隔震建筑的地震响应及设计方法

隔震建筑的地震响应及设计方法

0排除隔震层心力作用设计隔震建筑的原则是尽量减少上部结构的地震作用，并将隔震支架的变形控制在所允许的有限变形范围内。上部结构吸收的能量与隔震层相比非常小,若上部结构能够抵抗与其刚体状态相称的地震作用,就能从为确保通常建筑物所要求的能量吸收能力的种种制约条件中解放出来。另外通过排除隔震层的偏心,基本上能够消除由上部结构的能量和刚度偏心所引起的扭转振动产生的不良影响。因此,隔震建筑和传统的建筑相比,前者的设计自由度更大。1设计地震动输入中建筑反应的模型分析1)隔震建筑由基础结构、隔震支座和阻尼器构成的隔震层、以及上部结构组成。2)对于地震作用以外的荷载和外力,隔震建筑的设计和传统结构相同。3)在研究设计地震动输入时建筑反应的基础上,设计隔震层和上部结构。这些分析研究可以对建筑物的横向和纵向独立进行。4)假设上部结构为刚体时,适当配置隔震支座和阻尼器避免隔震层出现偏心。根据设计地震动输入反应分析所得到的隔震支座的最大位移和最大轴力,以及阻尼器必要的能量吸收能力,要确保在各隔震装置的容许值范围内。5)针对设计地震动作用下的应力,可以对上部结构进行容许力设计。6)基础结构和传统建筑一样,要使其不发生过度沉降、转动或水平移动。2基于时程分析方法的确定方法考虑到我国的隔震结构应用现状,结合我国GB50011-2001建筑抗震设计规范(以下简称《抗规》),保证设计的可延续性,引入将简化估算方法和相对较为精确的时程分析方法相结合的思路,即为两阶段设计法。两阶段设计法的具体内涵是在工程方案阶段,采用简化估算方法,便于快速提供在特定场地条件和结构体系以及隔震装置条件下的设计方案,为业主和设计单位提供决策参考;在施工图设计阶段依据我国现行的相关标准采用相对较为准确的时程分析方法,便于最终确定和优化布置、装置参数。其中,隔震结构第二阶段设计是保证结构隔震效果的关键步骤,为更好地推广隔震结构在设计上的应用,在设计计算过程中需要进一步明确隔震结构第二阶段设计中各部分计算模型及计算简图。2.1隔震层结构参数的确定隔震结构的第二阶段设计是通过时程分析计算结构的地震需求和能力,对隔震装置的布置和装置参数的选取进行优化配置,进而设计出满足不同设防水平下结构预期性能目标合理的、经济的结构。隔震结构计算模型,按《抗规》规定,包括隔震支座、隔震层顶板的梁板结构及上部框架结构,简化为多个集中质点的剪切形结构,示意图如图1所示。隔震层水平刚度和等效粘滞阻尼比可根据隔震支座的性能参数Kj,ζj按下列公式计算:其中,ζeq为隔震层等效粘滞阻尼比;Kh为隔震层水平动刚度;ζj为j隔震支座由试验确定的等效粘滞阻尼比;Kj为j隔震支座(含阻尼器)由试验确定的水平动刚度。隔震结构水平向减震系数,应根据结构隔震与非隔震两种情况下各层层间剪力的最大比值,按《抗规》表12.2.5确定。同时还要验算隔震结构在罕遇地震作用下,隔震层的最大位移是否满足最大位移要求。另外,隔震结构体系进行时程分析时,输入加速度波形应符合抗震规范对地震波选取的标准要求。2.2隔震层顶部梁板设计和传统抗震房屋相比,隔震结构如果不设地下室,为了保证隔震层能够整体协调工作,隔震层顶部应设置平面内刚度足够大的梁板体系。《抗规》要求,隔震层顶部的梁板结构,对钢筋混凝土结构应作为其上部结构的一部分进行计算和分析。因此在采用PKPM等结构设计软件进行上部结构设计时,隔震层顶部梁板的作用不能忽略,所采用的计算简图也与传统的抗震结构有所不同。隔震结构设置了隔震层,从隔震层支座的受力来分析,隔震支座能传递上部结构的轴力和水平向剪力,但不能承担上部结构传来的弯矩。因为设计时取隔震层顶部梁板的刚度大于一般楼层梁板,目的就是使底层柱弯矩基本由隔震层顶部梁来分担。从支座变形来分析,隔震支座竖向变形很小,可以忽略不计,但在水平方向可发生较大位移,但位移值有一定的限制。因此,可以将隔震支座简化为一个铰支座和水平弹簧的组合,但考虑到PKPM等结构设计软件中没有相应的支座形式。当隔震层顶部梁板刚度较大,且嵌固形式可假设成无限刚性时,将隔震支座近似简化为铰支座进行设计计算。隔震层顶部梁板平面内刚度很大,而柱的刚度较小,柱底的变形可以忽略不计。因此,可以将隔震建筑上部结构柱底进一步简化为固定端,与传统的抗震结构相比,该简化模型的底层层高从隔震层顶部梁板顶标高算起。2.3隔震层水平刚度分配下部结构通常是指隔震层以下的部分,不包括基础。《抗规》中规定的隔震层以下结构(包括地下室)的地震作用和抗震验算,应采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力,水平力和力矩进行计算,并且应该考虑隔震层水平位移产生的附加影响,受力如图2所示。要精确计算罕遇地震下的下部结构的竖向力,需要对隔震结构进行弹塑性时程分析,但计算非常复杂,时间周期较长,不利于隔震结构的推广应用。因此,在设计计算中,假设隔震结构在罕遇地震下,其上部结构仍保持弹性,取罕遇地震下的等效水平刚度和等效阻尼比,对隔震结构进行罕遇地震下的时程分析,可以求得罕遇地震下隔震层水平位移、隔震层剪力、隔震层倾覆力矩。其中,N为罕遇地震作用下上部结构隔震后的柱底或墙底轴力;V为隔震支座罕遇地震下的剪力;M为罕遇地震下下部构件上作用的弯矩。《抗规》隔震支座的水平剪力应根据隔震层在罕遇地震下的水平剪力中各隔震支座的水平刚度分配,如下式所示:其中,∑V为罕遇地震作用下隔震层的水平剪力;Khi,∑Khi分别