建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計難點分析

建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計難點分析第一頁，共53頁。

目

錄一、前言二、隔震結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)缺點三、隔震結(jié)構(gòu)的主要適用范圍四、隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容五、隔震支座以上部分設(shè)計六、隔震支座的設(shè)計七、隔震結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計八、隔震支座以下結(jié)構(gòu)（懸臂柱或地下室）的設(shè)計九、隔震結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施2023/4/222第二頁，共53頁。一、前言

1、隔震設(shè)計技術(shù)以前用的不是很多。所以對于設(shè)計師來說這項先進技術(shù)的應(yīng)用就是科技創(chuàng)新。近年來一些新技術(shù)在已開始試用，比如曲屈支撐、預(yù)應(yīng)力等，這都是可喜的突破。

2、據(jù)了解隔震設(shè)計在其他設(shè)計院采用的也不多。一般是設(shè)計院與隔震公司合作設(shè)計，設(shè)計院僅作常規(guī)設(shè)計部分，核心部分的設(shè)計通常由隔震公司完成。換言之，設(shè)計單位沒有獨立設(shè)計能力。

3、隔震設(shè)計比常規(guī)設(shè)計難的多，工作量大，所以難以推廣。雖然有了設(shè)計規(guī)范，但隔震技術(shù)還處于“初期階段”，許多問題還在研究探討之中。

4、“落后就要挨打”。作為“國內(nèi)一流、行業(yè)

2023/4/223第三頁，共53頁。領(lǐng)先”的設(shè)計院，必須盡快掌握這項新技術(shù)，否則只能自己稱自己“領(lǐng)先”，就會從“瞧不起”到“看不懂”，再到“跟不上”。

5、于院長在2016年年中工作會上的講話中，要求由技術(shù)質(zhì)量部牽頭，專家咨詢中心和專業(yè)委員會通力配合，在技術(shù)創(chuàng)新方面有所突破。為了完成院長下達的任務(wù)，安排了這次培訓(xùn)。

6、由于這項技術(shù)比較難，如果沒有反復(fù)深入的學(xué)習(xí)過這方面的知識，有些同事可能聽不懂，估計培訓(xùn)效果不理想，不一定會獲得大家的好評，可能會出力不討好。但是總要有人作出“犧牲”，有人邁出這第一步。作為專家咨詢中心，應(yīng)當(dāng)承擔(dān)起這個責(zé)任，應(yīng)當(dāng)對中聯(lián)院的技術(shù)創(chuàng)新起到引領(lǐng)作用。

2023/4/224第四頁，共53頁。7、這次講座厘清了隔震設(shè)計中的一些關(guān)鍵的概念和問題，比如小震、中震、大震、彈性、彈塑性、基本組合、標準組合、豎向地震、振型分解法、時程分析法等各用在什么情況下？這對大家今后的學(xué)習(xí)和設(shè)計肯定有幫助，大家可以對照著我的講稿來設(shè)計。這也是安排這次講座的另一個原因。

8、為了提高培訓(xùn)效果，這次采用理論與實例相結(jié)合的辦法，看到實例就清楚了理論。

9、如果這次講座大家收獲不大，也請大家諒解。

二、隔震結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)缺點

1、主要優(yōu)點：提高結(jié)構(gòu)在地震中的安全度（從震害調(diào)查看出）；減小隔震層以上部分構(gòu)件的截面尺寸和配筋。

2023/4/225第五頁，共53頁。2、主要缺點：綜合造價高（隔震支座的設(shè)備和安裝費大約是100元/平方米，不含土建增加費用）；設(shè)計麻煩；適用于部分建筑；不能減小豎向地震的作用。

三、隔震結(jié)構(gòu)的主要適用范圍

1、結(jié)構(gòu)高寬比宜小于4，且不應(yīng)大于非隔震結(jié)構(gòu)的高寬比限值。超過時需要進行專門研究和專項抗震審查。主要適用于低層及多層。

2、建筑場地宜為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，并應(yīng)選用穩(wěn)定性較好的基礎(chǔ)類型。

3、風(fēng)荷載和其他非地震作用的水平荷載標準值產(chǎn)生的總水平力不宜超過結(jié)構(gòu)總重力的10%。

4、推薦使用范圍：重要的、有特殊要求的建筑，

2023/4/226第六頁，共53頁。

比如9度、8度（0.3g）等地震高烈度區(qū)，且地震時有特殊使用要求的建筑或地震后需要盡快回復(fù)使用功能的建筑。

四、隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容

隔震結(jié)構(gòu)是在普通結(jié)構(gòu)的底部（基礎(chǔ)頂）或下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置橡膠隔震支座。隔震結(jié)構(gòu)分為四部分：隔震支座以上部分、隔震支座、隔震支座以下部分和基礎(chǔ)。隔震支座的上面要設(shè)置一層短柱和梁板樓蓋結(jié)構(gòu)，其板厚不小于160mm。短柱和梁板樓蓋構(gòu)成計算模型的一層樓，與非隔震結(jié)構(gòu)相比，這層是新加的，為了描述方便，稱其為0層。0層的層高一般取為短柱的高度，梁柱截面按實際尺寸輸入。當(dāng)沒有地下室時，需要在隔震支座的下面設(shè)置鋼筋砼支柱；當(dāng)有地下室時，隔

2023/4/227第七頁，共53頁。震支座直接放置在地下室柱頂。隔震支座以上部分屬于上部結(jié)構(gòu)，隔震支座以下部分屬于下部結(jié)構(gòu)。

橡膠隔震支座應(yīng)具有整體復(fù)位功能。

隔震層能夠延長整個結(jié)構(gòu)體系的自振周期，減少輸入上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用。隔震層的本質(zhì)就是一種特殊的薄弱層，該薄弱層承載力可控，大震變形可控，且具有預(yù)定的復(fù)位功能等。隔震一般可使結(jié)構(gòu)的水平地震加速度降低60%左右。即隔震后可使上部結(jié)構(gòu)的設(shè)防烈度降低1~1.5度，不能降低2度，有1.5度時降低1.5度，沒有1.5度時降低1度，因為沒有6.5度。具體降低的烈度分檔見表1。

2023/4/228第八頁，共53頁。

2023/4/229第九頁，共53頁。

隔震結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的設(shè)計與常規(guī)設(shè)計相同，以下只介紹其他三部分的設(shè)計。

五、隔震支座以上部分設(shè)計

1、地震作用通過隔震支座后衰減，所以隔震支座以上部分是按照降低以后的烈度作為設(shè)防烈度，再按照小震、彈性、振型分解反應(yīng)譜的方法進行設(shè)計。

2、隔震層以上結(jié)構(gòu)一般降低1~1.5度，能否降低這個烈度，需要通過水平向減震系數(shù)β來控制。隔震后水平地震作用計算用的水平地震影響系數(shù)最大值通過公式αmax1=βαmax/ψ來計算，其中αmax1--隔震后的水平地震影響系數(shù)最大值；αmax—非隔震的水平地震影響系數(shù)最大值；β—水平向減震系數(shù)；對于多層建筑，為按彈性計算所得的隔震與非隔震各層層間剪力的最大比值。2023/4/2210第十頁，共53頁。對于高層建筑，尚應(yīng)計算隔震與非隔震各層傾覆力矩的最大比值，并與層間剪力的最大比值相比較，取二者的較大值；ψ—調(diào)整系數(shù)；一般橡膠支座，取0.8；支座剪切性能偏差為S-A類，取0.85；隔震裝置帶有阻尼器時，相應(yīng)減少0.05。注：（1）彈性計算時，簡化計算和反應(yīng)譜分析時宜按隔震支座水平剪切應(yīng)變?yōu)?00%時的性能參數(shù)（產(chǎn)品樣本提供）計算；當(dāng)采用時程分析法時按設(shè)計基本地震加速度輸入進行計算；（2）支座剪切性能偏差按現(xiàn)行國家產(chǎn)品標準《橡膠支座第3部分：建筑隔震橡膠支座》GB20688.3確定。

β值的計算，不論是采用彈性還是彈塑性計算，都要按照設(shè)防烈度（中震）計算。大多數(shù)是采用彈塑性2023/4/2211第十一頁，共53頁。時程分析的方法，規(guī)范推薦的底部剪力法和反應(yīng)譜法這兩種彈性計算方法一般少用，彈性時程分析法一般不用。采用的計算模型分別是隔震模型和非隔震模型。β值與隔震前后地震烈度的變化關(guān)系見前面表1。β值的計算見后面的例子。

3、隔震支座以上部分設(shè)計計算模型是將0層以下的隔震支座及以下部分取消，0層柱底鉸接，0層作為地上一層，嵌固端在0層柱底。

2023/4/2212第十二頁，共53頁。

隔震層頂蓋樓板厚不小于160，該層不是上部結(jié)構(gòu)的嵌固處，是上部結(jié)構(gòu)的底部在隔震層支座處的“收頭”，規(guī)范對其配筋構(gòu)造沒有要求，可按照普通樓層板設(shè)計。建議按雙層雙向配筋，配筋率不小于0.20%。當(dāng)有地下室時，地下室頂蓋的樓板取消，嵌固端仍在地下室頂蓋處（隔震支座底部），因為地下室按照罕遇地震作用計算，其強度、剛度都很大，可以作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。

4、隔震層以上結(jié)構(gòu)的總水平地震作用不得低于非隔震結(jié)構(gòu)在6度設(shè)防時的總水平地震作用，并應(yīng)進行抗震驗算；各樓層的水平地震剪力尚應(yīng)符合《抗規(guī)》

2023/4/2213第十三頁，共53頁。

第5.2.5條對本地區(qū)設(shè)防烈度的最小地震剪力系數(shù)的規(guī)定。所以對于長周期的結(jié)構(gòu)，即使采用了隔震結(jié)構(gòu)，其設(shè)計計算的隔震效果很小或沒有效果。

5、9度時和8度且水平向減震系數(shù)不大于0.3時，隔震層以上的結(jié)構(gòu)應(yīng)進行豎向地震作用的計算。計算方法同9度時非隔震結(jié)構(gòu)。豎向地震作用標準值，8度（0.20g）、8度（0.30g）和9度（0.40g）時分別不小于隔震層以上結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值的20%、30%和40%。隔震層以上采用振型分解反應(yīng)譜法計算時要查看豎向地震作用標準值，如果小于總重力荷載代表值的20%、30%和40%，就要放大豎向地震作用的組合系數(shù)，使其滿足該要求。8度且水平向減震系數(shù)大于0.3時，按照隔震要2023/4/2214第十四頁，共53頁。求可以不考慮上部結(jié)構(gòu)的豎向地震作用，但是如果滿足《抗規(guī)》5.3節(jié)的條件，也需要計算豎向地震作用，按照這節(jié)的方法計算，但不需要滿足隔震對豎向地震最小值的限值。

六、隔震支座的設(shè)計

1、用于隔震支座設(shè)計的隔震計算模型，是在0層柱的底下加入隔震支座，0層柱底鉸接。隔震層以下部分取消，計算嵌固端在0層柱底。隔震層的剛度是按照隔震支座的計算參數(shù)，采用“Rubberisolator”軟件模擬的。在隔震計算模型中將隔震支座取消，0層柱底固接，就得到非隔震計算模型，嵌固端仍然在0層柱底。

2023/4/2215第十五頁，共53頁。

2、隔震支座的設(shè)計和驗算，一般采用隔震模型，在中、大震作用下，彈塑性時程分析的結(jié)果。

3、地震波，一般選用5條實際強震記錄和2條人工模擬波，計算結(jié)果取平均值。多條時程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符。所謂“在統(tǒng)計意義上相符”指的是二者在主要振型周期點上相差不大于20%，即平均基底剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%，每條地震波的計算結(jié)果不小于65%，也不能大于135%，平均不大于120%。選波三要素：頻譜特性、有效峰值2023/4/2216第十六頁，共53頁。和持續(xù)時間。（1）頻譜特性可用地震影響系數(shù)曲線表征，依據(jù)場地類別和設(shè)計地震分組；（2）有效峰值就是地震加速度的最大值，為了使地震波在統(tǒng)計意義相符，有效峰值可以調(diào)大或調(diào)小；（3）有效持續(xù)時間一般從首次達到該時程曲線最大峰值的10%那一點算起，到最后一點達到最大峰值的10%為止，持續(xù)時間一般取結(jié)構(gòu)基本周期的（5~10）倍，即結(jié)構(gòu)頂點可按基本周期往復(fù)（5~10）次。

【例】西安高新一小東校區(qū)教學(xué)樓左3隔震設(shè)計

(一).工程概況

1.工程名稱:西安高新一小東校區(qū)教學(xué)樓左3

2.工程地點:西安

3.工程用途:學(xué)校

2023/4/2217第十七頁，共53頁。4.工程規(guī)模

(1)建筑面積：約4381.58m2；

(2)高度：建筑高度約為23.2m；

(3)層數(shù)：地上6層，地下1層。

5.主要自然條件

(1)場地類別：Ⅱ類；

(2)設(shè)計地震分組：第一組；

(3)特征周期：0.40s；

(4)抗震設(shè)防烈度：8度；

(5)設(shè)計基本地震加速度：0.20g；

(6)建筑抗震設(shè)防類別：重點設(shè)防類（乙類）

(7)基本風(fēng)壓：0.35kN/m2。

6.結(jié)構(gòu)概況2023/4/2218第十八頁，共53頁。(1)結(jié)構(gòu)類型：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；

(2)抗震等級：二級（隔震后）；

(3)地基基礎(chǔ)設(shè)計等級：乙級。

(二).計算參數(shù)及隔震支座選型布置

1.計算程序

程序名稱：ETABS2013

程序功能：三維空間彈塑性時程分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.ETABS模型建立

本工程使用大型有限元軟件ETABS建立隔震與非隔震結(jié)構(gòu)模型，使用連接單元“Rubberisolator”模擬橡膠隔震支座。本結(jié)構(gòu)模型依據(jù)PKPM模型，使用YJK程序轉(zhuǎn)換得到。ETABS模型如例圖1所示。

2023/4/2219第十九頁，共53頁。

例圖1結(jié)構(gòu)有限元模型示意2023/4/2220第二十頁，共53頁。

3.地震波

設(shè)防烈度下本工程所選地震動時程反應(yīng)譜如例圖2所示，結(jié)構(gòu)基底剪力比較見例表1。

例圖2地震動反應(yīng)譜

2023/4/2221第二十一頁，共53頁。

由例表1可知，本工程所選地震波滿足《抗規(guī)》相關(guān)要求。

2023/4/2222第二十二頁，共53頁。4、驗算7條地震波的符合性時，時程分析采用中震、彈塑性、隔震模型，振型分解反應(yīng)譜法也是采用中震、彈性、隔震模型。采用中震是因為《抗規(guī)》12.2.5條的注1規(guī)定：計算β值時，當(dāng)采用時程分析法時按設(shè)計基本地震加速度輸入進行計算。由于彈塑性時程分析采用的是等效剛度計算，與彈性時程分析的結(jié)果相差不大（有計算比較），所以可以用彈塑性時程法與彈性反應(yīng)譜法的結(jié)果直接相比，不算矛盾。

5、隔震支座選型布置

隔震支座按照隔震模型在重力荷載代表值作用下（1.0恒載+0.5活載）的豎向壓應(yīng)力不能超過《抗規(guī)》表12.2.3的限值，或者在重力荷載代表值作用下的豎向力不超過隔震橡膠支座的豎向承載力。據(jù)此初選隔2023/4/2223第二十三頁，共53頁。震支座的型號并布置，選擇原則應(yīng)使壓應(yīng)力布置均勻，最大限度發(fā)揮隔震效果。橡膠支座的豎向承載力就是橡膠支座的截面面積乘以壓應(yīng)力的限值，該承載力也可以從隔震橡膠支座的產(chǎn)品樣本中查到。比如鉛芯橡膠支座LRB500，有效直徑為500mm，有效截面為3.14X2502=196250mm2，196250X12=2355000N=2355kN，該值就是LRB500的乙類建筑豎向承載力。

2023/4/2224第二十四頁，共53頁?！纠?.隔震支座布置

重力荷載代表值作用下隔震橡膠支座的壓應(yīng)力如例表2所示。

例表2橡膠隔震支座在重力荷載代表值作用下（1.0恒載+0.5活載）的豎向壓應(yīng)力

2023/4/2225第二十五頁，共53頁。2023/4/2226第二十六頁，共53頁。

由例表2可知，隔震支座重力荷載代表值下壓應(yīng)力滿足《抗規(guī)》12.2.3的要求。

本工程選用鉛芯橡膠支座（LRB），隔震支座相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)見例表3。

2023/4/2227第二十七頁，共53頁。本工程的隔震支座布置如例圖3所示。

例圖3隔震支座編號及布置

2023/4/2228第二十八頁，共53頁。

例圖3所示，該項目共使用LRB500（7個），LRB550（4個），LRB700（4個），LRB800（8個）。

6、驗算隔震后兩個方向的周期差?！动B層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》（CECS126:2001）的4.1.3條規(guī)定：“隔震房屋兩個方向的基本周期相差不宜超過較小值的30%”。隔震房屋在兩個方向的基本周期如果差別過大，將導(dǎo)致兩個方向隔震效果也差別較大，所以有必要限定兩者相差不宜超過較小值的30%。所以兩個方向的周期差要驗算。

【例】隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)的周期對比見例表4，隔震后結(jié)構(gòu)周期明顯延長。由例表4可知，采用隔震技術(shù)后，兩個方向的基本周期相差為（2.7424-2.6950）/2.6950=1.76%，滿足規(guī)范要求。

2023/4/2229第二十九頁，共53頁。2023/4/2230第三十頁，共53頁。7、水平地震影響系數(shù)β的計算

在設(shè)防地震（中震）作用下，采用彈塑性時程分析法分別計算非隔震模型與隔震模型在每條波下的X、Y向?qū)娱g剪力和層間剪力比，分別計算出7條波下X、Y向?qū)娱g剪力比的平均值和最大值，再選出隔震層以上各層層間剪力比的最大值，該值即為水平向減震系數(shù)β。

【例】

2023/4/2231第三十一頁，共53頁。2023/4/2232第三十二頁，共53頁。2023/4/2233第三十三頁，共53頁。2023/4/2234第三十四頁，共53頁。2023/4/2235第三十五頁，共53頁。

由續(xù)表7可知，隔震與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力比（7條時程波平均值）最大值為0.376，故取β=0.376，根據(jù)表1，本工程取隔震后結(jié)構(gòu)比非隔震結(jié)構(gòu)降低一度設(shè)計，水平地震影響系數(shù)最大值αmax1=0.08。

調(diào)整β值有3條路徑：（1）將部分鉛芯橡膠支座改為天然橡膠支座；（2）將橡膠類型由G6改為G4，G6代表橡膠的剪切彈性模量的大??；（3）將部分支座改為彈性滑移支座。

8、隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移驗算

《抗規(guī)》12.2.6條規(guī)定，隔震支座對應(yīng)于罕遇地震水平剪力的水平位移不應(yīng)超過該支座有效直徑的0.55倍和支座內(nèi)部橡膠總厚度3.0倍二者的較小值。該計算2023/4/2236第三十六頁，共53頁。為設(shè)防烈度的罕遇地震下，采用隔震模型，采用（1.0恒載+0.5活載+1.0水平地震）荷載(標準)組合，彈塑性時程分析，計算出每一個支座在每一條波下的X、Y向支座剪力和支座位移，再分別算出每個支座在7條波下X、Y向的支座剪力平均值和支座位移平均值，在X、Y向的支座位移平均值中再選出最大值，最大值不應(yīng)超過支座最大位移限值。該組合是標準組合，用于計算位移，所以其支座最大剪力無用。

【例】

2023/4/2237第三十七頁，共53頁。2023/4/2238第三十八頁，共53頁。2023/4/2239第三十九頁，共53頁。2023/4/2240第四十頁，共53頁。2023/4/2241第四十一頁，共53頁。

由續(xù)表8可知，在罕遇地震作用下，隔震層的水平向最大平均位移為219mm。

直徑500支座的最大允許變形：0.55X500=275mm；96X3=288mm，96為橡膠總厚度，取較小值為275mm。

最大平均位移小于最大允許變形，所以選取的支座滿足結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的水平變形要求。

9、隔震支座在罕遇地震作用下的最大壓力和最大拉力驗算

《抗規(guī)》12.2.4條規(guī)定，隔震橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時作用下，拉應(yīng)力不應(yīng)大于1.00MPa。12.2.4條的條文說明（P454）中規(guī)定在罕遇地震的水平和豎向地震同時作用下隔震支座的最大壓2023/4/2242第四十二頁，共53頁。應(yīng)力不應(yīng)超過34MPa（一般取30MPa）。工況是隔震模型、設(shè)防烈度的罕遇地震、彈塑性時程分析，最大壓應(yīng)力（設(shè)計值）的荷載組合為：1.2（1.0恒載+0.5活載）+1.3水平地震+0.5豎向地震；最大拉應(yīng)力（標準值）的荷載組合為：1.0恒載+1.0水平地震-0.5豎向地震。

【例】2023/4/2243第四十三頁，共53頁。2023/4/2244第四十四頁，共53頁。2023/4/2245第四十五頁，共53頁。

由例表9可知，隔震支座在罕遇地震作用下的最大拉應(yīng)力（7條波的平均值）均小于1Mpa；最大壓應(yīng)力為23.68MPa，小于30MPa，滿足《抗規(guī)》的相關(guān)要求。

七、隔震結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計

《抗規(guī)》12.1.3條規(guī)定，隔震結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和其他非地震作用的水平荷載標準值產(chǎn)生的總水平力不宜超過結(jié)構(gòu)總重力的10%。另外這個總水平力也不能超過各支座的水平設(shè)計承載力之和，支座的水平設(shè)計承載力就是產(chǎn)品樣本中的屈服力。

【例】

風(fēng)荷載作用下隔震層的水平剪力標準值Vwk=714kN，結(jié)構(gòu)總重力的10%即0.1X7018X9.81=6884kN。另外，抗風(fēng)裝置的水平承載力設(shè)計值(隔震支座的水平屈服力)：

2023/4/2246第四十六頁，共53頁。VRw=62.8X7+76X4+123.1X4+160.8X8=2522kN

即：1.4Vwk=1.4X714=1000kN<VRw<0.1Geq，抗風(fēng)設(shè)計滿足規(guī)范要求。

八、隔震支座以下結(jié)構(gòu)（懸臂柱或地下室）的設(shè)計

《抗規(guī)》12.2.9條規(guī)定，隔震層的支墩、支柱及相連構(gòu)件，應(yīng)采用隔震結(jié)構(gòu)罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和力矩進行承載力驗算；隔震層以下的結(jié)構(gòu)（包括地下室和隔震塔樓下的底盤）中直接支撐隔震層以上結(jié)構(gòu)的相關(guān)構(gòu)件，應(yīng)滿足嵌固的剛度比和隔震后設(shè)防地震的抗震承載力要求，并按罕遇地震進行抗剪承載力驗算。

罕遇地震作用下隔震支座的最大剪力、軸力和彎2023/4/2247第四十七頁，共53頁。矩計算采用的荷載組合是：1.2（1.0×恒荷載＋0.5×活荷載）＋1.3×水平地震+0.5×豎向地震。根據(jù)以上要求計算求得罕遇地震下隔震支座的軸力P、剪力V以及附加彎矩M的設(shè)計值，用于支墩設(shè)計。

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