隔震結構分析設計要點(diǎn)論文
【擒!课恼陆榻B了隔震結構的概念和基本原理,并對隔震層分析,上、下部結構設計、基礎設計和地基處理等主要步驟及要點(diǎn)進(jìn)行了說(shuō)明。主要結合隔震分析的現狀,說(shuō)明膈震層布置的原則,上部結構設計要點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】隔震分析;膈震建模;隔震層布置
引言
2008年以來(lái),我國接連發(fā)生汶川、玉樹(shù)、蘆山等多次大地震;2011年以來(lái),智力、日本、尼泊爾等地發(fā)生了8級以上的特大地震;近期以來(lái)更是地震不斷(見(jiàn)表1)。。。。這些事例無(wú)一不在告訴我們,地球已經(jīng)進(jìn)入又一個(gè)地震活躍期。
作為已被證實(shí)的可有效減輕地震災害的手段,隔震技術(shù)正在逐漸進(jìn)入我國建筑領(lǐng)域,并隨著(zhù)2014年住建部頒發(fā)((住房城鄉建設部關(guān)于房屋建筑工程推廣應用減隔震技術(shù)的若干意見(jiàn)(暫行)》而得到越來(lái)越廣泛的應用。
表1近期地震匯總
123
1、隔震結構概念,原理
與傳統抗震結構相比,隔震結構多了一個(gè)隔震層。隔震層由隔震器、阻尼器、抗風(fēng)裝置、限位裝置等部分組成,以隔震層為分界線(xiàn),隔震層以上稱(chēng)為上部結構,隔震層以下稱(chēng)為下部結構。地震之所以能引起房屋破壞,主要有兩個(gè)原因:1)地面震動(dòng)大量傳遞到建筑結構上(2)震動(dòng)能量引起構件破壞。因此,減輕地震災害也可以從兩方面人手:1)削弱建筑與地面的連接,減少能量傳i,2)增加耗能構件,減少常規構件消耗的地震能量。隔震結構主要是從第一個(gè)方面著(zhù)手來(lái)減輕地震災害的。設想一個(gè)懸浮在空中的建筑‘”,地面震動(dòng)肯定無(wú)法對其進(jìn)行破壞。假設該建筑與地面是通過(guò)彈簧連接的,此時(shí)彈簧剛度為零,完全隔絕了地震能量向建筑的傳遞,對于常規結構,建筑與地面接近剛性連接,地震能量可向建筑大量傳遞。
隔震結構正好處在兩者之間,通過(guò)隔震墊(這個(gè)非常柔軟的彈簧)來(lái)連接地面與結構,從而極大的.減少地震能量的傳遞,使其性能無(wú)限接近于“懸浮的結構”。
2.分析設計現狀及建模
若進(jìn)行細分,結構設計工作可以分為兩個(gè)層次:1)結構分析。目的是得到結構位移、構件內力、剪重比,位移比等基本數據,進(jìn)而判斷結構選型、構件布置是否合理,2)結構設計。根據規范要求進(jìn)行內力調整和荷載組合,完成構件設計和施工圖繪制。與此類(lèi)似,結構軟件也大致分為兩類(lèi):1)以結構分析為主,如ETABS. MIDAS等* 2)以結構設計為主,如PKPM、YJK,廣廈等。
廣大工程師熟練掌握的是第二類(lèi)軟件,此類(lèi)軟件具有對常規構件的分析與設計功能,但無(wú)法精確模擬隔震器、阻尼器力學(xué)性能。
因此,隔震結構設計通常采用分部設計法:1)通過(guò)第一類(lèi)軟件(如ETABS. MIDAS等)建立整體模型,使各項指標滿(mǎn)足設計要求,2)在第二類(lèi)軟件中(如PKPM. YJK.廣廈等)完成構件設計和施工圖繪制,即基于上一步得到的內力、減震系數等參數,分別對上部結構、下部結構進(jìn)行建模和設計。
3,隔震層分析
與抗震結構相比,隔震結構需要進(jìn)行隔震層的布置,并對隔震層參數進(jìn)行校核。
3.1隔震層的基本布置
隔震層布置原則:1)隔震層的剛度中心盡量與上部結構質(zhì)心重合,減少偏心影響,2)鉛芯支座盡量布置在外圍,盡量提高結構的抗扭能力。隔震層布置需要滿(mǎn)足下列要求:疊層橡膠支座在重力荷載代表值作用下豎向壓應力不應超過(guò)的規定
橡膠隔震支座壓應力限值0.025<屈重比<0.035。屈重比為隔震支座的屈服荷載設計值與重力tf載代表值的比值。此限值使隔震層的屈服荷載略小于剪重比要求,保證隔震層在小震下就進(jìn)入屈服,起到減輕地震作用的效果。
一般情況下,條件1決定了隔震支座的最小直徑,條件2決定了鉛芯支座的最小數量。另?yè)墨I2規定,還需要驗算:1)隔震層的屈服荷載設計值不小于風(fēng)荷載設計值,2)隔震層在水平應變?yōu)?00%時(shí)的水平恢復力不小于隔震支座屈服荷載設計值。但這兩個(gè)條件比較容易滿(mǎn)足,一般不起控制作用。
3.2各項參數校核
隔震層布置完成后,需要校核隔震支座在罕遇地震下的最大位移、拉應力、壓應力。
1)罕遇地震下,支座位移Lli<[Ui]
公式左側為罕遇地震下各隔震支座的水平位移;右側為隔震支座的水平位移限值,取0.55倍有效直徑和3倍橡膠層厚度的較小值。
2)在罕遇的水平地震和豎向地震共同作用下,支座拉應力不應大于1MP。。
3)在罕遇的水平地震和豎向地震共同作用下,支座壓應力不應大于支座的屈曲應力(需考慮有效受壓面積)。當s.≥15,s:≥5且橡膠硬度不l、于40時(shí),丙類(lèi)建筑的壓應力限值為15 MPa。
3.3hk平向減震系數和支座處的內力
上一節為隔震分析的所有內容,本節的任務(wù)是根據分析結果整理數據,為結構設計做準備。主要工作為:1)計算水平向減震系數(為上部結構設計做準備),2)提取隔震支座處的內力和位移(為下部結構設計做準備)。
提取支座結果時(shí)要注意,隔震層位移較大,結構的P-A效應十分顯著(zhù),支座位移對構件內力的影響不可忽略。
4.上部結構設計要點(diǎn)
上部結構設計最主要的變化是要根據水平向減震系數調整水平地震影響系數最大值,公式如下:o【m。xl=p o【m。x/qu除對地震影響系數最大值進(jìn)行調整外,還有以下幾點(diǎn)需要注意:上部結構模型應包含隔震支座以上的所有構件,包括隔震層的上支墩以及梁板系統。
模型下部的約束宜修改為鉸接,即上支墩下端是鉸接。原因是隔震墊對支墩底的轉動(dòng)沒(méi)有約束能力。
對隔震結構的抗震措施進(jìn)行調整。當水平向減震系數不大于0.4時(shí)(設置阻尼器時(shí)為0.38),可適當降低構造要求,烈度降低程度不超過(guò)1度,且與豎向地震作用相關(guān)的抗震構造措施不應降低。
目前的隔震器只能隔離水平向地震,對豎向地震影響沒(méi)有緩解作用,因此豎向地震很可能成為設計的控制因素。9度和8度且水平向減震系數小于0.3時(shí)應考慮豎向地震作用,并規定了豎向地震作用的最小值。
5.下部結構設計
下部結構要滿(mǎn)足嵌固剛度比、中震抗彎及大震抗剪的要求,但需要注意的是:此處的中震與大震內力是隔震結構的內力,而不是非隔震結構。對于最常見(jiàn)的單獨設置隔震層和僅有一層地下室的情況,下部結構的設計可退化為一個(gè)個(gè)單獨的懸臂柱的設計。
6,基礎設計和地基處理
隔震結構的基礎設計和地基處理的要求同非隔震結構相同。甲、乙類(lèi)建筑的抗液化措施應提高一個(gè)液化等級確定,直至全部消除液化沉陷。
7.展望
減隔震技術(shù)作為未來(lái)的結構設計的發(fā)展趨勢,其應用前景不可限量。但就目前的實(shí)施情況來(lái)看,作者認為,還可從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步改善:隔震結構的構造措施還比較粗糙,僅處于能滿(mǎn)足結構功能的初級階段。對隔震墊的防火、建筑的防火分區、地下室的密閉性等要求還很難滿(mǎn)足,有待進(jìn)一步的研究和深化。普遍來(lái)講,廣大結構工程師對減隔震設計還比較陌生。目前普遍的操作方式為:減隔震廠(chǎng)家負責減隔震的分析工作,設計院完成設計工作。由于雙方的利益并不一致,這種合作很可能導致結構設計不安全或不經(jīng)濟。
一種建議是,設計院對結構分析和結構設計進(jìn)行專(zhuān)業(yè)分工。一部分人專(zhuān)門(mén)鉆研結構分析,而另一部分專(zhuān)門(mén)從事結構設計和施工圖設計。
參考文獻
[1]黨育,杜永峰,李慧.基礎隔震結構設計及施工指南[M].北京:中國水利水電出版社,2005.
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