建筑隔震与消能减震设计

[]1002-8528(2002)01-0021-07唐家祥(华中科技大学土木工程学院,武汉430074)[　]介绍了«建筑抗震设计规范»GB50011-2001中第12章隔震与消能减震设计,包括隔震与消能减震设计的科学理念,设防目标、设计方案、适用范围、设计要点以及对隔震和消能减震部件的基本要求等,并对一些重要规定作了说明。[]隔震设计;消能减震设计;水平向减震系数[]TU318.+4;TU352.1+2　　　[]ADesignofSeismicIsolationandEnergyDissipationforBuildingsTANGJia-xiang(SchoolofCivilEngineering,HuazhongUniversityofScience&Technology,Wuhan,430074,China)[Abstract]Thispaperisattemptedtointroducethedesignofseismicisolationandenergydissipation(SI&ED)forbuildingsinthecodeforseismicdesignofbuildingsofChina,includingscientificconception,fortifiedobject,designplan,suitablerange,keypointsofdesignandbasicrequirementsforthecomponentsofSI&ED.Furthermoresomeimportantprovisionsareexplained.[Keywords]designofseismicisolation;designofenergydissipation;dampingcoefficientinhorizontaldirection[]2001-12-01[]唐家祥,(1938-),男,教授1　　隔震与消能减震设计是«建筑抗震设计规范»GB50011-2001[1](以下简称«规范»)新增加的一章,属于建筑抗震设计新技术。隔震,即隔离地震。在建筑物上部结构与基础之间设置隔震层,隔离地震能量向上部结构传递,降低上部结构的地震作用,达到预期的防震要求,使建筑物的安全得到可靠的保证。表1比较了隔震房屋和传统抗震房屋的设计理念。1　项　目抗震房屋隔震房屋结构体系上部结构和基础牢牢连接削弱上部结构与基础的有关连接科学思想提高结构自身的抗震能力隔离地震能量向建筑物输入方法措施强化结构刚度和延性滤　波消能减震是在建筑物的抗侧力结构中设置消能器,消耗部分地震能量,降低结构的地震作用,达到预期设防目标的房屋减震设计。隔震体系能够减小结构的水平地震作用,减轻结构和非结构的地震损坏,提高建筑物及其内部设施、人员在地震时的安全性,增加震后建筑物继续使用的能力,已被理论和国内外实发地震所证实。采用消能减震方案可以减少结构在风作用下的位移已是公认的事实,对减少结构水平和竖向地震反应也是有效的。2　2.1　«规范»第3.8.2条规定:采用隔震和消能减震设计的建筑,其抗震设防目标应高于«规范»第1.0.1条三水准设防的规定。对此,«规范»第12章建筑隔震与消能减震设计中有以下体现:(1)本文表2、表4及«规范»第12.2.6、12.2.9等条保证了在水平地震影响方面隔震设计比抗震设计具有大约高0.5个设防烈度或以上的抗震安全储备。(2)«规范»第12.3.3条规定,消能减震框架结构的层间弹塑性位移角限值宜采用1/80。提高了对框架结构弹塑性层间位移角限值的要求。2.2　(1)隔震结构主要用于体型基本规则的低层和多层建筑结构。隔震设计适合于高度不超过40m、以剪切变形为主的结构。根据日、美等国工程经验,不隔震时基本周期小于1.0秒的结构,减震效果最佳(图1)[2]。　第18卷第1期建　筑　科　学Vol.18,No.1　　2002年2月　BUILDINGSCIENCEFeb.2002图1　国外18个隔震工程有效性分析不隔震结构基本周期的估计:普通砌体房屋可取T1=0.4s,钢筋混凝土框架取T1=0.075H3/4,钢筋混凝土抗震墙结构取T1=0.05H3/4(H为结构高度)。(2)消能减震设计不受层数等限制。消能器的置入,不改变主体承载结构的体系,因而不受结构层数、高度等条件限制。(3)场地及其它条件。国外对隔震建筑工程的考察资料表明:硬土场地较适合于隔震建筑;软弱场地滤掉了地震波的中、高频分量,若不特别留意隔震层设计,有可能增大而不是减小建筑物的地震反应。日本«隔震结构设计技术标准»规定,隔震建筑适用于一、二类场地。我国Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地的反应谱特征周期均较小,故都可建造隔震建筑。隔震设计时,«规范»要求风荷载和其它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量的10%,是为了有利于隔震结构具有可靠的抗倾覆能力。(4)隔震和消能减震设计,应主要应用于使用功能有特殊要求的建筑及抗震设防烈度为8、9度的建筑。对于一些重要建筑,为了实现对使用功能的特殊要求,适当增加投资是必要的,因而都可采用隔震和消能减震设计。本文2.1节已经指出,采用隔震和消能减震设计可使建筑物具有更高的抗震安全度。如果仅此仍不能满足其特殊需要,还可利用«规范»12.1.3条的概念,不减少地震作用去达到特殊要求的目的。使用功能有特殊要求,例如:要求地震时不中断使用功能(首脑、指挥机关、消防、警察、医院);要求地震时不损坏信息系统、重要设备(银行、保险、通讯);要求减轻次生灾害(存放有毒、爆炸等物品的建筑);要求地震时生命安全有更大保证(幼儿园、小学、医院病房等地震时人员不便疏散的建筑);要求用隔震和消能减震技术弥补某些类型结构在抗震方面的不足或满足其抗震设计要求等。对于多层砌体、一般框架和抗震墙房屋,«规范»强调隔震和消能减震设计主要用于8、9度区。这是因为试设计和试点工程表明,在6、7度区建造隔震房屋虽可提高房屋的抗震安全度,但建设投资常有增加,现阶段尚不易为一般消费者所接受。2.3　隔震与消能减震设计系第一次纳入我国«建筑抗震设计规范»,为积极、稳妥起见,做好设计方案的技术、经济比较是必要的。2.4　隔震和消能减震部件的设计参数和耐久性应由试验确定并在设计文件上注明;施工安装前应对工程中所用各种类型和规格的隔震、消能减震原型部件进行抽样检测,每种类型和每一规格的数量不应少于3个,抽样检测的合格率应为100%。消能部件应对结构提供足够的附加阻尼,尚应根据其结构类型分别符合«规范»相应章节的要求。3　«规范»条文中含有两个重要概念:分部设计方法和水平向减震系数。它们在隔震设计和抗震设计之间建立起了一座相互沟通的桥梁,使抗震设计资源和技术能在隔震设计中继续得到应用或稍作变动后得到应用,这是本«规范»的重要特色。3.1　把整个隔震结构体系分成上部结构(隔震层以上结构)、隔震层、隔震层以下结构和基础四部分,分别进行设计。3.2　用水平向减震系数设计上部结构。(1)水平向减震系数概念　水平向减震系数是设防烈度多遇地震下,结构隔震与非隔震时,各层层间剪力比的最大值Χmax,代表了采用隔震设计的减震效果。设结构隔震与非隔震时,第i层层间剪力比的最大值为Χimax,有Χimax=(Qgi(t)/Qi(t))max(1)其中,Qgi(t)、Qi(t)分别是结构隔震、非隔震时第i层层间剪力在t时刻的值;Χmax是各层Χimax的最大值。(2)层间剪力比最大值Χmax的计算　计算方法宜采用时程分析法。隔震体系的计算简图可采用剪切型结构模型(图2);当上部结构的质心与隔震层刚度中心不重合时,应计入扭转变形影响。对于钢筋混凝土结构,隔震层顶部的梁板结构应作为其上部结构的一部分进行计算。输入地震波的反应谱特性和数量,应符合«规范»5.1.2条规定。计算结果宜取其平均值。(3)水平向减震系数设计取值　为了提高隔震设计的抗震设防目标,设计时,水平向减震系数(取层间剪力比最大值的1/0.7。同时,水平向减震系数不宜低于0.25。Χ=Χmax/0.7(2)　　表2给出了层间剪力最大比值和水平向减震系数的四个区段控制值。表中,层间剪力比最大值是计算所得实际减震系数,水平向减震系数属于设计取值。二者之差大致相当22建筑科学第18卷于把设计地震作用比实际计算值提高了0.5个设防烈度(参考本节(4)计算)。图2　隔震结构计算简图2　层间剪力比最大值0.530.350.260.18水平向减震系数0.750.500.380.25减震效果(相当于降)0.5度1.0度1.5度2.0度砌体结构和基本周期与其相当的结构,可按本文5.1节给出的简化方法计算水平向减震系数。(4)上部结构水平地震作用计算　水平地震影响系数最大值可取«规范»5.1.4条规定的水平地震影响系数最大值(非隔震时的值)和水平向减震系数的乘积,且总水平地震作用不得低于非隔震时6度设防的值。对不需要减少地震作用的房屋,水平向减震系数取1.0。隔震后,上部结构在地震时基本处于平动状态。因此,上部结构水平地震作用沿高度可采用矩形分布。各楼层的水平地震剪力尚应符合«规范»5.2.5条最小地震剪力系数的规定。(5)上部结构竖向地震作用计算　考虑到橡胶隔震支座对竖向地震的隔震效果较差,«规范»规定:9度和8度且水平向减震系数为0.25时,上部结构应进行竖向地震作用计算;8度且水平向减震系数不大于0.5时,宜进行竖向地震作用计算。竖向地震作用标准值FEvk,8度和9度时分别不应小于隔震层以上结构总重力荷载代表值的20%和40%。各楼层可视为质点,按«规范»(5.3.1-2)式计算其竖向地震作用标准值沿高度的分布。(6)隔震及构造措施①使隔震层在罕遇地震时发生的大变形不受阻碍,是保证上部结构隔震效果的重要隔震措施。上部结构(包括与其相连的任何构件)与地面(包括地下室和与其相连的构件)之间,应设置明确的水平隔离缝;当局部区段设置水平隔离缝确有困难时,应设置可靠的水平滑移垫层;上部结构周边和从隔震层以下伸起的土体或构筑物间、隔震支座或隔震层顶部梁体与四周墙体间应设置竖向防震缝,不同标高的水平隔离缝应设置竖向防震缝贯通,穿过隔震层的设备配管、配线宜采用柔性连接,且刚性段不宜伸入隔震支座范围和竖向隔震缝内,采用钢筋或刚架接地的避雷设备,宜设置跨越隔震层的柔性接地配线。竖向防震缝宽度、柔性连接和配线的可伸距离不宜小于各隔震支座在罕遇地震下的最大水平位移值的1.2倍;在走廊、楼梯、电梯等部位,应无任何障碍物。②上部结构抗震措施原则:水平向减震系数大于0.50时,不应降低非隔震时的要求;不大于0.50时,可适当降低«规范»中有关章节对非隔震建筑的要求,但与抵抗竖向地震作用有关的抗震构造措施不应降低。操作:对砌体结构,可按«规范»附录L采取抗震构造措施。对钢筋混凝土结构,柱和墙肢的轴压比控制仍应按非隔震的有关规定采用。其它计算和构造措施要求,可按表3划分抗震等级,再按«规范»第6章的有关规定实施。3　结构类型7度8度9度框架高度(m)一般框架20四20三20三20二15二15一抗震墙高度(m)一般抗震墙25四25三25三25二20二20一对不需要减少地震作用的房屋,可不降低非隔震时的要求。3.3　(1)隔震层布置　隔震层设计应根据预期的水平向减震系数和位移控制要求,选择适当的隔震支座、阻尼器以及为抵抗地基微震动与风荷载提供初刚度的部件组成。隔震支座的作用是支承建筑物重量、调频滤波,阻尼器的作用是消耗地震能量、控制隔震层变形。隔震支座类型很多,目前,比较成熟的是橡胶隔震支座。因此,«规范»第12.1.1条注1表明:«规范»所指隔震支座系橡胶隔震支座。在隔震设计中采用其它类型隔震支座时,应作专门研究。隔震层内支座的平面布置应力求具有对称性,以使计算模型与实际接近。在立面,隔震层宜设置在第一层以下部位。当位于第一层顶及以上时,结构体系的特点与普通隔震结构可有较大差异,隔震层以下的结构设计计算也更复杂,需作专门研究。(2)