某工程隔震設計方法淺談

章淳娟（廣東省機電建筑設計研究院）

某工程隔震設計方法淺談

章淳娟
（廣東省機電建筑設計研究院）

我國的抗震設計規范對于隔震這個模塊大多數都是指導性的，相關理論通常比較簡單，而實際應用中會存在很多問題。在性能化設計過程中，如何實現上部結構與下部的基礎相匹配的性能標準，同時使結構設計不至于保守，僅僅采用計算分析是不夠的。在國內隔震和減震設計應用范圍不是太廣。隨著國內經濟突飛猛進，結構隔震設計和減震設計將是必然趨勢，下面就某工程對隔震設計方法及隔震設計的實現進行探討。

橡膠支座；減震系數；等效側力計算；罕遇地震位移

在2008年的汶川地震后國內對于抗震設計提出更高的要求，《抗震設計規范》2011版增加了抗震和消能減震設計及抗震性能化設計等篇章。然而，規范中對于結構隔震設計只是指導性、原則性的，實際應用時由于設計人員對規范理解認識的偏差，采用錯誤的或單一的計算模型，使設計偏于保守，沒能真正發揮隔震設計作用，或使結構設計偏于不安全。下面通過對一個工程隔震設計實例進行探討。

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較小的水平剛度，并且具有一個自復位的功能。隔震層在罕遇地震下應保持穩定，不宜出現不可恢復的變形。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，它是五層框架結構，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度抗震設防。其隔震層設置在一層底部（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個橡膠支座。

圖1 質心剛心坐標平面圖

橡膠層支座的形狀系數確定：

控制每層橡膠厚度形狀系數稱為第一形狀系數，規范規定：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S1＞15。地震作用下，橡膠支座會發生較大的水平變形，這就要求處于大變形的橡膠支座在高壓應力下不至于失去自身的穩定性，為了控制橡膠支座的穩定性，規范規定要求第2形狀系數S2＞5。如果第2形狀系數不能滿足規范要求，要求壓應力設計值適當降低，當5＞S2＞4時，降低20%;當4＞S2＞3時，降低40%。根據上述要求設計各支座設計參數及結果如表1。

2 豎向性能的設計

2.1豎向剛度設計

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位移，通常就是隔震層的變形。規范規定在豎向平均壓應力下設計限值下的極限水平變位，應大于其有效直徑的0.55倍和橡膠層總厚度3倍的兩者的較大值。

2.2豎向極限壓應力及屈服后的剛度

豎向極限壓應力是指橡膠支座在無任何水平變形的情況下可承受的最大壓應力，規范規定甲類建筑不超過10MPa，本工程豎向性能設計如表2。

3 隔震結構地震作用要求和地震作用的計算

一般說來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考慮：

3.1水平減震向系數

在小震下的結構設計中采用分部設計方法，分部設計方法指的是整個結構體系分為上部結構（隔震層以上結構）、隔震層、隔震層以下結構及基礎四部分，分別進行設計。水平減震系數是指在多遇地震下，結構隔震與非隔震相比樓層剪力的比值，其目的是將非隔震設計方法用于結構的上部設計。有兩種方法分別用于下面情況：第一，對于砌體結構及與砌體結構周期相當的結構的隔震房屋，水平地震作用和地震反應可采用等效側法計算；第二，其他結構，除可采用等效側力法計算外，尚采用時程分析法計算。水平減震系數φ是根據結構設計地震作用的折減系數得到，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力計算法

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

表3 中震X向地震傾覆力矩對比分析

表4

3.3水平地震作用要求

根據上述計算得到的水平地震作用還應滿足下列條件：

⑴水平向減震系數不宜低于0.25,且隔震后結構的總水平地震作用不得低于非隔震結構在6度設防時總水平地震作用。

⑵各樓層的水平地震力尚應符合規范最小地震剪力的系數規定。

4 隔震層在罕遇地震作用下位移計算

⑴罕遇地震作用下隔震層剪力直接按規范反應譜計算得到：Vc=λsαeqG。

⑵隔震層質心在罕遇地震下的水平位移按下式計算：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計如表4。

5 結論

由以上分析可知：

⑴設防烈度地震作用下，隔震結構與非隔震結構層剪力比最大值和傾覆力矩之比最大值為0.366，小于0.4，上部結構水平地震作用可以降低1度進行計算。

⑵8度罕遇地震作用下，上部結構層間位移角最大值分別為1/283，上部結構在8度罕遇地震作用下層間位移角滿足《建筑抗震設計規范》關于框架結構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

通過具體的工程隔震設計防范探討，有效的分析運用了我國當代的隔震設計規范，希望能夠對后來工程做好對應的隔震設計有所幫助。

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