某工程隔震設(shè)計(jì)方法淺談

章淳娟（廣東省機(jī)電建筑設(shè)計(jì)研究院）

某工程隔震設(shè)計(jì)方法淺談

章淳娟
（廣東省機(jī)電建筑設(shè)計(jì)研究院）

我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于隔震這個(gè)模塊大多數(shù)都是指導(dǎo)性的，相關(guān)理論通常比較簡(jiǎn)單，而實(shí)際應(yīng)用中會(huì)存在很多問(wèn)題。在性能化設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何實(shí)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)與下部的基礎(chǔ)相匹配的性能標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不至于保守，僅僅采用計(jì)算分析是不夠的。在國(guó)內(nèi)隔震和減震設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍不是太廣。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)，結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)和減震設(shè)計(jì)將是必然趨勢(shì)，下面就某工程對(duì)隔震設(shè)計(jì)方法及隔震設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行探討。

橡膠支座；減震系數(shù)；等效側(cè)力計(jì)算；罕遇地震位移

在2008年的汶川地震后國(guó)內(nèi)對(duì)于抗震設(shè)計(jì)提出更高的要求，《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》2011版增加了抗震和消能減震設(shè)計(jì)及抗震性能化設(shè)計(jì)等篇章。然而，規(guī)范中對(duì)于結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)只是指導(dǎo)性、原則性的，實(shí)際應(yīng)用時(shí)由于設(shè)計(jì)人員對(duì)規(guī)范理解認(rèn)識(shí)的偏差，采用錯(cuò)誤的或單一的計(jì)算模型，使設(shè)計(jì)偏于保守，沒(méi)能真正發(fā)揮隔震設(shè)計(jì)作用，或使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于不安全。下面通過(guò)對(duì)一個(gè)工程隔震設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行探討。

1 某工程隔震層布置概述

隔震層一般由隔震支座和消能器組成。隔震支座一方面要承受建筑物的豎向重量，另外一方面在水平方向提供一個(gè)較小的水平剛度，并且具有一個(gè)自復(fù)位的功能。隔震層在罕遇地震下應(yīng)保持穩(wěn)定，不宜出現(xiàn)不可恢復(fù)的變形。目前常用的隔震支座主要有疊層橡膠支座和滑板隔震支座。圖1就是某工程隔震層支座布置圖，它是五層框架結(jié)構(gòu)，兩層地下室，抗震烈度為7度（0.10g），甲類抗震建筑，提高一度即為8度抗震設(shè)防。其隔震層設(shè)置在一層底部（地下室頂部），層高1.8m，本工程全部采用橡膠隔震支座組成的隔震層，本層共布置了91個(gè)橡膠支座。

圖1 質(zhì)心剛心坐標(biāo)平面圖

橡膠層支座的形狀系數(shù)確定：

控制每層橡膠厚度形狀系數(shù)稱為第一形狀系數(shù)，規(guī)范規(guī)定：為了保證橡膠隔震在豎向荷載作用下的承載力要求第一形狀系數(shù)S1＞15。地震作用下，橡膠支座會(huì)發(fā)生較大的水平變形，這就要求處于大變形的橡膠支座在高壓應(yīng)力下不至于失去自身的穩(wěn)定性，為了控制橡膠支座的穩(wěn)定性，規(guī)范規(guī)定要求第2形狀系數(shù)S2＞5。如果第2形狀系數(shù)不能滿足規(guī)范要求，要求壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值適當(dāng)降低，當(dāng)5＞S2＞4時(shí)，降低20%;當(dāng)4＞S2＞3時(shí)，降低40%。根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)各支座設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)果如表1。

2 豎向性能的設(shè)計(jì)

2.1豎向剛度設(shè)計(jì)

Kv=(P1-P2)/(δ1-δ2)

圖2

表1

表2

橡膠隔震支座的水平變形是指支座上下連接板間的相對(duì)位移，通常就是隔震層的變形。規(guī)范規(guī)定在豎向平均壓應(yīng)力下設(shè)計(jì)限值下的極限水平變位，應(yīng)大于其有效直徑的0.55倍和橡膠層總厚度3倍的兩者的較大值。

2.2豎向極限壓應(yīng)力及屈服后的剛度

豎向極限壓應(yīng)力是指橡膠支座在無(wú)任何水平變形的情況下可承受的最大壓應(yīng)力，規(guī)范規(guī)定甲類建筑不超過(guò)10MPa，本工程豎向性能設(shè)計(jì)如表2。

3 隔震結(jié)構(gòu)地震作用要求和地震作用的計(jì)算

一般說(shuō)來(lái)橡膠隔震支座效果最好的是水平地震作用，而豎向地震隔震效果則不那么明顯，水平地震隔震從下面幾點(diǎn)考慮：

3.1水平減震向系數(shù)

在小震下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用分部設(shè)計(jì)方法，分部設(shè)計(jì)方法指的是整個(gè)結(jié)構(gòu)體系分為上部結(jié)構(gòu)（隔震層以上結(jié)構(gòu)）、隔震層、隔震層以下結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)四部分，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。水平減震系數(shù)是指在多遇地震下，結(jié)構(gòu)隔震與非隔震相比樓層剪力的比值，其目的是將非隔震設(shè)計(jì)方法用于結(jié)構(gòu)的上部設(shè)計(jì)。有兩種方法分別用于下面情況：第一，對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)及與砌體結(jié)構(gòu)周期相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)的隔震房屋，水平地震作用和地震反應(yīng)可采用等效側(cè)法計(jì)算；第二，其他結(jié)構(gòu)，除可采用等效側(cè)力法計(jì)算外，尚采用時(shí)程分析法計(jì)算。水平減震系數(shù)φ是根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)地震作用的折減系數(shù)得到，即為各層層間剪力比的最大值φmax。

3.2水平地震作用下的等效側(cè)力計(jì)算法

上述提到的等效側(cè)力法有三方面：第一，隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算的等效側(cè)力法適用于一般層數(shù)較低、以剪切變形為主的結(jié)構(gòu)。第二，地震作用的計(jì)算方法與規(guī)范中的底部剪力法和振型反應(yīng)譜法相同。計(jì)算時(shí)，取非隔震結(jié)構(gòu)的基本周期，按規(guī)范方法計(jì)算隔震結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)，地震作用沿高度的分布計(jì)算也相同。第三，規(guī)范給出的水平地震影響系數(shù)的最大值與水平向減震系數(shù)的相乘，得到隔震結(jié)構(gòu)的水平地震影響系數(shù)的最大值。本工程在中震下計(jì)算的層間剪力如表3，按規(guī)范要求選取了7條地震波。

表3 中震X向地震傾覆力矩對(duì)比分析

表4

3.3水平地震作用要求

根據(jù)上述計(jì)算得到的水平地震作用還應(yīng)滿足下列條件：

⑴水平向減震系數(shù)不宜低于0.25,且隔震后結(jié)構(gòu)的總水平地震作用不得低于非隔震結(jié)構(gòu)在6度設(shè)防時(shí)總水平地震作用。

⑵各樓層的水平地震力尚應(yīng)符合規(guī)范最小地震剪力的系數(shù)規(guī)定。

4 隔震層在罕遇地震作用下位移計(jì)算

⑴罕遇地震作用下隔震層剪力直接按規(guī)范反應(yīng)譜計(jì)算得到：Vc=λsαeqG。

⑵隔震層質(zhì)心在罕遇地震下的水平位移按下式計(jì)算：μe=Vc/K。

⑶隔震層中各隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移應(yīng)滿足下列要求：（取大值）

μmax≤0.55D；μmax≤3Tt

本工程的隔震層在罕遇地震下位移設(shè)計(jì)如表4。

5 結(jié)論

由以上分析可知：

⑴設(shè)防烈度地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)層剪力比最大值和傾覆力矩之比最大值為0.366，小于0.4，上部結(jié)構(gòu)水平地震作用可以降低1度進(jìn)行計(jì)算。

⑵8度罕遇地震作用下，上部結(jié)構(gòu)層間位移角最大值分別為1/283，上部結(jié)構(gòu)在8度罕遇地震作用下層間位移角滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于框架結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角限值的要求。

⑶8度罕遇地震作用下，隔震層最大位移滿足支座最大容許位移的要求。

6 總結(jié)

通過(guò)具體的工程隔震設(shè)計(jì)防范探討，有效的分析運(yùn)用了我國(guó)當(dāng)代的隔震設(shè)計(jì)規(guī)范，希望能夠?qū)髞?lái)工程做好對(duì)應(yīng)的隔震設(shè)計(jì)有所幫助。

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