建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計難點分析

2023/12/291建筑構(gòu)造隔震設(shè)計

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目錄一、前言二、隔震構(gòu)造的主要優(yōu)缺陷三、隔震構(gòu)造的主要適用范圍四、隔震構(gòu)造的設(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、隔震構(gòu)造的抗風(fēng)設(shè)計八、隔震支座以下構(gòu)造〔懸臂柱或地下室〕的設(shè)計九、隔震構(gòu)造的構(gòu)造措施2023/12/293一、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(jìn)技術(shù)的運(yùn)用就是科技創(chuàng)新。近年來一些新技術(shù)在已開場試用，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。普通是設(shè)計院與隔震公司協(xié)作設(shè)計，設(shè)計院僅作常規(guī)設(shè)計部分，中心部分的設(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)計才干。

3、隔震設(shè)計比常規(guī)設(shè)計難的多，任務(wù)量大，所以難以推行。雖然有了設(shè)計規(guī)范，但隔震技術(shù)還處于“初期階段〞，許多問題還在研討討論之中。

4、“落后就要挨打〞。作為“國內(nèi)一流、行業(yè)

領(lǐng)先〞的設(shè)計院，必需盡快掌握這項新技術(shù)，否那么只能本人稱本人“領(lǐng)先〞，就會從“瞧不起〞到“看不懂〞，再到“跟不上〞。

5、于院長在2021年年中任務(wù)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(dá)的義務(wù)，安排了這次培訓(xùn)。

6、由于這項技術(shù)比較難，假設(shè)沒有反復(fù)深化的學(xué)習(xí)過這方面的知識，有些同事能夠聽不懂，估計培訓(xùn)效果不理想，不一定會獲得大家的好評，能夠會出力不討好。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，該當(dāng)承當(dāng)起這個責(zé)任，該當(dāng)對中聯(lián)院的技術(shù)創(chuàng)新起到引領(lǐng)作用。

2023/12/2947、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、根本組合、規(guī)范組合、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)計一定有協(xié)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緣由。

8、為了提高培訓(xùn)效果，這次采用實際與實例相結(jié)合的方法，看到實例就清楚了實際。

9、假設(shè)這次講座大家收獲不大，也請大家體諒。

二、隔震構(gòu)造的主要優(yōu)缺陷

1、主要優(yōu)點：提高構(gòu)造在地震中的平安度〔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。

2023/12/2952、主要缺陷：綜合造價高〔隔震支座的設(shè)備和安裝費(fèi)大約是100元/平方米，不含土建添加費(fèi)用〕；設(shè)計費(fèi)事；適用于部分建筑；不能減小豎向地震的作用。

三、隔震構(gòu)造的主要適用范圍

1、構(gòu)造高寬比宜小于4，且不應(yīng)大于非隔震構(gòu)造的高寬比限值。超越時需求進(jìn)展專門研討和專項抗震審查。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)定性較好的根底類型。

3、風(fēng)荷載和其他非地震作用的程度荷載規(guī)范值產(chǎn)生的總程度力不宜超越構(gòu)造總重力的10%。

4、引薦運(yùn)用范圍：重要的、有特殊要求的建筑，

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比如9度、8度〔0.3g〕等地震高烈度區(qū)，且地震時有特殊運(yùn)用要求的建筑或地震后需求盡快回復(fù)運(yùn)用功能的建筑。

四、隔震構(gòu)造的設(shè)計內(nèi)容

隔震構(gòu)造是在普通構(gòu)造的底部〔根底頂〕或下部構(gòu)造與上部構(gòu)造之間設(shè)置橡膠隔震支座。隔震構(gòu)造分為四部分：隔震支座以上部分、隔震支座、隔震支座以下部分和根底。隔震支座的上面要設(shè)置一層短柱和梁板樓蓋構(gòu)造，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，與非隔震構(gòu)造相比，這層是新加的，為了描畫方便，稱其為0層。0層的層高普通取為短柱的高度，梁柱截面按實踐尺寸輸入。當(dāng)沒有地下室時，需求在隔震支座的下面設(shè)置鋼筋砼支柱；當(dāng)有地下室時，隔

2023/12/297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構(gòu)造，隔震支座以下部分屬于下部構(gòu)造。

橡膠隔震支座應(yīng)具有整體復(fù)位功能。

隔震層可以延伸整個構(gòu)造體系的自振周期，減少輸入上部構(gòu)造的程度地震作用。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。隔震普通可使構(gòu)造的程度地震加速度降低60%左右。即隔震后可使上部構(gòu)造的設(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，由于沒有6.5度。詳細(xì)降低的烈度分檔見表1。

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2023/12/299隔震構(gòu)造根底的設(shè)計與常規(guī)設(shè)計一樣，以下只引見其他三部分的設(shè)計。

五、隔震支座以上部分設(shè)計

1、地震作用經(jīng)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、振型分解反響譜的方法進(jìn)展設(shè)計。

2、隔震層以上構(gòu)造普通降低1~1.5度，能否降低這個烈度，需求經(jīng)過程度向減震系數(shù)β來控制。隔震后程度地震作用計算用的程度地震影響系數(shù)最大值經(jīng)過公式αmax1=βαmax/ψ來計算，其中αmax1--隔震后的程度地震影響系數(shù)最大值；αmax—非隔震的程度地震影響系數(shù)最大值；β—程度向減震系數(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。2023/12/2910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)；普通橡膠支座，取0.8；支座剪切性能偏向為S-A類，取0.85；隔震安裝帶有阻尼器時，相應(yīng)減少0.05。注：〔1〕彈性計算時，簡化計算和反響譜分析時宜按隔震支座程度剪切應(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)計根本地震加速度輸入進(jìn)展計算；〔2〕支座剪切性能偏向按現(xiàn)行國家產(chǎn)品規(guī)范<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2023/12/2911時程分析的方法，規(guī)范引薦的底部剪力法和反響譜法這兩種彈性計算方法普通少用，彈性時程分析法普通不用。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。

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隔震層頂蓋樓板厚不小于160，該層不是上部構(gòu)造的嵌固處，是上部構(gòu)造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〕，由于地下室按照罕遇地震作用計算，其強(qiáng)度、剛度都很大，可以作為上部構(gòu)造的嵌固端。

4、隔震層以上構(gòu)造的總程度地震作用不得低于非隔震構(gòu)造在6度設(shè)防時的總程度地震作用，并應(yīng)進(jìn)展抗震驗算；各樓層的程度地震剪力尚應(yīng)符合<抗規(guī)>

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

5、9度時和8度且程度向減震系數(shù)不大于0.3時，隔震層以上的構(gòu)造應(yīng)進(jìn)展豎向地震作用的計算。計算方法同9度時非隔震構(gòu)造。豎向地震作用規(guī)范值，8度〔0.20g〕、8度〔0.30g〕和9度〔0.40g〕時分別不小于隔震層以上構(gòu)造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響譜法計算時要查看豎向地震作用規(guī)范值，假設(shè)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度且程度向減震系數(shù)大于0.3時，按照隔震要2023/12/2914求可以不思索上部構(gòu)造的豎向地震作用，但是假設(shè)滿足<抗規(guī)>5.3節(jié)的條件，也需求計算豎向地震作用，按照這節(jié)的方法計算，但不需求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層柱的底下參與隔震支座，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，嵌固端依然在0層柱底。

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

3、地震波，普通選用5條實踐強(qiáng)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)與振型分解反響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響譜法計算結(jié)果的80%，每條地震波的計算結(jié)果不小于65%，也不能大于%，平均不大于120%。選波三要素：頻譜特性、有效峰值2023/12/2916和繼續(xù)時間?！?〕頻譜特性可用地震影響系數(shù)曲線表征，根據(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〕有效繼續(xù)時間普通從初次到達(dá)該時程曲線最大峰值的10%那一點算起，到最后一點到達(dá)最大峰值的10%為止，繼續(xù)時間普通取構(gòu)造根本周期的〔5~10〕倍，即構(gòu)造頂點可按根本周期往復(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).工程概略

1.工程稱號: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

2023/12/29174.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)計根本地震加速度：0.20g；

(6)建筑抗震設(shè)防類別：重點設(shè)防類〔乙類〕

(7)根本風(fēng)壓：0.35kN/m2。

6.構(gòu)造概略2023/12/2918(1)構(gòu)造類型：鋼筋混凝土框架構(gòu)造；

(2)抗震等級：二級〔隔震后〕；

(3)地基根底設(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

程序稱號：ETABS2021

程序功能：三維空間彈塑性時程分析及構(gòu)造設(shè)計

2.ETABS模型建立

本工程運(yùn)用大型有限元軟件ETABS建立隔震與非隔震構(gòu)造模型，運(yùn)用銜接單元“Rubberisolator〞模擬橡膠隔震支座。本構(gòu)造模型根據(jù)PKPM模型，運(yùn)用YJK程序轉(zhuǎn)換得到。ETABS模型如例圖1所示。

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例圖1構(gòu)造有限元模型表示2023/12/2920

3.地震波

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

例圖2地震動反響譜

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由例表1可知，本工程所選地震波滿足<抗規(guī)>相關(guān)要求。

2023/12/29224、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，振型分解反響譜法也是采用中震、彈性、隔震模型。采用中震是由于<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)計根本地震加速度輸入進(jìn)展計算。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響譜法的結(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)力不能超越<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越隔震橡膠支座的豎向承載力。據(jù)此初選隔2023/12/2923震支座的型號并布置，選擇原那么應(yīng)使壓應(yīng)力布置均勻，最大限制發(fā)揚(yáng)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。

2023/12/2924【例】4.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

2023/12/29252023/12/2926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。

2023/12/2927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

2023/12/2928例圖3所示，該工程共運(yùn)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。<疊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根本周期相差不宜超越較小值的30%〞。隔震房屋在兩個方向的根本周期假設(shè)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越較小值的30%。所以兩個方向的周期差要驗算。

【例】隔震構(gòu)造與非隔震構(gòu)造的周期對比見例表4，隔震后構(gòu)造周期明顯延伸。由例表4可知，采用隔震技術(shù)后，兩個方向的根本周期相差為〔2.7424-2.6950〕/2.6950=1.76%，滿足規(guī)范要求。

2023/12/29292023/12/29307、程度地震影響系數(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，該值即為程度向減震系數(shù)β。

【例】

2023/12/29312023/12/29322023/12/29332023/12/29342023/12/2935由續(xù)表7可知，隔震與非隔震構(gòu)造層間剪力比〔7條時程波平均值〕最大值為0.376，故取β=0.376，根據(jù)表1，本工程取隔震后構(gòu)造比非隔震構(gòu)造降低一度設(shè)計，程度地震影響系數(shù)最大值αmax1=0.08。

調(diào)整β值有3條途徑：〔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小；〔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程度位移驗算

<抗規(guī)>12.2.6條規(guī)定，隔震支座對應(yīng)于罕遇地震程度剪力的程度位移不應(yīng)超越該支座有效直徑的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2023/12/2936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程度地震〕荷載(規(guī)范)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)超越支座最大位移限值。該組合是規(guī)范組合，用于計算位移，所以其支座最大剪力無用。

【例】

2023/12/29372023/12/29382023/12/29392023/12/29402023/12/2941由續(xù)表8可知，在罕遇地震作用下，隔震層的程度向最大平均位移為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構(gòu)造在罕遇地震作用下的程度變形要求。

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程度和豎向地震同時作用下，拉應(yīng)力不應(yīng)大于1.00MPa。12.2.4條的條文闡明〔P454〕中規(guī)定在罕遇地震的程度和豎向地震同時作用下隔震支座的最大壓2023/12/2942應(yīng)力不應(yīng)超越34MPa〔普通取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程度地震+0.5豎向地震；最大拉應(yīng)力〔規(guī)范值〕的荷載組合為：1.0恒載+1.0程度地震-0.5豎向地震。

【例】2023/12/29432023/12/29442023/12/2945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、隔震構(gòu)造的抗風(fēng)設(shè)計

<抗規(guī)>12.1.3條規(guī)定，隔震構(gòu)造在風(fēng)荷載和其他非地震作用的程度荷載規(guī)范值產(chǎn)生的總程度力不宜超越構(gòu)造總重力的10%。另外這個總程度力也不能超越各支座的程度設(shè)計承載力之和，支座的程度設(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程度剪力規(guī)范值Vwk=714kN，構(gòu)造總重力的10%即0.1X7018X9.81=6884kN。另外，抗風(fēng)安裝的程度承載力設(shè)計值(隔震支座的程度屈服力)：

2023/12/2946VRw=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、隔震支座以下構(gòu)造〔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)采用隔震構(gòu)造罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、程度力和力矩進(jìn)展承載力驗算；隔震層以下的構(gòu)造〔包括地下室和隔震塔樓下的底盤〕中直接支撐隔震層以上構(gòu)造的相關(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(jìn)展抗剪承載力驗算。

罕遇地震作用下隔震支座的最大剪力、軸力和彎2023/12/2947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×程度地震+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。

將隔震支座及以上部分去掉，按照隔震支座驗算時在設(shè)防烈度的大震，彈塑性時程分析時得到的軸力P、剪力V和附加彎矩M，將其作為靜力荷載加到懸臂支柱或地下室柱頂，不再計算地震作用〔由于P、V、M曾經(jīng)包含了地震作用〕，采用PM+SATWE軟件按照彈性計算，不再思索承載力抗震調(diào)整系數(shù)。假設(shè)是懸臂柱，側(cè)面沒有約束，作為地上構(gòu)造計算；假設(shè)是地下室，周邊有土約束，按照埋在地下計算；假設(shè)