隔震結構設計的方法與步驟

Summary：我國地域遼闊地形復雜，很多地區都位于地震多發帶地區，自2012年汶川地震后，國家對建筑物抗震性能的重視達到了前所未有的新高度，尤其是學校、醫院及養老方面的建筑，部分城市更是出臺了學校、醫院及養老建筑強制采用減隔震措施的規定，其中新疆維吾爾自治區于2016年6月13日發布了《新疆維吾爾自治區實施國家2010（建筑結構）系列規范細則》（XJJ012-2016）,該細則中明確規定：8度及以上地震高烈度區3層及3層以上，建筑物面積大于2000平米的幼兒園、中學、醫院等人員密集公共建筑應采用減隔震技術進行設計。城鄉建設部更是于2021年4月27日發布了建筑隔震設計標準，對隔震設計進行了的詳細的說明及規定。Keys：隔震設計引言隨著最近幾年大量隔震建筑的涌現，很多設計院承接了相關設計任務，但由于各方面原因，許多結構工程師對隔震設計的基本原理及設計步驟不甚了解，疑惑是一知半解，鑒于此，本文對隔震設計原理及具體設計步驟進行簡要的介紹。1隔震設計原理隔震設計原理可以簡單理解為：在不改變結構阻尼的前提下，設置隔震支座來增加結構的自振周期，以此來減小結構的水平地震作用。2隔震設計步驟2.1上部結構設計在進行上部結構設計時，首先要確定隔震設計目標，一般情況下上部結構按降一度進行設計。例如8度區多遇地震下水平地震影響為0.16，進行上部結構設計時，水平地震影響系數取7度0.08。上部結構設計時需注意，隔震只對水平地震起作用，并不能隔離豎向地震，因此結構軸壓比需按8度控制；此外結構樓層最小地震剪力系數（剪重比）應滿足8度區的要求。2.2減震系數β值的計算2.2.1隔震支座的布置隔震支座一般分為LRB型及LNR型兩種，LRB型支座一般放置外圍柱上，LNR型支座放在內柱上。隔震支座的初步選型原則為：準永久荷載作用下，隔震墊表面壓力不大于12Mpa。隔震支座參數有相關廠家確定，隔震支座剛度取r=100%下的等效剛度。2.2.2地震波的初步篩選首先篩選出滿足非隔震模型中震作用下滿足結構底部剪力要求的地震波，該步驟盈建科軟件可以方便快捷的實現。滿足該要求的地震時程曲線會有很多條。2.2.3地震波的精確篩選隔震模型同樣采用中震作用下的相關參數對地震波進行篩選，在滿足非隔震模型的一系列地震時程曲線中選出7條時程曲線，該7條波需滿足“多組時程波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所用的地震影響系數曲線相比，在對應于結構主要振型的周期點上相差不大于20%”，可以理解為隔震結構的第一、二周期在規范反應譜上所對應的縱坐標與在實際時程曲線平均反應譜上所對應的縱坐標值相差不大于20%。此外選出的時程曲線還需滿足抗震規范5.1.2條的規定。2.2.3計算減震系數β分別讀取隔震模型非隔震模型下每一條時程曲線下的兩個方向的樓層剪力，得到隔震模型下的樓層剪力與非隔震模型下的樓層剪力之比，該比值即為減震系數。若時程曲線選的是7條，則減震系數取平均值，其具體方法為：首先計算X方向某一樓層7條波對應的比值，七個數取平均值，同理得出所有樓層剪力比平均值，所有樓層剪力比平均值取出一個最大值βxmax；同樣的方法求得Y方向的樓層剪力比βymax，然后與βxmax想比得到βmax，即為最終減震系數。算出βmax值0.3~0.4為宜，若小于0.3則說明減震過多，宜增加隔震墊的剛度重新設計，也可不改變隔震墊剛度，但上部結構需考慮豎向地震；若大于0.4，則說明減震過少，無法滿足設防目標減一度的要求，需減小隔震墊剛度重新設計。2.3隔震結構抗震指標計算當減震系數調整合適之后，隔震模型采用罕遇地震作用下的相關參數對隔震支座進行拉壓應力及結構抗震指標的驗算。需要注意的是，此時隔震支座等效剛度需采用r=250%下的等效剛度。2.3.1罕遇地震作用下隔震支座壓應力計算隔震橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時作用下，應應力不應大于25Mpa。隔震支座壓應力驗算采用的荷載組合：8度區：組合一1.1恒+0.55活+1.0水平地震（水平地震起控制作用）組合二1.2恒+0.6活+0.5水平地震（豎向地震起控制作用）8度半區：組合一1.15恒+0.575活+1.0水平地震（水平地震起控制作用）組合二1.3恒+0.65活+0.5水平地震（豎向地震起控制作用）9度區：組合一1.2恒+0.6活+1.0水平地震（水平地震起控制作用）組合二1.4恒+0.7活+0.5水平地震（豎向地震起控制作用）2.3.2罕遇地震作用下隔震支座拉應力計算隔震橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時作用下，拉應力不應大于1.0Mpa。隔震支座拉應力驗算采用的荷載組合：8度區：組合一0.9恒-0.05活+1.0水平地震（水平地震起控制作用）組合二0.8恒-0.1活+0.5水平地震（豎向地震起控制作用）8度半區：組合一0.85恒-0.075活+1.0水平地震（水平地震起控制作用）組合二0.7恒-0.15活+0.5水平地震（豎向地震起控制作用）9度區：組合一0.8恒-0.1活+1.0水平地震（水平地震起控制作用）組合二0.6恒-0.2活+0.5水平地震（豎向地震起控制作用）2.3.3隔震層水平位移計算隔震結構應該采取不阻礙隔震層在罕遇地震下發生大變形的構造措施。上部結構的周邊應設置豎向隔離縫，縫寬不宜小于隔震橡膠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。對于兩相鄰隔震結構，其縫寬取最大水平位移值之和，且不小于400mm。罕遇地震下隔震層水平位移計算采用的荷載組合:1.0恒+0.5活+1.0水平地震2.3.4抗風承載力驗算隔震層必須具備足夠的屈服前剛度和屈服承載力，以滿足風荷載和微振動的要求。抗風裝置應按此式進行驗算：風荷載分項系數（1.4）*風荷載作用下隔震層的水平剪力標準值<=抗風裝置的水平承載力設計值2.3.5罕遇地震下的隔震結構層間位移角鋼筋混凝土框架結構設防地震作用下的彈性層間位移角應小于1/400，罕遇地震作用下的彈性層間位移角應小于1/1002.3.6下柱墩設計隔震結構下柱墩需滿足罕遇地震下結構彈性承載力的要求，其設計內力取罕遇地震作用下隔震支座的內力，7條反應譜取最不利組合按懸臂柱進行配筋。上柱墩配筋同下柱墩配筋，同時柱墩鋼筋應滿足規范構造要求。此外為滿足隔震支座的安裝要求，柱墩邊距離支座邊的距離不宜小于100mm。下支墩計算簡圖M=0.5*P*U+V*(H1+H2)U為支座水