隔震建筑的地震響應及設計方法

隔震建筑的地震響應及設計方法

0排除隔震層心力作用設計隔震建筑的原則是盡量減少上部結構的地震作用，并將隔震支架的變形控制在所允許的有限變形范圍內(nèi)。上部結構吸收的能量與隔震層相比非常小,若上部結構能夠抵抗與其剛體狀態(tài)相稱的地震作用,就能從為確保通常建筑物所要求的能量吸收能力的種種制約條件中解放出來。另外通過排除隔震層的偏心,基本上能夠消除由上部結構的能量和剛度偏心所引起的扭轉振動產(chǎn)生的不良影響。因此,隔震建筑和傳統(tǒng)的建筑相比,前者的設計自由度更大。1設計地震動輸入中建筑反應的模型分析1)隔震建筑由基礎結構、隔震支座和阻尼器構成的隔震層、以及上部結構組成。2)對于地震作用以外的荷載和外力,隔震建筑的設計和傳統(tǒng)結構相同。3)在研究設計地震動輸入時建筑反應的基礎上,設計隔震層和上部結構。這些分析研究可以對建筑物的橫向和縱向獨立進行。4)假設上部結構為剛體時,適當配置隔震支座和阻尼器避免隔震層出現(xiàn)偏心。根據(jù)設計地震動輸入反應分析所得到的隔震支座的最大位移和最大軸力,以及阻尼器必要的能量吸收能力,要確保在各隔震裝置的容許值范圍內(nèi)。5)針對設計地震動作用下的應力,可以對上部結構進行容許力設計。6)基礎結構和傳統(tǒng)建筑一樣,要使其不發(fā)生過度沉降、轉動或水平移動。2基于時程分析方法的確定方法考慮到我國的隔震結構應用現(xiàn)狀,結合我國GB50011-2001建筑抗震設計規(guī)范(以下簡稱《抗規(guī)》),保證設計的可延續(xù)性,引入將簡化估算方法和相對較為精確的時程分析方法相結合的思路,即為兩階段設計法。兩階段設計法的具體內(nèi)涵是在工程方案階段,采用簡化估算方法,便于快速提供在特定場地條件和結構體系以及隔震裝置條件下的設計方案,為業(yè)主和設計單位提供決策參考;在施工圖設計階段依據(jù)我國現(xiàn)行的相關標準采用相對較為準確的時程分析方法,便于最終確定和優(yōu)化布置、裝置參數(shù)。其中,隔震結構第二階段設計是保證結構隔震效果的關鍵步驟,為更好地推廣隔震結構在設計上的應用,在設計計算過程中需要進一步明確隔震結構第二階段設計中各部分計算模型及計算簡圖。2.1隔震層結構參數(shù)的確定隔震結構的第二階段設計是通過時程分析計算結構的地震需求和能力,對隔震裝置的布置和裝置參數(shù)的選取進行優(yōu)化配置,進而設計出滿足不同設防水平下結構預期性能目標合理的、經(jīng)濟的結構。隔震結構計算模型,按《抗規(guī)》規(guī)定,包括隔震支座、隔震層頂板的梁板結構及上部框架結構,簡化為多個集中質點的剪切形結構,示意圖如圖1所示。隔震層水平剛度和等效粘滯阻尼比可根據(jù)隔震支座的性能參數(shù)Kj,ζj按下列公式計算:其中,ζeq為隔震層等效粘滯阻尼比;Kh為隔震層水平動剛度;ζj為j隔震支座由試驗確定的等效粘滯阻尼比;Kj為j隔震支座(含阻尼器)由試驗確定的水平動剛度。隔震結構水平向減震系數(shù),應根據(jù)結構隔震與非隔震兩種情況下各層層間剪力的最大比值,按《抗規(guī)》表12.2.5確定。同時還要驗算隔震結構在罕遇地震作用下,隔震層的最大位移是否滿足最大位移要求。另外,隔震結構體系進行時程分析時,輸入加速度波形應符合抗震規(guī)范對地震波選取的標準要求。2.2隔震層頂部梁板設計和傳統(tǒng)抗震房屋相比,隔震結構如果不設地下室,為了保證隔震層能夠整體協(xié)調工作,隔震層頂部應設置平面內(nèi)剛度足夠大的梁板體系?！犊挂?guī)》要求,隔震層頂部的梁板結構,對鋼筋混凝土結構應作為其上部結構的一部分進行計算和分析。因此在采用PKPM等結構設計軟件進行上部結構設計時,隔震層頂部梁板的作用不能忽略,所采用的計算簡圖也與傳統(tǒng)的抗震結構有所不同。隔震結構設置了隔震層,從隔震層支座的受力來分析,隔震支座能傳遞上部結構的軸力和水平向剪力,但不能承擔上部結構傳來的彎矩。因為設計時取隔震層頂部梁板的剛度大于一般樓層梁板,目的就是使底層柱彎矩基本由隔震層頂部梁來分擔。從支座變形來分析,隔震支座豎向變形很小,可以忽略不計,但在水平方向可發(fā)生較大位移,但位移值有一定的限制。因此,可以將隔震支座簡化為一個鉸支座和水平彈簧的組合,但考慮到PKPM等結構設計軟件中沒有相應的支座形式。當隔震層頂部梁板剛度較大,且嵌固形式可假設成無限剛性時,將隔震支座近似簡化為鉸支座進行設計計算。隔震層頂部梁板平面內(nèi)剛度很大,而柱的剛度較小,柱底的變形可以忽略不計。因此,可以將隔震建筑上部結構柱底進一步簡化為固定端,與傳統(tǒng)的抗震結構相比,該簡化模型的底層層高從隔震層頂部梁板頂標高算起。2.3隔震層水平剛度分配下部結構通常是指隔震層以下的部分,不包括基礎。《抗規(guī)》中規(guī)定的隔震層以下結構(包括地下室)的地震作用和抗震驗算,應采用罕遇地震下隔震支座底部的豎向力,水平力和力矩進行計算,并且應該考慮隔震層水平位移產(chǎn)生的附加影響,受力如圖2所示。要精確計算罕遇地震下的下部結構的豎向力,需要對隔震結構進行彈塑性時程分析,但計算非常復雜,時間周期較長,不利于隔震結構的推廣應用。因此,在設計計算中,假設隔震結構在罕遇地震下,其上部結構仍保持彈性,取罕遇地震下的等效水平剛度和等效阻尼比,對隔震結構進行罕遇地震下的時程分析,可以求得罕遇地震下隔震層水平位移、隔震層剪力、隔震層傾覆力矩。其中,N為罕遇地震作用下上部結構隔震后的柱底或墻底軸力;V為隔震支座罕遇地震下的剪力;M為罕遇地震下下部構件上作用的彎矩。《抗規(guī)》隔震支座的水平剪力應根據(jù)隔震層在罕遇地震下的水平剪力中各隔震支座的水平剛度分配,如下式所示:其中,∑V為罕遇地震作用下隔震層的水平剪力;Khi,∑Khi分別