建筑结构隔震设计难点分析

2024/11/51建筑结构隔震设计

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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2024/11/53一、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。

2024/11/547、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。

2024/11/552、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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ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，

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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

2024/11/57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1~1.5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。具体降低的烈度分档见表1。

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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1~1.5度，能否降低这个烈度，需要通过水平向减震系数β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αmax1=βαmax/ψ来计算，其中αmax1--隔震后的水平地震影响系数最大值；αmax—非隔震的水平地震影响系数最大值；β—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。2024/11/510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；ψ—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》GB20688.3确定。

β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2024/11/511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。β值与隔震前后地震烈度的变化关系见前面表1。β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。

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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》

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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2024/11/514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“Rubberisolator”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。

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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2024/11/516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，持续时间一般取结构基本周期的（5~10）倍，即结构顶点可按基本周期往复（5~10）次。

【例】西安高新一小东校区教学楼左3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

2024/11/5174.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：Ⅱ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：0.20g；

(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2024/11/518(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.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.ETABS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“Rubberisolator”模拟橡胶隔震支座。本结构模型依据PKPM模型，使用YJK程序转换得到。ETABS模型如例图1所示。

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例图1结构有限元模型示意2024/11/520

3.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

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由例表1可知，本工程所选地震波满足《抗规》相关要求。

2024/11/5224、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β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2024/11/523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。

2024/11/524【例】4.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

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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。

2024/11/527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

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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。

2024/11/5292024/11/5307、水平地震影响系数β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β。

【例】

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由续表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β=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αmax1=0.08。

调整β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2024/11/536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】

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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。

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2024/11/542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】2024/11/5432024/11/5442024/11/545

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)：

2024/11/546VRw=62.8X7+76X4+123.1X4+160.8X8=2522kN

即：1.4Vwk=1.4X714=1000kN<VRw<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2024/11/547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，作为地上结构计算；如果是