抗震的第二道防线。这种方法简单方便，在节约工程成本的基础上，大大提高了高层框架剪力墙结构的抗震能力。 

　　4 结束语 

　　目前层间隔震技术还没有形成系统的设计方法，因此在我国高层建筑结构中应用的还不够广泛，但是据统计层间隔震技术的隔震效果一般在10%～40%之间，虽然小于基础隔震结构，然而对于高层框架剪力墙这一结构自重大、刚度分布不均的结构来说特别适用，不仅会满足建筑结构高度、刚度等方面的要求，还能提高其隔震减震能力。因此高层建筑工程的设计和施工人员应合分析拟建场地的岩土性质、上部结构特点等因素，进行高层框架剪力墙结构的隔震技术选择和设计，充分满足现行规范允许的强度、刚度和延性的要求，从而保证高层框架剪力墙结构的安全可靠、经济合理。 

　　参考文献 

　　[1] 祁皑. 层间隔震技术评述[J]. 地震工程与工程振动，2004，24，6：114-120 

　　[2] 施卫星，王群. 层间隔震原理和设计方法[J]. 工程抗震，1997，4：20-22 

　　[3] 周福霖，张颖，谭平. 层间隔震体系的理论研究[J]. 土木工程学报，2009，42，8：1-8