前言:隔震建筑的设防目标一般高于非隔震建筑,可以达到小中震不坏,大震可修,甚至高过此目标,实现基于性能的设计,住建部2014出文件积极推广减隔震设计,对于一般高烈度区重要的建筑应优先采取减隔震设计,有些地方已经变成了强制性条文。
概述:隔震结构分为4个部分:
上部结构设计、隔震层设计、下部结构设计、地基基础设计。
本实际指导项目为8度区的隔震结构,属于乙类建筑,符合隔震设计的条件,具体如下:
一:上部结构的设计
1、据建筑图判断高宽比是否满足规范的要求,一般控制高宽比不大于3,高宽比较大的结构需要进行整体倾覆验算,防止支座压屈或者拉应力超过1Mpa,高宽比超过4的,要进行超限审查。
2、进行结构布置,结构布置原则和普通结构类似。
3、可用PKPM或ETABS进行上部结构的设计,根据经验,该项目初步设计可以先按降低一度进行计算,但竖向地震不应降低。另外做隔震设计时,相应的PKPM模型应进行处理。
1) 结构模型底层柱下端改为铰接。
2) 计算时选择计算水平和竖向地震作用,在SATWE中对地震参数及地震作用分项系数根据规范的要求进行调整,不调整是不对的,和竖向地震有关的都不能降低,甚至比非隔震的要求更高,详见规范条文。
3) 小层剪力应满足抗规5.2.5小地震剪力系数的要求。
4) 对于隔震结构,柱下端弯矩调整应在隔震层上面一层柱,为了保证该层柱配筋计算正确,应将隔震层设置为地下室,层数为1,嵌固层为2,但宜将土层水平抗力系数填为0,表明没有地下室没有土体嵌固作用。
5) 抗震措施按抗规12.2.7附录条文说明处理。
6) 其他的方面和普通结构类似,相应的指标也都需要满足。
二:隔震层设计
1、根据PKPM计算结果进行隔震层的设计,一般采用ETABS,SAP2000,MIDAS进行设计。尽管PKPM和YJK里也有隔震设计的功能,且都自称是国内先进和可靠,但经过我院的分析,其结果还不是很可靠,真正用于实际工程的设计经验也少,所以在当前不建议使用。本项目以ETABS和PKPM结合进行计算分析指导。
2、在ETABS中建立非隔震模型或直接导入PKPM模型(导入的要注意各条件,容易出现问题),和PKPM的结果进行对比和验证,得到隔震设计需要的参数。
1)得出结构在强风荷载下底层的层间剪力值,可以确定出隔震层所要的屈服力大小。对于竖向荷载可按组合S=1.35DL 0.98LL和可变组合S=1.2DL 1.4LL的较大值近似确定,取其作为隔震支座直径的设计轴力,并由此确定支座的面压。
2)模态分析得出非隔震结构的自振周期和振型,判断结构布置是否合理,是否存在上部结构偏心,结构的抗震性能是否良好,并与PKPM模型相互校对和验证。
3、隔震层的布置:
1)位置:本项目没有地下室,需要增加一层作为隔震层,具体规范有规定,一般梁底到地面的净高不应小于600mm,本项目初定这一层层高为800 梁高mm,留有一定富裕,方便以后维护。另外《抗规》12.2.8规定:隔震支座的相关部位应采用现浇混凝土梁板结构,现浇板厚度不应小于160mm;隔震层顶部梁、板的刚度和承载力,宜大于一般楼盖梁板的刚度和承载力。
2)原则:该项目每根框架柱下需要布置,墙则需在两端和交叉的地方布置。考虑到扭转的影响,一般结构周边位移比较大,因此铅芯隔震支座尽可能的布置在周边,天然橡胶支座布置在中间。铅芯隔震支座一般比较贵,混用一部分天然橡胶支座可以提高经济和隔震效益。
铅芯隔震支座的多少决定隔震层的屈服力与阻尼比,对结构强风下的舒适度和大震下的结构位移影响较大。
3)根据初步设计得到的支座轴力,选取隔震支座的直径。
4)根据规范,该项目为乙类建筑,需要满足相应的面压的要求,由此换算出支座所需要的小直径,为了提高隔震效果,应使面压尽可能的利用,但这样会使得支座种类增多,你自己综合考虑下。
5)在初步设计后利用ETABS的自动施加风荷载功能,求出非隔震结构底层大层间剪力Qw,隔震层屈服力可以由所有铅芯隔震支座的屈服力相加而得到Qy, 要是的Qy>Qw.
4、模态分析
1)对上部结构在ETABS中分别定义个链接支座并指定到底层相应的点单元,类型为Rubber Isolator,方向为U1,U2,U3,其中U2,U3勾选非线性,并在各自的属性里修改,填入隔震支座的参数,具体参数根据规范和支座参数确定。
2)利用Ritz向量法分别对隔震结构和非隔震支座进行动力分析,分别求出相应的振型和周期。
5、地震波的选用
按照《抗规》时程分析的要求选择地震波,本项目可选择两条自然波和一条人工波。然后将非隔震结构的底部剪力时程结果和反应谱结果进行对比,要满足抗规时程分析结果处理的要求,详见规范。
另外,时程分析要注意一下两点:
一是统计意义上相符(即多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱所用的地震影响系数曲线相比,在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%,对于人工波易做到,但天然波或多组地震波的平均值一般较难做到)。
二是基底剪力上下限要求(具体参考规范相应条文及后面的条文说明,若结构特征周期对应的波库里无法满足时,可从相邻的特征周期的波库里选,也可以放大地震波峰值加速度,但该方法一般不提倡,因为相当于放大了烈度)。
6、多遇地震下隔震结构的验算
根据选择的地震波,分别对非隔震结构和隔震结构进行时程分析。
对于隔震结构,采用快速非线性分析法。
根据规范要求,要验算在多遇地震下结构各层的层间剪力大值在隔震和非隔震下的比值,据大的层间剪力比确定隔震设计的减震效果,确定方法详规范。
求出其平均值后再求出其比值,根据抗规确定可降低的烈度,但竖向地震不降低,验证初始采用的降低烈度是否正确。把顶层的位移和加速度在隔震和非隔震情况下的时程曲线绘出,就可得出隔震的效果了。
三:下部结构设计
1、《抗规》12.2.9规定,隔震层上下支墩,支柱及相连构件,应采用隔震结构罕遇地震下隔震支座底部的竖向力,水平力和力矩进行承载力验算。
2、罕遇地震下隔震结构的验算:
主要验算支座的短期面压,隔震层水平位移等是否满足性能目标等。
在罕遇地震下,橡胶支座的短期大面压限值为15Mpa, 小面压为1Mpa,相应的拉伸应变在5%以下。在定隔震层极限水平位移时,按小直径支座为参考标准,根据CEES126:2001,罕遇地震下,隔震支座的大水平变位应小于其有效直径的0.55倍和各层层总厚度的3倍二者的较小值算出大直径,则只要隔震层水平位移小于此值就能满足规范。
3、地震波的输入沿结构平面的对角线方向进行。
4、设计完成后,得到罕遇地震下各支座的剪力,轴力和位移,然后据此进行基础设计。
5、提取ETABS以下几个方面的数据:
1)自振周期及振型质量参与系数。
2)基底剪力。
3)支座反力和位移。
4)层剪力。
5)层位移。
6、形成隔震分析报告,供隔震专项审查。
四:地基基础设计
据《抗规》12.2.9,隔震建筑地基基础的抗震验算和地基处理应按本地区抗震设防烈度进行,甲乙类建筑的抗液化措施应按提高一个液化等级确定,直至全部消除液化措施。
五、隔震构造措施
根据规范及图集《03SG610-1》确定,如隔震缝的宽度要求,隔震沟大样,室外踏步节点大样,悬挂楼电梯大样,外墙立面大样,套管大样等等。
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