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超高层隔震建筑物结构设计技术

发布时间:2018-10-10

1耐震建筑物、隔震建筑物与消能建筑物

  中国大部分地区地处环太平洋地震带上,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。传统建筑物采用耐震设计规范设计建筑结构物,主要考虑强度与韧性,5.12地震后,由业界引进两种耐震新技术,一为隔震,另一为消能。其技术由研究阶段迈入实际应用阶段。此两种耐震新技术在日本阪神地震发生后,蓬勃发展;中国大部分地区与其它世界各主要受强震侵袭国家也不例外。自2008年5.12集集地震发生后,国内采用隔震消能新技术的建筑物案例与日俱增,规范也适应时势所驱,于耐震规范中列入专章包括了有关隔震与消能设计的规定。

  1.1耐震建筑物

  耐震建筑物耐震设计之基本原则,系使建筑物结构体在中小度地震时保持在弹性限度内,设计地震时容许产生塑性变形,但韧性需求不得超过容许韧性容量,最大考虑地震时则使用之韧性可以达规定之韧性容量。

  1.1.1中小度地震:为回归期约30年之地震,其50年超越机率约为80%左右,所以在建筑物使用年限中发生的机率相当高,因此要求建筑物于此中小度地震下结构体保持在弹性限度内,使地震过后,建筑物结构体没有任何损坏,以避免建筑物需在中小度地震后修补之麻烦。一般而言,对高韧性容量的建筑物而言,此一目标常控制其耐震设计。

  1.1.2设计地震:为回归期475年之地震,其50年超越机率约为10%左右。于此地震水平下建筑物不得产生严重损坏,以避免造成严重的人命及财产损失。对重要建筑物而言,其对应的回归期更长。于设计地震下若限制建筑物仍须保持弹性,殊不经济,因此容许建筑物在一些特定位置如梁之端部产生塑铰,藉以消耗地震能量,并降低建筑物所受之地震反应,乃对付地震的经济做法。为防止过于严重之不可修护的损坏,建筑物产生的韧性比不得超过容许韧性容量。

  1.1.3最大考虑地震:为回归期2500年之地震,其50年超越机率约为2%左右。设计目标在使建筑物于此罕见之烈震下不产生崩塌,以避免造成严重之损失或造成二次灾害。因为地震之水平已经为最大考虑地震,若还限制其韧性容量之使用,殊不经济,所以允许结构物使用之韧性可以达到其韧性容量。

  1.2隔震建筑物

  隔震建筑物系在建筑物基面设置隔震层。该隔震层系由侧向劲度很低的隔震组件构成,让整体隔震建筑物之周期大幅拉长,藉以降低作用在结构物上之地震力。然因周期增加后,建筑物之位移增加很多,因此再配合消能组件,提高系统的阻尼比,进而降低位移量。最常用的隔震组件为铅心橡胶支承垫(leadrubberbearing,简称lrb),中间所加之铅心,就是来提供消能的,而拉长周期就靠橡胶层受水平剪力作用时具有低劲度的特性来达成。lrb消能的特性很稳定,虽经过多周次之作用,其强度、劲度及消能之能力并没有明显的衰减。

  隔震建筑物另有一个特性,就是因为隔震层相对于上部结构软了许多,因此当其受地震水平力作用时,隔震层的相对变位很大,而上部结构的相对变位很小。因此有时为简单计,可以将上部结构视为刚体。

  1.3消能建筑物

  消能建筑物就是加上一些阻尼器,藉增加建筑物的阻尼比来达到耐震的目的。依据耐震设计规范10.2节之定义,消能组件概分为位移型、速度型与其它型式。位移型消能组件显现刚塑性(摩擦组件)、双线性(金属降伏组件)或三线性迟滞行为,且其反应需与速度及激振频率无关。速度型消能组件因不同的阻尼比、劲度及材料可分为:包含固态与液态之黏弹性组件及液态黏滞性组件。第三类(其它)则含括所有不属于位移型与速度型的消能组件,其典型范例包括形状记忆合金(超弹性效应)、摩擦.弹簧组件,以及兼具回复力与阻尼的液态消能组件。

  2世界各国隔震建筑物发展现况

  各国推展隔震建筑物数量不一,不过有一共通点,即大地震来临,往往成为催生者。如美国北岭地震(1994),日本阪神地震(1995),中国大部分地区集集地震(2008)等,虽然地震造成工程产官学界痛定思痛之痛楚,但经由其它建筑物损坏情形,终于肯定隔震建筑物在地震中的优越性。

  3耐震建筑与隔震建筑造价比较

  由日本统计数据显示,隔震建筑物与耐震建筑物造价比较,建筑物高度在25m以下,隔震建筑物造价约为耐震建筑物造价之105%-109%;建筑物高度在25m-31m,隔震建筑物造价约为耐震建筑物造价之102%-104%;建筑物高度在31m以上,隔震建筑物造价约为耐震建筑物造价之99%-103%。

  另比较隔震建筑物结构造价比较,办公室隔震建筑物之结构费用约占建筑物费用之18%,旅馆建筑隔震建筑物之结构费用约占建筑物费用之13%,医院隔震建筑物之结构费用约占建筑物费用之8%。显示越重要之建筑物,采用隔震建筑物设计,结构费用相对最经济。

  4隔震建筑新趋势

  高层与超高层隔震建筑物,目前日本最高隔震建筑物为位于大阪城之西梅田超高层计划,地下1层,地上50层,屋突2层(src+rc),基础隔震,楼高177.4m,高宽比5.8:1,隔震型式有滑动支承,积层橡胶垫,及u型钢板消能器+fluiddamper。

  5超高层隔震建筑物设计技术

  超高层隔震建筑物设计技术主要有下列关键因素:

  5.1长周期建筑物之隔震效果

  隔震建筑物之最优越抗震效果即在延长建筑物基本振动周期,但高层建筑物基本振动周期往往超过3秒,隔震后即使将建筑物基本振动周期拉长至5秒以上,由反应谱显示,两者加速度反应相差有限。但是在增加阻尼比降低地震位移反应,则有其贡献。

  5.2倾覆作用造成隔震组件受拉力

  隔震组件设计时必须考虑拉力作用,因此拉力试验成为规范修订之首要任务。

  5.3风力作用

  隔震层设计时必须考虑地震力作用,但是小地震或风力作用,隔震组件是否发挥功能?仍有待深入探讨。

  结论

  目前,国内有关超高层隔震建筑物设计与施工之相关研究仍相当欠缺,已完成之研究报告仍有待产、官、学之意见补充,使研究成果得以展现,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,如何有效结合产、官、学三方,尽早订定完善之超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。本文认为,在相关机制与配套措施均付之阙如下,隔震建筑物是否得以应付2500年以上之最大地震折磨尚待深入探讨,则超高层隔震建筑物发展,应在上述疑虑未澄清前,应采取更为保守之作为。

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