隔震結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)要點(diǎn)論文
【擒�！课恼陆榻B了隔震結(jié)構(gòu)的概念和基本原理，并對(duì)隔震層分析，上、下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和地基處理等主要步驟及要點(diǎn)進(jìn)行了說(shuō)明。主要結(jié)合隔震分析的現(xiàn)狀，說(shuō)明膈震層布置的原則，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guó)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(jí)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(zāi)害的手段，隔震技術(shù)正在逐漸進(jìn)入我國(guó)建筑領(lǐng)域，并隨著2014年住建部頒發(fā)((住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于房屋建筑工程推廣應(yīng)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(yīng)用。
表1近期地震匯總
123
1、隔震結(jié)構(gòu)概念，原理
與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相比，隔震結(jié)構(gòu)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，隔震層以上稱(chēng)為上部結(jié)構(gòu)，隔震層以下稱(chēng)為下部結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)上(2)震動(dòng)能量引起構(gòu)件破壞。因此，減輕地震災(zāi)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(gòu)件，減少常規(guī)構(gòu)件消耗的地震能量。隔震結(jié)構(gòu)主要是從第一個(gè)方面著手來(lái)減輕地震災(zāi)害的。設(shè)想一個(gè)懸浮在空中的建筑‘”，地面震動(dòng)肯定無(wú)法對(duì)其進(jìn)行破壞。假設(shè)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(duì)于常規(guī)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)”。
2.分析設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及建模
若進(jìn)行細(xì)分，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作可以分為兩個(gè)層次：1)結(jié)構(gòu)分析。目的是得到結(jié)構(gòu)位移、構(gòu)件內(nèi)力、剪重比，位移比等基本數(shù)據(jù)，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)選型、構(gòu)件布置是否合理，2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整和荷載組合，完成構(gòu)件設(shè)計(jì)和施工圖繪制。與此類(lèi)似，結(jié)構(gòu)軟件也大致分為兩類(lèi)：1)以結(jié)構(gòu)分析為主，如ETABS. MIDAS等* 2)以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)常規(guī)構(gòu)件的分析與設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用分部設(shè)計(jì)法：1)通過(guò)第一類(lèi)軟件(如ETABS. MIDAS等)建立整體模型，使各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，2)在第二類(lèi)軟件中(如PKPM. YJK.廣廈等)完成構(gòu)件設(shè)計(jì)和施工圖繪制，即基于上一步得到的內(nèi)力、減震系數(shù)等參數(shù)，分別對(duì)上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和設(shè)計(jì)。
3，隔震層分析
與抗震結(jié)構(gòu)相比，隔震結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行隔震層的布置，并對(duì)隔震層參數(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的抗扭能力。隔震層布置需要滿足下列要求：疊層橡膠支座在重力荷載代表值作用下豎向壓應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)的規(guī)定
橡膠隔震支座壓應(yīng)力限值0.025<屈重比<0.035。屈重比為隔震支座的屈服荷載設(shè)計(jì)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(shù)量。另?yè)?jù)文獻(xiàn)2規(guī)定，還需要驗(yàn)算：1)隔震層的屈服荷載設(shè)計(jì)值不小于風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值，2)隔震層在水平應(yīng)變?yōu)?00%時(shí)的水平恢復(fù)力不小于隔震支座屈服荷載設(shè)計(jì)值。但這兩個(gè)條件比較容易滿足，一般不起控制作用。
3.2各項(xiàng)參數(shù)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(yīng)力、壓應(yīng)力。
1)罕遇地震下，支座位移Lli<[Ui]
公式左側(cè)為罕遇地震下各隔震支座的水平位移;右側(cè)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(yīng)力不應(yīng)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(yīng)力不應(yīng)大于支座的屈曲應(yīng)力(需考慮有效受壓面積)。當(dāng)s.≥15，s：≥5且橡膠硬度不l、于40時(shí)，丙類(lèi)建筑的壓應(yīng)力限值為15 MPa。
3.3hk平向減震系數(shù)和支座處的內(nèi)力
上一節(jié)為隔震分析的所有內(nèi)容，本節(jié)的任務(wù)是根據(jù)分析結(jié)果整理數(shù)據(jù)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。主要工作為：1)計(jì)算水平向減震系數(shù)(為上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備)，2)提取隔震支座處的內(nèi)力和位移(為下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備)。
提取支座結(jié)果時(shí)要注意，隔震層位移較大，結(jié)構(gòu)的P-A效應(yīng)十分顯著，支座位移對(duì)構(gòu)件內(nèi)力的影響不可忽略。
4.上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最主要的變化是要根據(jù)水平向減震系數(shù)調(diào)整水平地震影響系數(shù)最大值，公式如下：o【m。xl=p o【m。x/qu除對(duì)地震影響系數(shù)最大值進(jìn)行調(diào)整外，還有以下幾點(diǎn)需要注意：上部結(jié)構(gòu)模型應(yīng)包含隔震支座以上的所有構(gòu)件，包括隔震層的上支墩以及梁板系統(tǒng)。
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(duì)支墩底的轉(zhuǎn)動(dòng)沒(méi)有約束能力。
對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的抗震措施進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)水平向減震系數(shù)不大于0.4時(shí)(設(shè)置阻尼器時(shí)為0.38)，可適當(dāng)降低構(gòu)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(gòu)造措施不應(yīng)降低。
目前的隔震器只能隔離水平向地震，對(duì)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(shè)計(jì)的控制因素。9度和8度且水平向減震系數(shù)小于0.3時(shí)應(yīng)考慮豎向地震作用，并規(guī)定了豎向地震作用的最小值。
5.下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
下部結(jié)構(gòu)要滿足嵌固剛度比、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(nèi)力是隔震結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，而不是非隔震結(jié)構(gòu)。對(duì)于最常見(jiàn)的單獨(dú)設(shè)置隔震層和僅有一層地下室的情況，下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可退化為一個(gè)個(gè)單獨(dú)的懸臂柱的設(shè)計(jì)。
6，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和地基處理
隔震結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和地基處理的要求同非隔震結(jié)構(gòu)相同。甲、乙類(lèi)建筑的抗液化措施應(yīng)提高一個(gè)液化等級(jí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，其應(yīng)用前景不可限量。但就目前的實(shí)施情況來(lái)看，作者認(rèn)為，還可從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步改善：隔震結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施還比較粗糙，僅處于能滿足結(jié)構(gòu)功能的初級(jí)階段。對(duì)隔震墊的防火、建筑的防火分區(qū)、地下室的密閉性等要求還很難滿足，有待進(jìn)一步的研究和深化。普遍來(lái)講，廣大結(jié)構(gòu)工程師對(duì)減隔震設(shè)計(jì)還比較陌生。目前普遍的操作方式為：減隔震廠家負(fù)責(zé)減隔震的分析工作，設(shè)計(jì)院完成設(shè)計(jì)工作。由于雙方的利益并不一致，這種合作很可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不安全或不經(jīng)濟(jì)。
一種建議是，設(shè)計(jì)院對(duì)結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)分工。一部分人專(zhuān)門(mén)鉆研結(jié)構(gòu)分析，而另一部分專(zhuān)門(mén)從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)。
參考文獻(xiàn)
[1]黨育，杜永峰，李慧.基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工指南[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.
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