浅谈建筑隔震设计

浅谈建筑隔震设计陈少静摘要：建筑隔震设计与传统建筑抗震设计的不同包括上部结构设计，以及隔震层设计两部分。本文系统介绍建筑减隔震设计方法，建筑隔震层，隔震层支座设计方法。关键词：建筑隔震设计隔震层橡胶支座前言：地震是人类社会面临的最严重的自然灾害之一，地震使大量的建筑倒塌，使人民生命财产面临巨大威胁，因此发展建筑隔震成为人们关注的焦点之一。1建筑隔震原理建筑隔震是20世纪60年代发展起来，为在建筑物的基础结构和上部结构之间设置隔震层——橡胶隔震支座、阻尼器等隔震装置，阻隔地震能量向上部结构传递使房屋倒塌的地震动作用，而建筑物及其内部设施在地震中安然无恙[1-3]。其隔震原理如下：通过在建筑物基础或是上部结构相应部位设置隔震支座或者阻尼器等部件形成建筑隔震层，隔震层延长结构自振周期，使建筑物的固有周期避开地震最高能量的短周期，从而大幅度减少建筑物的地震响应，避免结构损坏，地震冲击波过后建筑物能迅速复位，确保建筑物震后正常使用。2建筑隔震技术的适用范围隔震技术并不是对所有建筑都适用，其具有一定的局限性。首先，当建筑的结构周期大于1.5s时隔震效果很差；其次，隔震技术对硬土场地比较适合，因为软土场地滤掉了地震波的中高频分量，延长了结构周期，使地震反应增大；此外，隔震橡胶支座只具有隔离水平地震的功能，对纵向地震没有隔离效果；最后，没有空间安装隔震橡胶并提供足够宽的隔震沟时难以采用隔震技术。3建筑隔震设计方法在进行建筑隔震设计之前，首先要详细掌握建筑物所在区的抗震参数以及要达到减震目标，主要包括以下指标：设防烈度即该建筑场地的抗震烈度，场地类型及地震分组，地震波加速度峰值包括多遇地震时加速度峰值以及罕遇地震时加速度峰值。减震目标包括使上部结构的地震响应降低的度数以及同时保证在风荷载和微小地震下上部建筑不产生微小振动等。我国各地区抗震参数详见《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[5]附录A。确定建筑隔震的重要参数后进一步进行隔震体系设计。建筑隔震体系设计流程见图1图1建筑隔震设计流程在隔震结构体系的设计中,一般都将隔震结构分成3~4部分设计，即上部结构、隔震层、基础有时候可能还有隔震层以下结构。设防目标的实现采用了二阶段设计的方法——强度验算(多遇地震时)和变形验算(罕遇地震时)。上部结构设计需要用到水平向减震系数(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,按规范中的规定确定)。隔震层设计包括隔震层布置以及橡胶隔震支座关键技术参数的设计以及验算。下部结构设计和基础设计仍按传统抗震设计方法分析计算。4建筑隔震层设计4.1隔震层及隔震支座布置隔震层位于结构第一层以下的部位。橡胶隔震支座的规格、数量和分布应根据竖向承载力、侧向刚度和阻尼的要求通过计算确定。首先要计算结构在非隔震正常烈度下每道剪力墙所承受隔震层以上的竖向荷载，此竖向承载力满足《建筑抗震设计规范》(2010)表12．2．3的规定。其次依据隔震层刚度中心宜与上部结构的质量中心重合的原则，减小结构整体的扭转效应，调整隔震支座的平面布方案选定方案选定动力分析计算上部结构设计隔震层设计下部结构设计基础及地基从建筑功能、场地条件等方面进行隔震方案可行性研究，并初步确定隔震结构的方案。设定上部结构和隔震层参数，取计算模型，进行动力分析，验证以上方案是否满足预期的设计要求，若不满足，则调整上部结构或隔震层参数直至满足设计要求。按传统抗震的设计方法分析计算上部结构，但水平地震作用取隔震后的数值，且部分抗震构造也相应变化。隔震层力学性能，隔震支座在罕遇地震下水平位移验算，水平剪力计算，隔震层连接设计等。按传统抗震的设计方法分析计算下部结构。按传统抗震的设计方法分析计算基础及地基。置。最后经计算机模拟确定在主隔震支座型号、数量和性能。4.2隔震层橡胶支座参数确定隔震层橡胶支座参数主要包括橡胶支座的竖向性能（竖向刚度，竖向极限压应力，竖向变形，水平位移为支座有效直径0.55倍的极限压应力）；水平性能（水平刚度，水平极限变形，屈服后刚度，等效粘滞阻尼比）；耐久性（老化，徐变，疲劳）以及各种相关性能。通过合适的数学模型模拟建筑物的地震响应取得合理的橡胶支座设计参数，然后通过试验确定支座各项参数。4.2.1数学模型确定隔震层橡胶支座设计参数采用数学模型确定隔震层橡胶支座设计参数时，模型的选择是至关重要的。我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中隔震结构体系的计算模型是假定上部结构发生弹性变形,隔震层发生弹塑性变形。一般建筑可采用层间剪切型模型,考虑隔震层的有效刚度和有效阻尼比,当上部结构体型复杂时,应记入扭转变形的影响。一般采用修正的双线性模型作为隔震支座的恢复力模型进行简化计算。此外还有其他的一些计算模型[4]，如美国《建筑统一设计规范》提出了4种模型,初步设计时一般采用单质点模型,对于一般的隔震结构最终设计时采用较多的是三维等效非线性模型；当隔震器的上部构件和下部构件均发生屈服时,采用三维模型—弹性的上部结构,屈服的隔震器，而完全非线性三维模型在设计中更接近实际，但是计算较为复杂。日本《建筑隔震设计指南》提出的隔震结构分析模型也是4种即单质点模型,是一种将上部结构看作是刚体的简单模型,可用于计算隔震层在单向水平地震作用下的反应;多质点模型,是取隔震层作为一个质点弹簧层,上部结构的各层也分为若干质点的模型,它可用于计算隔震层以及上部结构各部分的反应;扭转振动模型,是假定楼板在平面内刚性无限大,各层楼板的变形包括两个水平和一个转动分量,在扭转和双向水平输入下计算地震反应;空间振动模型,是将整体结构看作是空间结构,它可以计算包括抗震墙底部的转动，隔震垫部分的向上提离等现象在内的结构地震反应。对模型进行动力分析计算时输入的地震波有如下要求，结构进行多遇和罕遇地震作用下的分析时，地震波的幅值按抗震设防烈度调整到相应的多遇地震和罕遇地震水平。计算结果的验算应满足《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中的相关条款。隔震层设计流程见图二。图二：隔震层设计图隔震设计软件分为两类：一类是隔震支座与上部结构同时分析计算，不需要考虑“水平向减震系数”，如MIDASMIDAS；另一类是上部结构和隔震层分开设计，先按隔震结构进行动力分析，得到“水平向减震系数”，再用常用结构分析软件进行设计。如ISDN,sap2000等。我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中提出分部设计法和水平向减震系数进行整体设计。4.2.2实验方法确定隔震层橡胶支座设计参数橡胶支座竖向载荷保持在《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）设计的压应力限值内，对水平向减震系数计算，采取剪切变形100%的等效刚度和等效黏滞阻尼比，对罕遇地震验算，采用剪切变形250%时的等效刚度和等效黏滞阻尼比。1：根据预期的竖向承载力，水平向减震系数，位移控制要求布置上部结构及构件隔震层布置（选取支座数量，合适支座的支座设计参数）输入地震波求多遇地震下1和2结构各层层间剪力2：用1的上部结构平面及构件作为非隔震结构情况2：用情况1的上部结构平面及构件作为非隔震结构情况2：用情况1的上部结构平面及构件作为非隔震结构情况2：用情况1的上部结构平面及构件作为非隔震结构隔震层连接件设计多遇地震和罕遇地震下结构的验算求解水平向减震系数不满足大于假设值远小于假设值满足与预期值近似结束5结语建筑减隔震的设计需要根据建筑物场地条件，所在地抗震参数，建筑物外型等进行“量身裁体”的合理设计。包括建筑物上部结构设计，隔震层设计，下部结构设计及地基基础四大部分。其中上部结构设计和隔震层设计与传统的抗震设计不同。上部结构设计需用“水平向减震系数”确定；隔震层设计需要验算竖向承载力，隔震层力学性能，罕遇地震条件下隔震支座水平位移，隔震支座水平剪力等，需要建立合理的数学模型，从而确保隔震效果。参考文献：[1]周福霖．工程结构减震控制[M]。北京：地震出版社，1997。[2]日本隔震构造协会．隔震构造入门[M]。OHM出版社，1995。[3]张荫，姚谦峰．自阻尼叠层橡胶隔震支座阻尼特性及恢复力模型[J]。西安建筑科技大学学报：自然科学版，2003，35(2)：120-126。[4]赵亚敏，苏经宇，张玉敏。国内外建筑隔震设计标准比较分析[J]。地震研究：2006，29(4)：396-400。[5]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S]。