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结构隔震设计入门流程

张晓磊 、张战书

建筑隔震就是在建筑物的基础底部或下部结构与上部结构之间设置隔震装置,形成隔震层,把房屋结构与基础隔离开来。地震发生时,地震波由地面传至基础,在向上部建筑物传递时,首先要通过隔震层,这时连接建筑物和基础的隔震层就可以发挥隔震作用。如果隔震层中还安装有消能装置,那么隔震层还能耗散掉一部分地震能量,进一步减少地震能量向上部建筑的传送,减少建筑物的地震反应,保护建筑物在地震作用下的安全。

现行的隔震结构设计采用的是分离设计,即:单独计算隔震结构上部,然后再进行隔震结构分析。本文抛砖引玉,对隔震结构的设计流程进行一定的介绍,文中有错漏还望各位同事批评指正。

一.  方案确定:

1. 结构平面布置可采用“E”、“L”、“U”等各种复杂平面及长宽比较大的狭长平面。主要原因如下:

1)、隔震结构的隔震层上部结构与基础通过隔震垫连接,与普通混凝土结构固接在基础上不同,隔震垫容许有相对较大的变形,故上部结构在温度作用下的应力远远小于普通混凝土结构。因此,温度伸缩缝距离可明显加大。

2)、采用隔震设计的结构,可以通过调整隔震垫布置,减少扭转的影响,有效控制位移比(在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下,楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移比值)。而且,隔震后,上部结构地震作用效应大幅减小。

2.在幼儿园、学校、医院等建筑中,作为连接两个结构单体的连廊,当符合规范要求时,可不采用隔震设计。

3.高层建筑一般会采用剪力墙结构、框剪结构或者框架结构,在开始定方案时,应注意结构的高宽比不宜过大,一般控制在3以内比较好,不宜超过4。对高宽比大的结构,需进行整体倾覆验算,防止支座压屈或出现拉应力超过1MPa

4. 建筑场地宜为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类,并应选用稳定性较好的基础类型。

5.建筑方案经常在连接薄弱的部位设置楼、电梯间,甚至在楼梯外部设置进退关系造成复杂体型阴角部位连接太弱,应与建筑协商修改并采取措施加强连接处楼板板厚及配筋。

二.结构计算:

1.隔震设计流程:

2. 先确定隔震层的位置,目前,我国隔震设计采用分部隔震设计方法,即整个隔震结构的设计分成四部分:上部结构设计、隔震层设计、下部结构设计和基础设计。先根据经验初步确定了隔震目标,使用普通的设计软件如PKPM、YJK进行上部结构的分析计算。然后,将初步成果导入如ETABSSAP2000MIDAS等软件中进行复核验算,达到预期的隔震目标后,将开始对隔震层的设计,提供罕遇地震作用下各个支座的剪力、轴力和位移,据此结果进行下部结构设计。最后,进行基础设计。隔震设计流程如图所示。  确定隔震层位置:

2.1 隔震层层高

建筑结构隔震设计的第一步就是初定隔震层位置。对于没有地下室的建筑,需要增加一层作为隔震层,这一层层高不宜太高,一般梁底到地面的净高不应小于600mm,建议不小于800mm。这一要求主要是为了便于隔震层维护和检修。这一层的层高至少为“800+梁高

2.2 隔震层一般设置位置

对于有地下室的建筑,可以将隔震层设置在地下室负一层,隔震支座放置位置设置在地下室柱顶、柱中、柱底均可,可以根据地下室实际使用功能来选择支座放置位置。绝大多数情况下放在地下室柱顶,这样可以减少了单独设置隔震层造成成本增加,

对于地下室层高比较高的建筑,隔震层放置在地下室负一层,由于《建筑抗震设计规范》(GB50011-201012.2.9条第一款规定:隔震层支墩、支柱及相连构件,应采用隔震结构罕遇地震下隔震支座的竖向力、水平力和力矩进行承载力验算。如果将隔震支座设置在柱顶,必然导致下支墩高度很高,计算长度很长,这样导致下支墩很肥大,不利于地下室的使用。因此可以将下支墩做成牛腿,也可以在下支墩顶部设置拉梁,还可以单独做一个隔震层。

 

2.3 其他

 

按照《建筑抗震设计规范》(GB50011-201012.2.8条规定:隔震支座的相关部位应采用现浇混凝土梁板结构,现浇板厚度不应小于160mm;隔震层顶部梁、板的刚度和承载力,宜大于一般楼盖梁板的刚度和承载力。

总之,隔震层的位置要根据具体工程具体分析,要结合结构形式、有无地下室、周边环境来综合确定。

初定隔震目标

建筑结构隔震设计的第一步就是初定隔震目标。如果当地的抗震设防烈度为9 度(0.4g),考虑到场地条件好(Tg小)、上部结构规则、质量和刚度分布均匀(包括平面和立面),可以初步确定上部结构水平地震作用按降低一度半考虑,隔震目标为降一度半,即上部结构设计时,水平地震作用要按照 7 度(0.15g)进行考虑。通常被大家称之为,上部结构按照降低一度半设计。这里需要强调的是:一、当地的抗震设防烈度并没有降低,仅仅水平地震作用降低;二、整个结构的抗震能力没有降低,相反结构的抗震能力大大提高了;三、降低一度半也仅指降低水平地震作用,竖向地震作用仍保持不变,特别对于高烈度地区,隔震建筑设计中考虑的竖向地震作用比传统抗震建筑大得多。

根据以往大量隔震工程项目经验,场地条件较好,属于Ⅰ、Ⅱ类场地,上部结构比较规则、质量和刚度分布均匀。层数6层及以下时,多采用框架结构,可以初步确定隔震目标为降低一度半;612层时,位于高烈度区,一般会采用框剪结构或者剪力墙结构,可以确定隔震目标降低一度或者一度以上,比如抗震设防烈度9度,采用隔震技术后多遇地震影响系数可由0.32降至0.14;对于1222层的隔震建筑,可以确定隔震目标降低一度。

4 上部结构设计

4.1结构模型底层柱下端改为铰接约束。

考虑到隔震橡胶支座的抗扭刚度、抗弯刚度相对混凝土柱非常小,或者说隔震橡胶支座传递弯矩和扭矩的能力弱,因此,为了使模型结构的受力状态与真实结构的受力状态更接近,建筑结构模型的底层柱改为下端铰接约束。YJK中实现过程如下所示。

① 在前处理及计算窗口中,选择特殊柱,在弹出的对话框中,选择下端铰接

② 光标框选建筑底层所有柱,即可完成柱下端铰接设置。

4.2竖向地震作用考虑。

考虑到目前橡胶隔震支座,对减小水平向地震作用非常明显,对竖向地震作用效应有放大,隔震后,结构的竖向地震力可能大于水平地震力,应予以重视并做相应的验算,采取适当的措施。因此,《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第12.2.1条中规定: 隔震层以上结构的水平地震作用应根据水平向减震系数确定;其竖向地震作用标准值,8 度(0.2g)、8 度(0.3g)和 9 度(0.4g)时分别不应小于隔震层以上结构总重力荷载代表值的20%30%40%YJK实现过程如下。

① 在“结构总控制信息”中选择“计算水平和规范简化方法竖向地震作用”。

② 在“地震信息”中修改“地震影响系数最大值”为隔震后的计算值。这里需要注意,和竖向地震作用有关的参数不能降低,如轴压比仍需照当地设防烈度地震进行考虑。可在在前处理及计算窗口中,选择特殊柱,在弹出的对话框中,选择轴压比限值增减量中增加至相应设防烈度的轴压比。

③ 竖向地震调整,

以当地抗震设防烈度为 8 度,隔震后上部结构按 7 度(0.10g)来计算。由于前面我们输入的多遇地震水平影响系数最大值是 0.08(按照 7 度(0.10g)),因此,计算竖向地震作用时,程序是按照7度(0.10g)进行计算,而不是按照8度(0.2g)计算。所以,根据《抗规》我们要做两项工作。第一、将竖向地震作用调整8度(0.2g);第二、保证竖向地震作用标准值不小于总重力荷载代表值的 20%。调整系数如下表1和表2所示。

 

1 仅考虑竖向地震作用时rEV

设防烈度

隔震后上部结构设计采用烈度

8

7.5

7

9

4.45

5.93

 

8

 

 

4.45

2 竖向地震作用和水平地震作用同时考虑rEV

设防烈度

隔震后上部结构设计采用烈度

8

7.5

7

9

1.7

2.28

 

8

 

 

1.7

YJK实现如下:

1) 在“计算参数”中选择荷载组合中的自定义组合并点击采用自定义组合按钮

2) 在的“自定义组合”中,将仅考虑竖向地震(Z向地震)工况的竖向地震组合系数修改为4.45;考虑竖向与水平地震作用工况的竖向地震组合系数修改为1.7。但要注意保留原组合系数前的正负号。至此,竖向地震作用已从7度(0.1g)调整到8度(0.2g)。

4.3最小层间剪力。

最小层间剪力应满足《抗规》(GB50011-20105.2.5条,按本地抗震设防烈度的要求。

4.4柱底弯矩放大系数。

框架结构底层柱下端弯矩放大系数《抗规》(GB50011-20106.2.3。对于隔震结构,柱下端弯矩调整应在隔震层上面一层柱,因此,为了保证该层柱的配筋计算正确,应将隔震层设置为地下室,在此条件下,计算该层柱子的配筋。但要注意,地下室参数中土层水平抗力系数的比例系数(m值)应输入为0。在计算时,还要考虑不定义地下室,嵌固端修改为0计算后包络设计隔震层上层柱配筋。

4.5 上部结构按照规范《抗规》(GB50011-20105.5.2条尚应进行弹塑性变形验算。

5 隔震层以下结构设计

1)按照《抗规》(GB50011-201012.2.9条第12款:隔震层支墩、支柱及相连构件,应采用隔震结构罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩进行承载力验算。

2)隔震层以下的结构(包括地下室和隔震塔楼的底盘)中直接支承隔震层以上结构的相关构件,应满足嵌固刚度比和隔震后设防地震的抗震承载力要求,并按罕遇地震进行抗剪承载力验算。隔震层以下地面以上的结构在罕遇地震下的层间位移角限值应满足《抗规》(GB50011-2010)表12.2.9要求。

6基础设计

按照《抗规》(GB50011-201012.2.9条第3款:隔震建筑地基基础的抗震验算和地基处理仍应按本地区抗震设防烈度进行,即采用本地区设防烈度的地震影响系数计算上部结构后,直接计算基础。甲、乙类建筑的抗液化措施应按提高一个液化等级确定,直至全部消除液化沉陷。

7构造措施

隔震构造将影响建筑隔震效果的发挥,如隔震建筑周边的隔震缝宽度不够,或隔震缝中有障碍物,或隔震建筑四周有障碍物,地震来临时,上部建筑的运动将受到阻碍,隔震效果将大打折扣。必须充分重视!

隔震层处的管线均采应用软连接。

隔震沟、管线连接等构造做法,参考《03SG610-建筑结构隔震构造详图》。及公司“隔震设计的统一技术措施20160822

8 在隔震计算中需要注意的几个问题:

1.      计算过程中应注意,修改柱后检查底层柱是否采用下端铰接约束。

2.      减震系数宜控制在0.3~0.4之间,小于0.3时,按规范应进行竖向地震作用计算。大于0.4时,隔震层以上的结构抗震措施不得降低。需增加措施或提高标准,均不太经济。

3.      为避免增加计算及配筋工作量,隔震垫宜设置在上下支墩中部,即上下支墩计算高度基本相同,但应考虑不同隔震垫的厚度不同。建议采用下支墩等高,方便施工。

4.      结构需有相对大的刚度,在采用PKPMYJK软件简化计算时,减震后的框架结构刚度,应保证楼层层间最大位移与层高之比的限制在1/650~1/750,不应卡在规范下限1/550,具体值因项目而异。

5.      隔震沟大样整理后,详见附图。应注意一般建筑都会设置无障碍坡道。可以和建筑专业协商,尽量将坡道设置在隔震沟外部,否则,应从主体结构上挑出,保证与隔震层以下结构脱开。

6.      若隔震层设置在地下室顶板上部,地下室顶板计算要采用隔震后的罕遇地震下支墩传来的内力输入模型进行计算,且要分为XY向分别计算并分别计算相应方向的配筋,考虑地下室使用功能及地下室顶板的作用,下支墩伸入地下室后截面可适当减小,但应满足地下室与隔震层上部一层刚度比大于2的要求。

7.      隔震层作为地下室使用的,应适当增高上支墩高度(1.2m左右)以达到减少下支墩计算高度。下支墩跨高比应小于2,在下支墩上部宜设置拉梁增大下支墩刚度。

三. 专审提出较为常见的问题:

1. 隔震沟不太完善,应由结构专业配合建筑专业绘制。主要问题还是集中在不能限制结构主体自由移动。特别要注意隔震层内部如果有墙体的施工措施。

2. 采用隔震结构后,结构体型虽可采用“E”、“L”、“U”等较为复杂的类型。但该类平面的建筑,楼、电梯间通常设置于转角部位,造成该部位楼板连接较为薄弱。应特别注意,加强板厚并避免楼梯间外部再开洞。应采用符合实际的计算模型复核楼板连接薄弱位置楼板的应力。确保在中震作用下楼板钢筋抗拉不屈服。必要时,应调整建筑方案。

3. 连接两个结构单体的连廊可不采用隔震结构,对单跨框架连廊,应按中震弹性进行配筋计算。

4. 对于体型较为复杂的上部结构,应采用弹性板模型进行多角度地震作用输入分析并复核隔震层偏心率。

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