西南林业大学 土木工程学院 云南昆明 650224
摘要：本文主要对高层建筑结构的基础隔震技术进行分析，详细阐述了基础隔震技术，高层建筑结构设计特点，高层建筑结构基础隔震原理分析及设计流程，并提出了一些高层隔震中应该注意的问题。文中指出，基础隔震技术具有结构受力特征明确、构造相对简单、技术相对成熟的特点，能最大限度地隔离地震能量，应用在高层建筑结构中起到明显的隔震效果。
关键词：高层建筑结构；基础隔震；结构设计；设计流程
1、基础隔震技术概述
不同于传统的抗震技术，隔震技术立足于“隔”，“拒敌于门外”，其“灵魂”是“以柔克刚”，即是在建筑物的基底或某个位置设置隔震装置隔离或耗散地震能量，减轻上部结构的振动反应，使上部结构在地震下保持线弹性或较小弹塑性状态，从而确保地震下建筑物的安全。基础隔震，是指通过在结构的上部结构底部和基础顶面之间设置由隔震装置组成的隔震层，将结构的位移和变形集中于隔震层，延长结构振动周期，增大结构阻尼，避免结构在地震中发生破坏或者倒塌。
相对于传统抗震技术，采用隔震技术有以下优点：
使结构更加安全。建筑结构采用隔震措施后，与相同的非隔震结构相比，能明显延长结构周期，不仅能保证结构主体及非结构构件安全，而且还可以保证内部设备功能完好，使之在地震发生后能够正常运转。
节约成本，更加经济。虽然隔震结构增设隔震支座和阻尼器等隔震装置会增加结构造价，但由于隔震结构地震作用减小而使上部结构配筋和混凝土用量明显减小，以及在地震后期建筑内非结构构件和设备损失较小，隔震结构能从根本上节约直接成本和间接成本，显著降低工程造价，具有明显的经济效益与社会效益。
震后检测检修更加方便。地震后，只需对隔震支座进行必要的检测检修，无需对结构整体进行修复，很快便能恢复正常生产及生活。
上部结构设计更自由。由于采用隔震技术，上部结构地震作用大大减小，因此，结构选型更自由灵活，解决了很多结构设计技术难题。
2、高层建筑结构设计特点
高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构设计相比较，结构专业在各专业中占有更重要的地位，其结构设计主要有以下特点：
（1）水平荷载成为决定性因素。建筑物自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑物高度成线性关系；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中引起的轴力，是与建筑物高度的二次方成正比。另外，对某一定高度建筑物而言，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。
（2）轴向变形不容忽视。高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响。
（3）侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
（4）结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言，高层建筑结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
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3、高层建筑结构基础隔震原理分析
基础隔震是最早得到研究并得到广泛应用的隔震类型，如今已经系统化、实用化，具有结构受力特征明确、构造相对简单、技术相对成熟的特点，能最大限度地隔离地震能量，相对其它隔震类型更多地应用在高层建筑结构中。
然而，由于高层建筑结构本身的周期已较长，采用基础隔震技术后，高层建筑结构的周期延长不如中低层建筑结构显著，似乎传统的基于延长周期的隔震原理已无法解释隔震技术在高层建筑中应用的合理性，而实际高层建筑隔震的动力分析结果又表明高层建筑隔震仍具有明显的隔震效果。
其实，隔震技术在高层建筑中应用的合理性来源于多个方面，其中比较主要的方面在于隔震层同时也是绝好的消能减震层，结构的大部分变形集中在隔震层，使得隔震层中阻尼器的消能作用具有更高的效率。另外，即使只考虑隔震本身，高层建筑隔震仍具有其他优势，主要体现在上部结构绝对加速度响应的降低，这也是在高层建筑中采用隔震技术的主要优势。
4、高层建筑结构基础隔震设计流程
高层建筑结构隔震设计一般采用分步设计法，即将整个隔震结构分为上部结构、隔震层、下部结构及基础等部分，分别进行设计。其设计流程如下：
确定拟建建筑的设防标准和水平向减震系数，对上部结构进行结构平、立面布置；
根据上部结构情况，初步选定隔震支座的类型、平面布置等情况；
选择合适的分析方法对隔震建筑进行设防烈度地震作用下的验算；
检查水平向减震系数是否与假定相符，若与假定相差较大，应重新进行上部结构布置或者重新选择隔震装置并进行隔震层布置；若相符，可以进行罕遇地震作用下水平位移验算，并验证是否满足规范要求。
满足要求后，分别进行上部结构、隔震层及基础设计。
在对上部结构进行设计时，仍然采用抗震结构的设计方法，但水平地震作用应采用隔震以后的地震作用值。但需要注意的是，由于隔震支座并不能隔离竖向地震作用，因此竖向地震作用不能降低。其抗震措施，可以根据具体情况区别对待。对隔震层设计时，首先要满足承载力的要求，根据预期的水平向减震系数和位移控制要求，选择隔震层的等效刚度和等效阻尼比，还要验算隔震层在罕遇地震下的强度和稳定性。而对基础进行设计时，应注意隔震结构地基基础的抗震验算不考虑隔震产生的减震效应，仍然按照本地区设防烈度进行。
5、高层建筑结构基础隔震应注意的问题
随着隔震理论的不断成熟，高层建筑结构基础隔震技术的前景也越来越好，但仍需注意以下问题：
隔震支座的抗拉能力。由于高层基础隔震结构高宽比比较大，在地震作用下产生较大的倾覆力矩，可能抵消重力影响而使边柱受拉，使得布置在边柱下面的隔震支座出现受拉情况，因此需要注意隔震支座应该具有一定的抗拉能力。
风荷载下的舒适度。近年来，高层隔震的研究方向主要在结构的承载力方面，却很少进行其正常使用功能的研究。而风荷载作为一种很常见的荷载，对结构舒适度有着直接的影响。因此，需要注意在风荷载作用下如何进行结构设计才能满足舒适度的要求。
基于性能的隔震设计。与只注重结构安全的设计相比，基于性能的隔震设计允许对不同的高层结构根据业主的要求设定不同的性能指标，并对这些性能标准基于投资-效益准则进行优化，找出最佳的设计方案。
综上所述，基础隔震技术作为一种系统化、实用化的技术，应用在高层建筑结构中，不仅能使结构更加安全可靠，还具有很大的经济效益与社会效益。但是随着高层建筑结构在高度上的不断突破以及形状的不规则化，越来越多的问题需要我们去考虑，以确保在控制经济成本的前提下尽可能减少地震造成的损失。
参考文献：
[1]日本建筑学会．隔震结构设计[M].刘文光.地震出版社，2006.
[2]秦荣．高层与超高层建筑结构[M]．北京：科学出版社，2007.
基金项目：云南省农业联合专项青年项目（2017）；云南省教育厅项目（2015Y298）；西南林业大学教育科学重点课题（2017）；云南省科技厅项目（2016RA079）
作者简介：徐敏，女，硕士研究生。通讯作者：刘德稳，男，博士，副教授，清华大学访问学者。
论文作者:徐敏,姚顺忠,刘德稳,蒋蜀江,王晨星
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第20期
论文发表时间:2018/2/9
标签：结构论文; 建筑结构论文; 荷载论文; 高层论文; 基础论文; 支座论文; 技术论文; 《建筑科技》2017年第20期论文;