隔震與消能減震

隔震與消能減震

一、建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的小震化技術(shù)其中包括“振動(dòng)分離和消能衰減”一章。一般來說,抗震主要著眼于提高結(jié)構(gòu)自身的極限變形能力,達(dá)到減輕地震災(zāi)害、減少嚴(yán)重破壞、防止發(fā)生倒塌的目的。建筑抗震設(shè)計(jì)中“提高結(jié)構(gòu)的延性”就屬于這種情況。隔震即隔離地震。在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置一層隔震層,把房屋結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)隔離開來。隔離地面運(yùn)動(dòng)能量向建筑物的傳遞,以減小建筑物的地震反應(yīng),實(shí)現(xiàn)地震時(shí)建筑物只發(fā)生較輕微運(yùn)動(dòng)和變形,從而保證建筑物的安全。消能減震則是通過在建筑物中設(shè)置消能部件(消能部件可由消能器及斜撐、填充墻、梁或節(jié)點(diǎn)等組成),使地震輸入到建筑物的能量一部分被消能部件所消耗,一部分由結(jié)構(gòu)的動(dòng)能和變形能承擔(dān)。以此來達(dá)到減少結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的。隔震體系能夠減小結(jié)構(gòu)的水平地震作用,已被國外強(qiáng)震記錄所證實(shí)。國內(nèi)外的大量試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)表明,隔震一般可使結(jié)構(gòu)的水平地震加速度反應(yīng)降低60%左右,從而消除或有效地減輕結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)的地震損壞,提高建筑物及其內(nèi)部設(shè)施和人員的地震安全性,增加了震后建筑物繼續(xù)使用的功能。采用消能方案不僅可以減少結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的位移,對(duì)減少結(jié)構(gòu)水平和豎向地震反應(yīng)也是有效的。為了適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,有條件地利用隔震和消能減震來減輕建筑結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)害,是完全可能的。本《規(guī)范》主要吸收國內(nèi)外研究成果中比較成熟的內(nèi)容,目前僅列入橡膠隔震支座的隔震技術(shù)和關(guān)于消能減震設(shè)計(jì)的基本要求。二、抗振動(dòng)隔震技術(shù)的應(yīng)用范圍1.結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方案的比選(1)醫(yī)院、銀行、保險(xiǎn)、通訊、警察、消防、電力等重要建筑;(2)首腦機(jī)關(guān)、指揮中心以及放置貴重設(shè)備、物品的房屋;(3)圖書館和紀(jì)念性建筑;(4)一般工業(yè)與民用建筑。隔震結(jié)構(gòu)體系除了首腦機(jī)關(guān)、醫(yī)院等震時(shí)不能中斷使用的建筑外,一般建筑經(jīng)方案比較并按規(guī)定的權(quán)限批準(zhǔn)后,也可采用。在方案比較時(shí)需注意:(1)隔震對(duì)于低層和多層建筑比較合適。日本和美國的經(jīng)驗(yàn)表明,不隔震時(shí)基本周期小于1.0s的建筑結(jié)構(gòu)效果最好,對(duì)于高層建筑效果不大?！兑?guī)范》對(duì)隔震建筑的層數(shù)、高度限值如表1,抗震墻結(jié)構(gòu)的40m限值,參考了日本《隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(草案)》。(2)根據(jù)剪切型結(jié)構(gòu)和橡膠隔震支座抗拉性能差的特點(diǎn),需限制房屋的高寬比(見表2),并限制非地震作用的水平荷載,以利于結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。(3)國外對(duì)隔震建筑工程的較多考察結(jié)果表明,硬土場(chǎng)地較適合于隔震建筑;軟弱場(chǎng)地濾掉了地震波的中高頻分量,延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的周期將增大而不是減小其地震反應(yīng)。墨西哥地震就是一個(gè)典型的例子。日本的隔震標(biāo)準(zhǔn)草案規(guī)定,隔震建筑只適用于Ⅰ、Ⅱ類場(chǎng)地。我國Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類場(chǎng)地的反應(yīng)譜周期均較小,故都可建造隔震建筑。2.土及其組合結(jié)構(gòu)房屋消能減震結(jié)構(gòu)體系宜用于鋼、鋼筋混凝土及其組合結(jié)構(gòu)房屋。由于消能裝置可同時(shí)減少結(jié)構(gòu)的水平和豎向地震作用,適用范圍較廣,結(jié)構(gòu)類型和高度均不必限制。三、設(shè)計(jì)要求1.水平向?qū)嶋H轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)隔震力問題(1)隔震層位置宜布置在第一層以下。當(dāng)位于第一層及以上時(shí),結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)與普通隔震結(jié)構(gòu)可有較大差異,隔震層以下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算也更復(fù)雜,需作專門研究。(2)為便于我國設(shè)計(jì)人員掌握隔震設(shè)計(jì)方法,《規(guī)范》提出了“水平向換算烈度”的概念,即結(jié)構(gòu)隔震后在設(shè)防烈度下的水平地震作用,僅為該結(jié)構(gòu)不隔震時(shí)在換算烈度下的水平地震作用的70%。必須注意,結(jié)構(gòu)所受的地震作用,既有水平向也有豎向,不可將換算烈度誤為“等效烈度”。目前的橡膠隔震支座只具有隔離水平地震的功能,對(duì)豎向地震沒有隔震效果,隔震后結(jié)構(gòu)的豎向地震力可能大于水平地震力,應(yīng)予以重視并做相應(yīng)的驗(yàn)算。(3)隔震建筑上部結(jié)構(gòu)水平地震作用和抗震驗(yàn)算可采用換算烈度,豎向地震作用和抗震驗(yàn)算宜仍按原設(shè)防烈度采用。(4)隔震層的防火措施和穿越隔震層的配管、配線,均有與其特性相關(guān)的專門要求。2.附加阻尼比(1)消能部件應(yīng)使結(jié)構(gòu)具有足夠的附加阻尼,以滿足預(yù)期的地震位移要求。附加阻尼比宜大于10%;超過20%時(shí),宜按20%計(jì)算。(2)由于消能裝置不改變結(jié)構(gòu)的基本形式,因此除消能部件外的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍可按本《規(guī)范》對(duì)相應(yīng)類型結(jié)構(gòu)的要求執(zhí)行。四、隔震合成明槽結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力1.橡膠隔震支座平均壓應(yīng)力限值和拉應(yīng)力規(guī)定這是隔震層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。《規(guī)范》規(guī)定,在永久荷載和可變荷載作用下組合的豎向平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值,不應(yīng)超過表3列出的限值;在罕遇地震作用下,不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力。根據(jù)Haringx彈性理論,按屈曲要求,以壓縮荷載下使疊層橡膠的水平剛度為零的壓應(yīng)力作為屈曲應(yīng)力σcr。該屈曲應(yīng)力取決于橡膠的硬度、鋼板厚度與橡膠厚度的比值、第一形狀系數(shù)S1和第二形狀系數(shù)S2等。通常,隔震支座中間鋼板厚度是單層橡膠厚度之半,比值取為0.5。對(duì)硬度為30~60共七種橡膠,以及S1=11、13、15、17、19、20和S2=3、4、5、6、7,累計(jì)210種組合進(jìn)行了計(jì)算。其結(jié)果表明,滿足S1≥15、S2≥5且橡膠硬度不小于40時(shí),最小的屈曲應(yīng)力值為34.0MPa。將橡膠支座在地震作用下發(fā)生剪切變形后上下鋼板投影的重疊部分作為有效受壓面積,以該有效受壓面積的平均應(yīng)力達(dá)到屈曲應(yīng)力作為控制橡膠隔震支座穩(wěn)定的條件,取容許剪切變形為0.55D(D——支座有效直徑),則可得本條規(guī)定的最大平均壓應(yīng)力σmax=0.45σcr=15.3ΜΡaσmax=0.45σcr=15.3MPa對(duì)S2<5且橡膠硬度不小于40的支座,當(dāng)S2=4時(shí),σmax=12.1MPa;S2=3時(shí),σmax=9.3MPa。規(guī)定隔震支座中不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力,主要考慮了下列三個(gè)因素:(1)橡膠受拉后內(nèi)部出現(xiàn)損傷,降低了支座的彈性性能;(2)隔震支座出現(xiàn)拉應(yīng)力,意味著上部結(jié)構(gòu)存在傾覆危險(xiǎn);(3)橡膠隔震支座在拉伸應(yīng)力下滯回特性的實(shí)物實(shí)驗(yàn)尚不充分。2.水平向換算烈度計(jì)算結(jié)構(gòu)的層間剪力代表了水平地震作用取值及其分布,可用來識(shí)別結(jié)構(gòu)的水平向換算烈度。一般情況下,水平向換算烈度應(yīng)通過結(jié)構(gòu)在隔震和不隔震兩種狀態(tài)下各層最大層間剪力的分析、對(duì)比來確定。層間剪力對(duì)比計(jì)算時(shí),宜采用多遇地震時(shí)程分析。當(dāng)結(jié)構(gòu)隔震后的各層最大層間剪力小于、等于結(jié)構(gòu)不隔震但降低烈度后相應(yīng)層最大層間剪力的70%時(shí),可取降低后的烈度作為水平向換算烈度。對(duì)多層砌體結(jié)構(gòu),其自振周期較短;多層砌體結(jié)構(gòu)與其基本周期相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu),自振周期按不大于0.4s考慮。二者均可根據(jù)地震影響系數(shù)曲線來估計(jì)其水平地震作用。設(shè)結(jié)構(gòu)隔震時(shí)的地震影響系數(shù)為α,不隔震時(shí)的地震影響系數(shù)為α′,則α=η1(Τg/Τ)γαmaxα=η1(Tg/T)γαmax式中αmax——阻尼比0.05的不隔震結(jié)構(gòu)的水平地震影響系數(shù)最大值;η1、γ——分別為與阻尼比有關(guān)的最大值調(diào)整系數(shù)和下降段指數(shù)(《規(guī)范》給出了它們的計(jì)算式);Tg——場(chǎng)地反應(yīng)譜特征周期;T——隔震結(jié)構(gòu)的基本周期,Τ=2π√G/khgT=2πG/khg?????√G——上部結(jié)構(gòu)的重力荷載代表值;kh——隔震層的水平剛度;g——重力加速度。當(dāng)結(jié)構(gòu)不隔震時(shí)的基本周期大于場(chǎng)地反應(yīng)譜特征周期時(shí)α′=(Τg/0.4)0.9αmax當(dāng)結(jié)構(gòu)不隔震時(shí)的基本周期小于、等于場(chǎng)地反應(yīng)譜特征周期時(shí)α′=αmax為使隔震結(jié)構(gòu)的總水平地震作用不大于烈度降低一度的對(duì)應(yīng)不隔震結(jié)構(gòu)總水平地震作用的70%,需有α≤0.35α′于是,當(dāng)不隔震結(jié)構(gòu)的基本周期大于場(chǎng)地反應(yīng)譜特征周期時(shí),有Τ≥Τcr1=[(2.86η1)1/λ(0.4/Τg)0.9/γ]Τg當(dāng)不隔震結(jié)構(gòu)的基本周期小于、等于場(chǎng)地反應(yīng)譜特征周期時(shí),有(Τ/Τg)=(2.86η1)1/γ=λmin式中Tcr1——隔震的第1臨界周期;λmin——場(chǎng)地反應(yīng)譜特征周期的最小倍數(shù)。同理,可得降低二度的隔震第2臨界周期和場(chǎng)地反應(yīng)譜特征周期的最大倍數(shù)為:Τcr2=[(5.71η1)1/γ(0.4/Τg)0.9/γ]Τgλmax=(5.71η1)1/γ當(dāng)隔震后結(jié)構(gòu)周期T=λmaxTg時(shí),地震影響系數(shù)為0.2αmax,因此,確定水平換算烈度時(shí)的周期值不得大于該最大倍數(shù)值。以上臨界周期和特征周期數(shù)值列入表4。3.隔震支座在罕遇地震作用下的水平位移隔震支座在罕遇地震作用下的水平位移應(yīng)符合下列要求:ui≤[ui]ui=βiuc式中ui——罕遇地震作用下第i個(gè)隔震支座的水平位移;[ui]——第i個(gè)隔震支座水平位移限值;uc——隔震層質(zhì)心處在罕遇地震下的水平位移;βi——隔震層扭轉(zhuǎn)影響系數(shù)。隔震層質(zhì)心處的罕遇地震水平位移計(jì)算,一般宜采用時(shí)程分析法。對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)及與其基本周期相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)可按下式計(jì)算:uc=λsα1G/kh式中λs——近場(chǎng)系數(shù),距發(fā)震斷層5km以內(nèi),取1.5;5~10km,取1.25;10km以遠(yuǎn),取1.0;α1——罕遇地震下,根據(jù)等效阻尼比ζeq調(diào)整后的地震影響系數(shù)。4.關(guān)于隔震層水平剛度kh和等效粘滯阻尼比ζeq的計(jì)算方法,系根據(jù)振動(dòng)方程的復(fù)阻尼理論得到的。其實(shí)部為水平剛度,虛部為等效粘滯阻尼比。它們是:kh=∑kiζeq=∑kiζi/kh其中ki——第i隔震支座的水平剛度;ζi——第i隔震支座的等效阻尼比。5.隔震層扭轉(zhuǎn)影響系數(shù)βi采用簡(jiǎn)化計(jì)算僅考慮單向地震作用時(shí),在隔震層頂板為剛性的假定下,由幾何關(guān)系(圖1),第i支座的水平位移可寫為:ui=√(uc+utisinαi)2+(uticosαi)2=√uc2+2ucutisinαi+uti2略去高階微量,可得ui=βiucβi=1+utiucsinαi另一方面,在水平地震作用下第i支座的附加水平位移可根椐樓層的扭轉(zhuǎn)角與支座至隔震層剛度中心的距離得到;再將隔震層平移剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之比用其頂板的幾何尺寸之間的關(guān)系替代,可得utiuc=12a2+b2rieβi=1+12eri/(a2+b2)考慮到施工誤差,地震剪力的偏心距e宜計(jì)入偶然偏心距0.05倍的邊長(zhǎng)?？紤]雙向地震作用時(shí),可按下列公式中較大值估計(jì):βi=√βix2+(0.85βiy)2或βi=√βiy2+(0.85βix)2式中βix——僅考慮x方向地震作用時(shí)的扭轉(zhuǎn)影響系數(shù);βiy——僅考慮y方向地震作用時(shí)的扭轉(zhuǎn)影響系數(shù)。6.采用底部剪力法或振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算消能減震結(jié)構(gòu)的地震作用時(shí),消能減震結(jié)構(gòu)的總剛度應(yīng)為結(jié)構(gòu)剛度與消能部件有效剛度之和。消能部件給結(jié)構(gòu)附加的有效阻尼比可按下式估算:ζd=Wd/(4πWs)式中ζd——消能減震結(jié)構(gòu)的附加阻尼比;Wd——結(jié)構(gòu)中所有消能部件在地震作用下消耗的能量;Ws——消能減震結(jié)構(gòu)在地震作用下的總應(yīng)變能,Ws=12ΣFiXiFi——質(zhì)點(diǎn)i的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值;Xi——質(zhì)點(diǎn)i的水平相對(duì)位移。消能部件消耗的能量,按不同消能器類型采用不同的計(jì)算公式。對(duì)于速度線性相關(guān)型消能器,有Wd=2π2Τ1ΣCjcosθjΔuj式中T1——消能減震結(jié)構(gòu)的基本周期;Cj——第j個(gè)消能器的線性阻尼系數(shù);θj——第j個(gè)消能器消能方向與水平線夾角;Δuj——第j個(gè)消能器兩端的相對(duì)水平位移。消能器的阻尼系數(shù)和有效剛度與振動(dòng)周期有關(guān)時(shí),可取相應(yīng)于消能減震結(jié)構(gòu)基本周期的值。對(duì)于位移相關(guān)型、速度非線性相關(guān)型和其它類型消能器Wd=ΣAj(Δuj)式中Aj(Δuj)為在相對(duì)水平位移Δuj下,第j個(gè)消能器恢復(fù)力滯回環(huán)的面積。消能器的有效剛度可取在相對(duì)水平位移Δuj下,恢復(fù)力的割線剛度。五、平面內(nèi)剛度的調(diào)整1.為了保證隔震層能夠整體協(xié)調(diào)工作,隔震層頂部應(yīng)設(shè)置平面內(nèi)剛度足夠大的梁板體系。當(dāng)采用裝配整體式鋼筋混凝土板時(shí),為使縱橫梁體系能傳遞豎向荷載并協(xié)調(diào)橫向剪力在每個(gè)隔震支座的分配,支座上方的縱橫梁體系應(yīng)為現(xiàn)澆。為增大隔震層頂部梁板的平面內(nèi)剛度,需加大梁的截面尺寸和配筋。隔震支座附近的梁、柱受力狀態(tài)復(fù)雜,地震時(shí)還會(huì)受到?jīng)_切,因此應(yīng)加密箍筋;必要時(shí),可配置網(wǎng)狀鋼筋。2.考慮到隔震層對(duì)豎向地震作用沒有隔震