高层建筑结构隔震设计关键问题探析

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所属分类:减隔震百科

本文主要探究有关于高层建筑结构隔震设计的内容,简要阐述隔震结构的组成构件以及设计要求,着重分析具体的设计内容,包括长期减震、结构延性、支座受拉、面压计算等方面。致力于提高建筑结构的稳定性,确保建筑使用人员的人身安全。以供相关人士参考。

关键词:高层建筑;结构隔震设计;结构延性

高层建筑中的隔震技术是其上部结构和地基之间的柔性连接,应用拥有一定承载能力的隔震材料以达到“吸震”的效果,是近几年地震地震工程领域应用较广且较为成熟的技术之一。该项技术让高层建筑物在地震中不倒塌成为可能,因此,应对该项技术设计的关键问题进行分析。

1高层建筑隔震结构构成及设计要求

1.1结构构成。高层建筑物中的隔震设备主要涉及到三个构件。其一,隔震支座。其属于基础性的构件,主要负责支撑上部建筑的重量,由此延长整个框架的自振周期,能够有效降低过大变形情况的概率。目前,市面上有滑动支座、叠层橡胶支座以及摩擦摆支座三种。其中,滑动支座,主要借助滚珠,隔离上部建筑与地面。在具体的建筑项目中,其和风稳定以及辅助复位两个装置联合使用。叠层橡胶是将橡胶和钢板叠合起来,使钢板能够镶嵌在橡胶中,延缓其生锈的时间。摩擦摆支座是借助摩擦形成的作用力,消耗地震能量,同时借助建筑物本身的重量,使其复位。橡胶隔震支座如下图所示。其二,阻尼器。该设备能够有效消耗地震能量,避免整体架构出现过大的位移问题。现阶段,常用的有弹塑性装置、铅棒装置以及干摩擦装置。其中铅棒阻尼器在地震期间能够软化,以此来消减地震能量。阻尼器原理如下图所示。其三,复位装置。该设备应用的主要目的在于强化装置的强度,以确保整体架构在轻震环境中保持较好的稳定性。实际使用中,通常会与相应的装置和支座配合使用[1]。1.2设计要求。结构隔震处理主要应用在高烈度以及对建筑本身功能性标准较高的建筑项目。在进行结构隔震设计时,应充分考量现场的情况,明确抗震的类别、强度、整体架构、应用标准等,设计出不同的建设方案,综合分析实施技术以及整体造价,以此选出较优的方案。对设防目标而言需高出建筑物框架的半个烈度,且在垂直方向上高于框架烈度。构件装置选择上,需根据前期的设计方案确定其性能,并通过试验的方式明确具体的参数,在正式建设前需进行检测,要求完全无不合格构件装置。

2高层建筑结构隔震设计的关键问题及处理

2.1长期减震问题。高层建筑本身周期较长,依据相关规范,长周期建筑在隔震措施实施前后,相应的地震剪力无明显差异,造成实际的减震效果较弱。若高层建筑的高度达到一百米,其原本的受其为2.5s,借助该项施工作业,可以使周期增长1s左右。但在具体的实际应用项目中却与理论内容存在较大的差异。假设某高层建筑物,其楼层数超过二十,纵向和横向分别超过五十米和二十五米。高度大致在九十米左右,且部分位置的最高值接近一百米。对此,运用等效分析的方式,其建设前后的等效位移提升百分之五十左右,且周期也延长2s左右。例如,在某高层建筑项目中,采取等效线性以及动力时程分析两种方式结合使用,以得到相应的隔震效果,经最终实验结果可得,合理设计的高层隔震结构可以得到较为明显的减震效果。2.2结构延性问题。在进行建筑隔震设计时,应注意考虑结构延性问题,需先提出各种阻尼比下的整体结构加速度反应情况,并借助等向线性化的形式获取相应的数据,由此,能够得出建筑物的位移以及剪力等信息。之后,借助非线性的分析模式,掌握建筑物整体架构的位移和各层的剪力等内容。此期间尽量使用多种方式进行分析计算,以降低错误率。建筑的延性是指其在承载力有所波动的基础上,整体结构和其中的部件能够维持的变形性。在高层建筑物中,其中受弯构件会根据实际的承载量,出现变形,使相连的其他结构形成缝隙,严重情况下还会引发非弹性变化,造成结构中的钢筋出现变形,又对受弯结构本身造成不良影响,形成恶性循环。而造成受弯部分出现问题的主要原因在于整体结构本身的变形程度。由此可知,结构延性对于建筑物本身存在关键性的作用,若遇到级别较高的地震,结构延性出现有助于降低地震对整体结构的破坏程度,有效消减地震能量,以降低建筑整体倒塌的概率,避免出现严重的人员伤亡,切实提高结构抗震的效果[2]。2.3支座受拉问题。高层建筑的整体高度相较于多层建筑更高,因此,在水平地震作用下结构倾覆效应明显。采用隔震设计后,在遇到大地震时,隔震支座极易出现拉应力,而支座构件中的橡胶类支座,其受拉效果较差,从而使得减震效果较差。据有关数据显示,该支座构件出现受拉力,是由于水平地震引起的倾覆力以及纵向地震产生的向上作用力大于建筑物本身重量对该支座构件形成的压力而形成。对此,在进行结构隔震设计时,应扩大该支座构件所承受的重力荷载范围,提高支座构件的抗拉水平,同时尽量减小由于地震形成的倾覆作用力,减小支座构件受拉的可能。例如在框架柱结构中应采用柱距较大的方案,避免较小柱距的方案,尽量增大单柱的承受重力的范围,减小支座构件受拉的可能。在框架-抗震墙结构中,要注意边缘柱承受的重力荷载相对于内柱较小,而由倾覆力矩引起的柱轴力相对于内柱较大,因此边缘柱下支座构件比较容易产生受拉情况,在实际设计中,墙结构往往会设置建筑物的边缘位置,有助于强化支座的抗拉能力。另一方面,尽量采用抗拉能力较高的隔震支座。2.4支座面压计算。支座在实际应用期间,需要长时间承载建筑物整体框架的自重。一旦遇到地震,其会往往会出现水平位移的情况,需要面对整体框架自重和地震二者产生的作用力。对于多层建筑而言,由于实际的承载力以及位移幅度较小,因此,对整体框架无过于明显的影响。而在高层建筑项目中,自重产生的作用力是隔震结构设计需要考量的关键性因素之一。另外,由于横向荷载会对整体架构形成较强的倾覆作用力,因此,在隔震设计中,应注重强化承载力以及抗震水平,此处使用橡胶支座,能够缩小实际的承压面积,会出现降低承载水平的情况。在实际建筑结构设计中,面压的计算应以其平均压应力作为计算数据,并加入地震的因素。此种计算方式产生较大的误差,且增加该部分设计建设的造价,但有助于提升结构的横向刚度,对实际的隔震效果产生作用。此外,在计算过程中,虽然考虑地震的问题,但未能对其面压进行准确核算。此种情况下,仅能提高结构在横向方向的抗震能力,而地震属于不可控的因素,因此,该种计算方式难以确保在特殊状况下,建筑物的整体结构保持较高的稳定性及安全性。由于地震属于短期作用,因此,需合理扩大平均压应力的范围,将极限面压及变形关系作为相应的控制参数。2.5结构悬挂隔震。该种隔震处理方式是将建筑本身包含的部分设施以悬挂的方式呈现,若遇到地震,采用悬挂式的设备往往不会受到地震作用力的影响,有助于控制实际的破坏程度。目前,该种隔震方式在钢结构的建筑物中较为常见。具体而言,该方面的设计难度较大,要求将主体结构和相应的子结构联系起来,对子框架起到保护的作用。悬挂式隔震的处理是使建筑物整体的主结构能够在遇到地震时,跟随地壳活动进行摆动,利用锁链实现连接,可以使地震产生的能量进行较好的传递,在此过程中,逐渐消耗能量,以此来降低地震对结构产生的破坏程度。该种隔震方式最终呈现的效果较为明显,避免地震能量对建筑本身包含的设备造成伤害。但在隔震设计中,还应考虑经济性的问题,该种建设方式实际的造价较好,因此,在常规的高层建筑中,通常不会选择[3]。

3结束语

总而言之,隔震设计需要在建筑项目施工过程中完成。借助有效的隔震建设,可以在保证高层建筑正常使用的同时,控制后续的养护工作投入,降低工程的运行成本,推动该行业的创新性进步。通过对结构设计中的隔震方式进行探究,希望可以为相关方提供基础性帮助。

参考文献

[1]白世和.高层建筑钢结构设计中的关键问题及对策研究[J].城市建设理论研究(电子版),2019(13):65.

[2]陈燕友.高层建筑结构隔震设计关键问题的探究[J].居业,2019(04):30-31.

[3]徐永秋.高层建筑结构设计中关键技术问题分析及研究[J].住宅与房地产,2018(27):197.

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