隔震结构设计的方法与步骤

隔震结构设计的方法与步骤

Summary：我国地域辽阔地形复杂，很多地区都位于地震多发带地区，自2012年汶川地震后，国家对建筑物抗震性能的重视达到了前所未有的新高度，尤其是学校、医院及养老方面的建筑，部分城市更是出台了学校、医院及养老建筑强制采用减隔震措施的规定，其中新疆维吾尔自治区于2016年6月13日发布了《新疆维吾尔自治区实施国家2010（建筑结构）系列规范细则》（XJJ012-2016）,该细则中明确规定：8度及以上地震高烈度区3层及3层以上，建筑物面积大于2000平米的幼儿园、中学、医院等人员密集公共建筑应采用减隔震技术进行设计。城乡建设部更是于2021年4月27日发布了建筑隔震设计标准，对隔震设计进行了的详细的说明及规定。Keys：隔震设计引言随着最近几年大量隔震建筑的涌现，很多设计院承接了相关设计任务，但由于各方面原因，许多结构工程师对隔震设计的基本原理及设计步骤不甚了解，疑惑是一知半解，鉴于此，本文对隔震设计原理及具体设计步骤进行简要的介绍。1隔震设计原理隔震设计原理可以简单理解为：在不改变结构阻尼的前提下，设置隔震支座来增加结构的自振周期，以此来减小结构的水平地震作用。2隔震设计步骤2.1上部结构设计在进行上部结构设计时，首先要确定隔震设计目标，一般情况下上部结构按降一度进行设计。例如8度区多遇地震下水平地震影响为0.16，进行上部结构设计时，水平地震影响系数取7度0.08。上部结构设计时需注意，隔震只对水平地震起作用，并不能隔离竖向地震，因此结构轴压比需按8度控制；此外结构楼层最小地震剪力系数（剪重比）应满足8度区的要求。2.2减震系数β值的计算2.2.1隔震支座的布置隔震支座一般分为LRB型及LNR型两种，LRB型支座一般放置外围柱上，LNR型支座放在内柱上。隔震支座的初步选型原则为：准永久荷载作用下，隔震垫表面压力不大于12Mpa。隔震支座参数有相关厂家确定，隔震支座刚度取r=100%下的等效刚度。2.2.2地震波的初步筛选首先筛选出满足非隔震模型中震作用下满足结构底部剪力要求的地震波，该步骤盈建科软件可以方便快捷的实现。满足该要求的地震时程曲线会有很多条。2.2.3地震波的精确筛选隔震模型同样采用中震作用下的相关参数对地震波进行筛选，在满足非隔震模型的一系列地震时程曲线中选出7条时程曲线，该7条波需满足“多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%”，可以理解为隔震结构的第一、二周期在规范反应谱上所对应的纵坐标与在实际时程曲线平均反应谱上所对应的纵坐标值相差不大于20%。此外选出的时程曲线还需满足抗震规范5.1.2条的规定。2.2.3计算减震系数β分别读取隔震模型非隔震模型下每一条时程曲线下的两个方向的楼层剪力，得到隔震模型下的楼层剪力与非隔震模型下的楼层剪力之比，该比值即为减震系数。若时程曲线选的是7条，则减震系数取平均值，其具体方法为：首先计算X方向某一楼层7条波对应的比值，七个数取平均值，同理得出所有楼层剪力比平均值，所有楼层剪力比平均值取出一个最大值βxmax；同样的方法求得Y方向的楼层剪力比βymax，然后与βxmax想比得到βmax，即为最终减震系数。算出βmax值0.3~0.4为宜，若小于0.3则说明减震过多，宜增加隔震垫的刚度重新设计，也可不改变隔震垫刚度，但上部结构需考虑竖向地震；若大于0.4，则说明减震过少，无法满足设防目标减一度的要求，需减小隔震垫刚度重新设计。2.3隔震结构抗震指标计算当减震系数调整合适之后，隔震模型采用罕遇地震作用下的相关参数对隔震支座进行拉压应力及结构抗震指标的验算。需要注意的是，此时隔震支座等效刚度需采用r=250%下的等效刚度。2.3.1罕遇地震作用下隔震支座压应力计算隔震橡胶支座在罕遇地震的水平和竖向地震同时作用下，应应力不应大于25Mpa。隔震支座压应力验算采用的荷载组合：8度区：组合一1.1恒+0.55活+1.0水平地震（水平地震起控制作用）组合二1.2恒+0.6活+0.5水平地震（竖向地震起控制作用）8度半区：组合一1.15恒+0.575活+1.0水平地震（水平地震起控制作用）组合二1.3恒+0.65活+0.5水平地震（竖向地震起控制作用）9度区：组合一1.2恒+0.6活+1.0水平地震（水平地震起控制作用）组合二1.4恒+0.7活+0.5水平地震（竖向地震起控制作用）2.3.2罕遇地震作用下隔震支座拉应力计算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1.0Mpa。隔震支座拉应力验算采用的荷载组合：8度区：组合一0.9恒-0.05活+1.0水平地震（水平地震起控制作用）组合二0.8恒-0.1活+0.5水平地震（竖向地震起控制作用）8度半区：组合一0.85恒-0.075活+1.0水平地震（水平地震起控制作用）组合二0.7恒-0.15活+0.5水平地震（竖向地震起控制作用）9度区：组合一0.8恒-0.1活+1.0水平地震（水平地震起控制作用）组合二0.6恒-0.2活+0.5水平地震（竖向地震起控制作用）2.3.3隔震层水平位移计算隔震结构应该采取不阻碍隔震层在罕遇地震下发生大变形的构造措施。上部结构的周边应设置竖向隔离缝，缝宽不宜小于隔震橡胶支座在罕遇地震下的最大水平位移的1.2倍且不宜小于200mm。对于两相邻隔震结构，其缝宽取最大水平位移值之和，且不小于400mm。罕遇地震下隔震层水平位移计算采用的荷载组合:1.0恒+0.5活+1.0水平地震2.3.4抗风承载力验算隔震层必须具备足够的屈服前刚度和屈服承载力，以满足风荷载和微振动的要求。抗风装置应按此式进行验算：风荷载分项系数（1.4）*风荷载作用下隔震层的水平剪力标准值<=抗风装置的水平承载力设计值2.3.5罕遇地震下的隔震结构层间位移角钢筋混凝土框架结构设防地震作用下的弹性层间位移角应小于1/400，罕遇地震作用下的弹性层间位移角应小于1/1002.3.6下柱墩设计隔震结构下柱墩需满足罕遇地震下结构弹性承载力的要求，其设计内力取罕遇地震作用下隔震支座的内力，7条反应谱取最不利组合按悬臂柱进行配筋。上柱墩配筋同下柱墩配筋，同时柱墩钢筋应满足规范构造要求。此外为满足隔震支座的安装要求，柱墩边距离支座边的距离不宜小于100mm。下支墩计算简图M=0.5*P*U+V*(H1+H2)U为支座水