如何对高层隔震建筑实施构造设计

　　我国地处地中海一喜马拉雅地震带和环太平洋地震带两大地震带的中间，是多地震国家，因此，建筑物的耐震设计一直受到各界的关注。地震时不仅保证建筑结构的安全，并且保证建筑物的使用功能是隔震建筑的特征。对于建筑设计者来说，充分了解隔震建筑的性质，这将有助于安全合理的设计隔震建筑以及隔震技术的推广应用。
　　
　　前言
　　
　　我国大部分地区地处地震带上，每年发生大地震机率甚高，因此建筑物之耐震设计非常重要。目前，国内有关高层隔震建筑物设计与施工之相关研究仍相当欠缺，鉴于隔震建筑日趋普及，隔震建筑设计审查、隔震消能材料认证与验证机制、以及评定机构之指定工作，已刻不容缓。尽早订定完善之高层隔震建筑设计审查机制、隔震消能材料试验标准、以及装设前中后之检测，实为当务之急。本文主要阐述了高层隔震建筑构造设计的空间构造、规划设计、降低隔震层的水平刚度及细部结构设计等方面的内容。

　　一、隔震建筑的基本原理
　　
　　隔震建筑是结构减震控制技术运用的其中一种，在日本叫“免震建筑”，其原理为：采用隔震装置改变建筑物与地基之间连接方式。首先，通过在建筑物底部和基础顶面之间设置隔震装置，延长结构的自振周期，使结构避开地震波的高能频带；其次，提供适当阻尼使建筑物的地震反应大大减弱。简单来说，就是用隔震装置将地震时建筑物的摆动转换为建筑物对地面的横向位移，地震能量由隔震装置自身的变形来吸收。如此隔震建筑物就大大的降低扭曲及弯曲，也会明显的降低摇摆程度(地震加速度)，因而降低构造及设备的破坏。
　　
　　隔震技术主要应用于使用功能有特殊要求的建筑及抗震设防烈度为8、9度的建筑。其主要特征是地震时继续保持建筑物的性能，即地震时不仅要确保建筑结构上的安全，还要使作用于建筑物上的水平重力加速度尽可能小，避免室内设施、器具、物品等移动翻到。由此可见，此类建筑是更注重于建筑使用功能的维持，其设防目标高于“小震不坏，中震可修，大震不倒”的规定。
　　
　　二、高层震建筑构成与设计
　　
　　如何响应隔震上部结构在地震时产生的大的位移，是隔震建筑在设计上最重
　　
　　要的概念。关于设计位移的确定，一般地质条件(I、1I类场地)，隔震建筑外周侧通常留40cm的活动空间(设计位移约25cm)134-36]。然而，实际设计位移仍需结构设计人员进行确认。
　　
　　1、空间构成
　　
　　1．1上部结构
　　
　　上部结构位于隔震层的上方，地震时产生大的位移，此位移量取决于设计方向是前后左右全方位的。上部结构变形大而加速度小，所以居住性能良好，家具等也不易翻转倾覆。为了上部结构不阻碍隔震层在地震时发生大的变形，应采取以下措施：
　　
　　(1)上部结构的周边应设置防震缝缝宽不宜小于各隔震支座在地震下的最大水平位移值的1．2倍。
　　
　　(2)上部结构(包括与其相连的任何构件)与地面(包括地下室和与其相连的构件)之间，宜设置明确的水平隔离缝；当设置水平隔离缝确有困难时，应设置可靠的水平滑移垫层。
　　
　　(3)在走廊、楼梯、电梯等部位，应无任何障碍物。
　　
　　1．2隔震层
　　
　　隔震层是指设置隔离层或阻尼装置等隔震部件的区域。隔震层的上下楼层间易发生大的层间变形，因此在必要的部位必须采取充分的隔震措施来适应这个变形。
　　
　　隔震层一般规定：
　　
　　(1)隔震层内部空间除放置隔震系统以及必要的管线外，不作居室或其它用途使用时，隔震层不予计入建筑面积、容积率、建筑物层数。但为确保建筑物使用安全，隔震层四周应予封闭，除必要的维修人员出入口外，不得设置其他出入口。隔震层需作停车场或仓库等其他用途时，按普通楼层对待应计入建筑面积。
　　
　　(2)建筑物于隔震层的外周外墙的防护构造，如属隔震层必要的构造，例如挡雨构件未超过0．5m部分，不计入建筑面积。
　　
　　(3)一般建议隔震层高度采用1．8～2．1m之间，因考虑规划等因素，隔震层应计入建筑物高度。
　　
　　1.3下部结构
　　
　　下部结构位于隔震层下方，是支承上部结构及隔震层的部分。在不设地下室的基础隔震类型中，基础相当于下部结构。在中间层隔震的情况下，下部结构与一般抗震结构采用相同的处理手法和设计，不同的只是受到上部作用的地震力要小。
　　
　　1.4外周部
　　
　　外周部是指与上部结构邻接的地表部分。外周部和上部结构之间产生40cm
　　
　　左右的相对位移。为避免人员等靠近，设植栽等阻挡物。另外周边应留有足够空地，以防大地震时上部结构超越建筑红线。
　　
　　1.5邻楼空间
　　
　　邻楼空问是指相邻楼栋之间的人的活动空间。这部分也应考虑由于地震时上部结构晃动而采取相应的措施。还应注意的是，如果相邻的建筑不是抗震结构，而是隔震结构的情况下，则相对位移会很大。
　　
　　2、规划设计
　　
　　隔震建筑设置有隔震层，在地震时上部结构会产生位移。因此，外部空间应作包括邻栋间距、碰撞距离、消防及外观的舒适感等安全上的考虑。此外，建筑外墙、外围设施、坡地、挡土墙等，在场地规划时，也应从适应上部结构位移特性方面考虑。
　　
　　确定建筑物与场地边界线的关系(图1)，在可移动范围①部分要避免建筑物与边界围墙接触、碰撞。特别注意上部结构或墙外之间的距离不能过大，避免人们随意钻入，当需要进入时，要有安全措施。对建筑物有可能碰撞到人这一点要有充分认识。建筑物的长期使用过程中，其整个可移动范围内均不得堆放任何障碍物。在可移动范围②一般设有建筑的出入口，要注意不能因为上部结构的移动而使人受到伤害，为避免人、车轻易进入(出入口除外)，最好设置门墙或指示标记等。
　　
　　3、降低隔震层的水平刚度
　　
　　为了提高建筑隔震效果，使隔震层的水平刚度充分小并延长建筑物的自振周
　　
　　期，这就要求设计的时候，选择适宜的隔震支座和平面柱网尺寸。
　　
　　(1)如柱网尺寸小，采用数量多而直径小的隔震支座，以降低隔震层的水平刚性；但直径小的隔震支座其变形上限也随之减小(图4．9a)；换用直径大的隔震支座，又反而提高隔震层的刚性(图4．9b)。
　　
　　(2)加大柱网尺寸，减少隔震支座的个数，而采用直径大具有较高变形上限的支座，且不至提高隔震层的刚性(图4．9c)。
　　
　　(3)上部结构的最下层采用刚性底座(图4．9d)，隔震支座的设置与柱的位置无关，但与(图4．9c)相比造价较高。
　　
　　(4)可利用天然叠层橡胶支座与铅芯叠层橡胶支座配合使用，用二者合理数量比例进行调整，使得隔震层同时满足刚性与变形位移的要求。
　　
　　三、高层隔震建筑细部构造设计
　　
　　1、隔震安全间距
　　
　　1．1水平移动空间(安全距离)
　　
　　确定隔震建筑的可移动房屋，要考虑建筑物的所有部分，不得有遗漏。原则上可移动面(一般为水平面)是在该建筑的范围内而且只能有一个水平面。如果可移动面部分出现上下不一致，则接合部位的连续性会受到破坏，使建筑物的隔震效果大打折扣。
　　
　　此外，可移动部分及空间(采光井等)的维护，在发生大地震前应事先采取什么措施等都是很值得注意的问题，最低限度要考虑不得让人们随意进入可移动范围内。
　　
　　1．2外部构筑物设计
　　
　　为了使树木及结构上与建筑物脱离的外部构筑物适应隔震建筑大的位移，应在初步设计阶段就开始考虑采取相应的措施：
　　
　　(1)在基地边界和围墙内，要把建筑物周围的设备台座、水池等低矮的地面突出物以及建筑物与外部结构之间所设道路的宽度作为检查对象。
　　
　　(2)对靠近建筑物的树木每年的生长情况进行预测。
　　
　　(3)出入口周围，门厅的台阶、入口处雨篷、伤残人专用坡道等，与建筑外部的连接应采用伸缩构造连接。
　　
　　1.3隔震沟、墙外狭道
　　
　　在隔震层上方外墙周边设置隔震沟作为建筑隔震的安全空间，这是隔震建筑物最基本的形式。在隔震沟上方开口处的覆盖物一般是可滑动的盖扳，或做成平台，或安放设备，或做成排水沟等。也可将外墙做成幕墙，使上层楼面向外凸，或采用阳台的形式遮盖隔震层。
　　
　　(1)可移动的隔震沟盖板，由于大地震产生的变形有正有负，应注意不使隔震沟暴露。隔震沟的盖板一端在建筑外墙固定，另一端用锟轮支承，以适应变形。盖板的支承部位由不锈钢和聚四氟乙烯纤维板形成摩擦系数小，容易滑动的接触面。
　　
　　(2)伸缩连接的混凝土预制盖板，采用预制混凝土的伸缩连接盖板，在大地震时，盖板能升高并且能落下，容易复原。当采用伸缩连接的盖板时，需采取措施避免因安全距离张开过大，当建筑物向左侧移动时，导致盖板落进沟里，如果这时沟里有人会造成人员的伤害。
　　
　　(3)采用阳台遮盖，采用分离型的滑动方式，把挡墙从地面标高抬高200mm以防止雨水进入隔震层，要注意的是，楼板尽端450mm以内不放置物品，也不要有人。
　　
　　(4)采用植栽作为墙外窄道，同样采用分离型的滑动方式，注意与周边公共空间中的设施要拉开一定距离，考虑公共空间(人行道)上的人的安全。
　　
　　结语
　　
　　我国是地震多发区，造成的伤害非常大，而传统的抗震设计方法无法达到保证安全的目的。所以我们要加快隔震建筑的结构设计研究，使我们的高层建筑也不惧地震的袭击。