建筑结构隔震设计难点分析

1、2021-6-201 建筑结构隔震设计 2021-6-202 目 录 一、前言 二、隔震结构的主要优缺点 三、隔震结构的主要适用范围 四、隔震结构的设计内容 五、隔震支座以上部分设计 六、隔震支座的设计 七、隔震结构的抗风设计 八、隔震支座以下结构（悬臂柱或地下室）的设计 九、隔震结构的构造措施 2021-6-203 一、前言 1、隔震设计技术以前用的不是很多。所以对于 设计师来说这项先进技术的应用就是科技创新。近年 来一些新技术在已开始试用，比如曲屈支撑、预应力 等，这都是可喜的突破。 2、据了解隔震设计在其他设计院采用的也不多 。一般是设计院与隔震公司合作设计，设计院仅作常 规设计部分，核

2、心部分的设计通常由隔震公司完成。 换言之，设计单位没有独立设计能力。 3、隔震设计比常规设计难的多，工作量大，所 以难以推广。虽然有了设计规范，但隔震技术还处于 “初期阶段”，许多问题还在研究探讨之中。 4、“落后就要挨打”。作为“国内一流、行业 领先”的设计院，必须尽快掌握这项新技术，否则只 能自己称自己“领先”，就会从“瞧不起”到“看不 懂”，再到“跟不上”。 5、于院长在2016年年中工作会上的讲话中，要 求由技术质量部牵头，专家咨询中心和专业委员会通 力配合，在技术创新方面有所突破。为了完成院长下 达的任务，安排了这次培训。 6、由于这项技术比较难，如果没有反复深入的 学习过这方面的知

3、识，有些同事可能听不懂，估计培 训效果不理想，不一定会获得大家的好评，可能会出 力不讨好。但是总要有人作出“牺牲”，有人迈出这 第一步。作为专家咨询中心，应当承担起这个责任， 应当对中联院的技术创新起到引领作用。 2021-6-204 7、这次讲座厘清了隔震设计中的一些关键的概念 和问题，比如小震、中震、大震、弹性、弹塑性、基 本组合、标准组合、竖向地震、振型分解法、时程分 析法等各用在什么情况下？这对大家今后的学习和设 计肯定有帮助，大家可以对照着我的讲稿来设计。这 也是安排这次讲座的另一个原因。 8、为了提高培训效果，这次采用理论与实例相结 合的办法，看到实例就清楚了理论。 9、如果这次讲

4、座大家收获不大，也请大家谅解。 二、隔震结构的主要优缺点 1、主要优点：提高结构在地震中的安全度（从震 害调查看出）；减小隔震层以上部分构件的截面尺寸 和配筋。 2021-6-205 2、主要缺点：综合造价高（隔震支座的设备和安 装费大约是100元/平方米，不含土建增加费用）；设计 麻烦；适用于部分建筑；不能减小竖向地震的作用。 三、隔震结构的主要适用范围 1、结构高宽比宜小于4，且不应大于非隔震结构的 高宽比限值。超过时需要进行专门研究和专项抗震审查 。主要适用于低层及多层。 2、建筑场地宜为、类，并应选用稳定性 较好的基础类型。 3、风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产 生的总水平力不

5、宜超过结构总重力的10%。 4、推荐使用范围：重要的、有特殊要求的建筑， 2021-6-206 比如9度、8度（0.3g）等地震高烈度区，且地震时有特 殊使用要求的建筑或地震后需要尽快回复使用功能的建 筑。 四、隔震结构的设计内容 隔震结构是在普通结构的底部（基础顶）或下部结 构与上部结构之间设置橡胶隔震支座。隔震结构分为四 部分：隔震支座以上部分、隔震支座、隔震支座以下部 分和基础。隔震支座的上面要设置一层短柱和梁板楼盖 结构，其板厚不小于160mm。短柱和梁板楼盖构成计算 模型的一层楼，与非隔震结构相比，这层是新加的，为 了描述方便，称其为0层。0层的层高一般取为短柱的高 度，梁柱截面按实

6、际尺寸输入。当没有地下室时，需要 在隔震支座的下面设置钢筋砼支柱；当有地下室时，隔 2021-6-207 震支座直接放置在地下室柱顶。隔震支座以上部分 属于上部结构，隔震支座以下部分属于下部结构。 橡胶隔震支座应具有整体复位功能。 隔震层能够延长整个结构体系的自振周期，减 少输入上部结构的水平地震作用。隔震层的本质就 是一种特殊的薄弱层，该薄弱层承载力可控，大震 变形可控，且具有预定的复位功能等。隔震一般可 使结构的水平地震加速度降低60%左右。即隔震后可 使上部结构的设防烈度降低11.5度，不能降低2度 ，有1.5度时降低1.5度，没有1.5度时降低1度，因 为没有6.5度。具体降低的烈度分

7、档见表1。 2021-6-208 2021-6-209 隔震结构基础的设计与常规设计相同，以下只介绍 其他三部分的设计。 五、隔震支座以上部分设计 1、地震作用通过隔震支座后衰减，所以隔震支座 以上部分是按照降低以后的烈度作为设防烈度，再按照 小震、弹性、振型分解反应谱的方法进行设计。 2、隔震层以上结构一般降低11.5度，能否降低这 个烈度，需要通过水平向减震系数来控制。隔震后水 平地震作用计算用的水平地震影响系数最大值通过公式 max1 max1= = max max/ / 来计算，其中max1 max1- -隔震后的水平地 震影响系数最大值；max max非隔震的水平地震影响系数 最大值

8、；水平向减震系数；对于多层建筑，为按弹 性计算所得的隔震与非隔震各层层间剪力的最大比值。 2021-6-2010 对于高层建筑，尚应计算隔震与非隔震各层倾覆力矩 的最大比值，并与层间剪力的最大比值相比较，取二 者的较大值；调整系数；一般橡胶支座，取0.8； 支座剪切性能偏差为S-A类，取0.85；隔震装置带有阻 尼器时，相应减少0.05。注：（1）弹性计算时，简化 计算和反应谱分析时宜按隔震支座水平剪切应变为 100%时的性能参数（产品样本提供）计算；当采用时 程分析法时按设计基本地震加速度输入进行计算；（2 ）支座剪切性能偏差按现行国家产品标准橡胶支座 第3部分：建筑隔震橡胶支座GB2068

9、8.3确定。 值的计算，不论是采用弹性还是弹塑性计算，都 要按照设防烈度（中震）计算。大多数是采用弹塑性 2021-6-2011 时程分析的方法，规范推荐的底部剪力法和反应谱法 这两种弹性计算方法一般少用，弹性时程分析法一般 不用。采用的计算模型分别是隔震模型和非隔震模型 。值与隔震前后地震烈度的变化关系见前面表1。 值的计算见后面的例子。 3、隔震支座以上部分设计计算模型是将0层以下 的隔震支座及以下部分取消，0层柱底铰接，0层作为 地上一层，嵌固端在0层柱底。 2021-6-2012 隔震层顶盖楼板厚不小于160，该层不是上部结构 的嵌固处，是上部结构的底部在隔震层支座处的“收头 ”，规范

10、对其配筋构造没有要求，可按照普通楼层板设 计。建议按双层双向配筋，配筋率不小于0.20%。当有 地下室时，地下室顶盖的楼板取消，嵌固端仍在地下室 顶盖处（隔震支座底部），因为地下室按照罕遇地震作 用计算，其强度、刚度都很大，可以作为上部结构的嵌 固端。 4、隔震层以上结构的总水平地震作用不得低于非 隔震结构在6度设防时的总水平地震作用，并应进行抗 震验算；各楼层的水平地震剪力尚应符合抗规 2021-6-2013 第5.2.5条对本地区设防烈度的最小地震剪力系数的规 定。所以对于长周期的结构，即使采用了隔震结构，其 设计计算的隔震效果很小或没有效果。 5、9度时和8度且水平向减震系数不大于0.3

11、时，隔 震层以上的结构应进行竖向地震作用的计算。计算方法 同9度时非隔震结构。竖向地震作用标准值，8度（ 0.20g）、8度（0.30g）和9度（0.40g）时分别不小于 隔震层以上结构总重力荷载代表值的20%、30%和40%。 隔震层以上采用振型分解反应谱法计算时要查看竖向地 震作用标准值，如果小于总重力荷载代表值的20%、30% 和40%，就要放大竖向地震作用的组合系数，使其满足 该要求。8度且水平向减震系数大于0.3时，按照隔震要 2021-6-2014 求可以不考虑上部结构的竖向地震作用，但是如果满 足抗规5.3节的条件，也需要计算竖向地震作用， 按照这节的方法计算，但不需要满足隔震对

12、竖向地震 最小值的限值。 六、隔震支座的设计 1、用于隔震支座设计的隔震计算模型，是在0层 柱的底下加入隔震支座，0层柱底铰接。隔震层以下部 分取消，计算嵌固端在0层柱底。隔震层的刚度是按照 隔震支座的计算参数，采用“Rubber isolator”软件 模拟的。在隔震计算模型中将隔震支座取消，0层柱底 固接，就得到非隔震计算模型，嵌固端仍然在0层柱底 。 2021-6-2015 2、隔震支座的设计和验算，一般采用隔震模型， 在中、大震作用下，弹塑性时程分析的结果。 3、地震波，一般选用5条实际强震记录和2条人工 模拟波，计算结果取平均值。多条时程曲线的平均地震 影响系数曲线应与振型分解反应谱

13、法所采用的地震影响 系数曲线在统计意义上相符。所谓“在统计意义上相符 ”指的是二者在主要振型周期点上相差不大于20%，即 平均基底剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的80% ，每条地震波的计算结果不小于65%，也不能大于135% ，平均不大于120%。选波三要素：频谱特性、有效峰值 2021-6-2016 和持续时间。（1）频谱特性可用地震影响系数曲线表 征，依据场地类别和设计地震分组；（2）有效峰值就 是地震加速度的最大值，为了使地震波在统计意义相 符，有效峰值可以调大或调小；（3）有效持续时间一 般从首次达到该时程曲线最大峰值的10%那一点算起， 到最后一点达到最大峰值的10%为止，持续时

14、间一般取 结构基本周期的（510）倍，即结构顶点可按基本周 期往复（510）次。 【例】 西安高新一小东校区教学楼左西安高新一小东校区教学楼左3 3隔震设计隔震设计 (一). 工程概况 1.工程名称: 西安高新一小东校区教学楼左3 2.工程地点:西安 3.工程用途: 学校 2021-6-2017 4.工程规模 (1) 建筑面积：约4381.58m2； (2) 高度：建筑高度约为23.2m； (3) 层数：地上6层，地下1层。 5.主要自然条件 (1) 场地类别：类； (2) 设计地震分组：第一组； (3) 特征周期：0.40s； (4) 抗震设防烈度：8度； (5) 设计基本地震加速度：0.2

15、0g； (6) 建筑抗震设防类别：重点设防类（乙类） (7) 基本风压：0.35kN/ m2。 6. 结构概况 2021-6-2018 (1) 结构类型：钢筋混凝土框架结构； (2) 抗震等级：二级（隔震后）； (3) 地基基础设计等级：乙级。 (二). 计算参数及隔震支座选型布置 1. 1. 计算程序计算程序 程序名称：ETABS2013 程序功能：三维空间弹塑性时程分析及结构设计 2. ETABS2. ETABS模型建立模型建立 本工程使用大型有限元软件ETABS建立隔震与非隔 震结构模型，使用连接单元“Rubber isolator”模拟 橡胶隔震支座。本结构模型依据PKPM模型，使用Y

16、JK程 序转换得到。ETABS模型如例图1所示。 2021-6-2019 例图1 结构有限元模型示意 2021-6-2020 3. 3. 地震波地震波 设防烈度下本工程所选地震动时程反应谱如例图 2 所示，结构基底剪力比较见例表1。 例图2 地震动反应谱 2021-6-2021 由例表1可知，本工程所选地震波满足抗规相 关要求。 2021-6-2022 4、验算7条地震波的符合性时，时程分析采用中 震、弹塑性、隔震模型，振型分解反应谱法也是采用 中震、弹性、隔震模型。采用中震是因为抗规 12.2.5条的注1规定：计算值时，当采用时程分析法 时按设计基本地震加速度输入进行计算。由于弹塑性 时程分

17、析采用的是等效刚度计算，与弹性时程分析的 结果相差不大（有计算比较），所以可以用弹塑性时 程法与弹性反应谱法的结果直接相比，不算矛盾。 5、隔震支座选型布置 隔震支座按照隔震模型在重力荷载代表值作用下 （1.0恒载+0.5活载）的竖向压应力不能超过抗规 表12.2.3的限值，或者在重力荷载代表值作用下的竖 向力不超过隔震橡胶支座的竖向承载力。据此初选隔 2021-6-2023 震支座的型号并布置，选择原则应使压应力布置均匀 ，最大限度发挥隔震效果。橡胶支座的竖向承载力就 是橡胶支座的截面面积乘以压应力的限值，该承载力 也可以从隔震橡胶支座的产品样本中查到。比如铅芯 橡胶支座LRB500，有效直

18、径为500mm，有效截面为 3.14X2502=196250mm2，196250X12=2355000N=2355kN， 该值就是LRB500的乙类建筑竖向承载力。 2021-6-2024 【例】【例】 4. 4. 隔震支座布置隔震支座布置 重力荷载代表值作用下隔震橡胶支座的压应力如 例表2所示。 例表2 橡胶隔震支座在重力荷载代表值作用下（1.0 恒载+0.5活载）的竖向压应力 2021-6-2025 2021-6-2026 由例表2可知，隔震支座重力荷载代表值下压应力 满足抗规12.2.3的要求。 本工程选用铅芯橡胶支座（LRB），隔震支座相关 力学性能参数见例表3。 2021-6-202

19、7 本工程的隔震支座布置如例图3所示。 例图3 隔震支座编号及布置 2021-6-2028 例图3所示，该项目共使用LRB500（7个）， LRB550（4个），LRB700（4个），LRB800（8个）。 6、验算隔震后两个方向的周期差。叠层橡胶支 座隔震技术规程（CECS126:2001）的4.1.3条规定： “隔震房屋两个方向的基本周期相差不宜超过较小值 的30%”。隔震房屋在两个方向的基本周期如果差别过 大，将导致两个方向隔震效果也差别较大，所以有必 要限定两者相差不宜超过较小值的30%。所以两个方向 的周期差要验算。 【例】 隔震结构与非隔震结构的周期对比见例表4， 隔震后结构周期明

20、显延长。由例表4可知，采用隔震技 术后，两个方向的基本周期相差为（2.7424-2.6950） / /2.6950=1.76%，满足规范要求。 2021-6-2029 2021-6-2030 7、水平地震影响系数的计算 在设防地震（中震）作用下，采用弹塑性时程分 析法分别计算非隔震模型与隔震模型在每条波下的X 、Y向层间剪力和层间剪力比，分别计算出7条波下X 、Y向层间剪力比的平均值和最大值，再选出隔震层 以上各层层间剪力比的最大值，该值即为水平向减震 系数。 【例】 2021-6-2031 2021-6-2032 2021-6-2033 2021-6-2034 2021-6-2035 由续表

21、7可知，隔震与非隔震结构层间剪力比（7 条时程波平均值）最大值为0.376，故取=0.376，根 据表1，本工程取隔震后结构比非隔震结构降低一度设 计，水平地震影响系数最大值max1 max1=0.08。 调整值有3条路径：（1）将部分铅芯橡胶支座 改为天然橡胶支座；（2）将橡胶类型由G6改为G4，G6 代表橡胶的剪切弹性模量的大小；（3）将部分支座改 为弹性滑移支座。 8、隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移验 算 抗规12.2.6条规定，隔震支座对应于罕遇地震 水平剪力的水平位移不应超过该支座有效直径的0.55 倍和支座内部橡胶总厚度3.0倍二者的较小值。该计算 2021-6-2036

22、为设防烈度的罕遇地震下，采用隔震模型，采用（ 1.0恒载+0.5活载+1.0水平地震）荷载(标准)组合， 弹塑性时程分析，计算出每一个支座在每一条波下的 X、Y向支座剪力和支座位移，再分别算出每个支座在 7条波下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选出最大值，最大 值不应超过支座最大位移限值。该组合是标准组合， 用于计算位移，所以其支座最大剪力无用。 【例】【例】 2021-6-2037 2021-6-2038 2021-6-2039 2021-6-2040 2021-6-2041 由续表8可知，在罕遇地震作用下，隔震层的水平 向最大平均位移为219mm。

23、 直径500支座的最大允许变形： 0.55X500=275mm ； 96X3=288mm，96为橡胶总厚度，取较小值为275mm 。 最大平均位移小于最大允许变形，所以选取的支 座满足结构在罕遇地震作用下的水平变形要求。 9、隔震支座在罕遇地震作用下的最大压力和最大 拉力验算 抗规12.2.4条规定，隔震橡胶支座在罕遇地震 的水平和竖向地震同时作用下，拉应力不应大于 1.00MPa。12.2.4条的条文说明（P454）中规定在罕遇 地震的水平和竖向地震同时作用下隔震支座的最大压 2021-6-2042 应力不应超过34MPa（一般取30MPa）。工况是隔震模 型、设防烈度的罕遇地震、弹塑性时程

24、分析，最大压 应力（设计值）的荷载组合为：1.2（1.0恒载+0.5活 载）+1.3水平地震+0.5竖向地震；最大拉应力（标准 值）的荷载组合为：1.0恒载+1.0水平地震-0.5竖向 地震。 【例】【例】 2021-6-2043 2021-6-2044 2021-6-2045 由例表9可知，隔震支座在罕遇地震作用下的最大 拉应力（7条波的平均值）均小于1Mpa；最大压应力为 23.68MPa，小于30MPa，满足抗规的相关要求。 七、隔震结构的抗风设计 抗规12.1.3条规定，隔震结构在风荷载和其 他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜 超过结构总重力的10%。另外这个总水平力也不能

25、超过 各支座的水平设计承载力之和，支座的水平设计承载 力就是产品样本中的屈服力。 【例】 风荷载作用下隔震层的水平剪力标准值 Vwk=714kN，结构总重力的10%即0.1X7018X9.81=6884kN 。另外，抗风装置的水平承载力设计值(隔震支座的水 平屈服力)： 2021-6-2046 VRw =62.8X7+76X4+123.1X4+160.8X8=2522kN 即：1.4Vwk=1.4X714=1000kNVRw 0.1Geq ，抗风设计 满足规范要求。 八、隔震支座以下结构（悬臂柱或地下室）的设 计 抗规12.2.9条规定，隔震层的支墩、支柱及相 连构件，应采用隔震结构罕遇地震下

26、隔震支座底部的 竖向力、水平力和力矩进行承载力验算；隔震层以下 的结构（包括地下室和隔震塔楼下的底盘）中直接支 撑隔震层以上结构的相关构件，应满足嵌固的刚度比 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。 罕遇地震作用下隔震支座的最大剪力、轴力和弯 2021-6-2047 矩计算采用的荷载组合是：1.2（1.0恒荷载0.5 活荷载）1.3水平地震+0.5竖向地震。根据以上 要求计算求得罕遇地震下隔震支座的轴力P、剪力V以 及附加弯矩M的设计值，用于支墩设计。 将隔震支座及以上部分去掉，按照隔震支座验算 时在设防烈度的大震，弹塑性时程分析时得到的轴力P 、剪力V和附加弯矩M，将其作为静力荷载加到悬臂支 柱或地下室柱顶，不再计算地震作用（因为P、V、M已 经包含了地震作用），采用PM+SATWE软件按照弹性计 算，不再考虑承载力抗震调整系数。如果是悬臂柱， 侧面没有约束，