隔震建筑的地震響應(yīng)及設(shè)計(jì)方法

隔震建筑的地震響應(yīng)及設(shè)計(jì)方法

0排除隔震層心力作用設(shè)計(jì)隔震建筑的原則是盡量減少上部結(jié)構(gòu)的地震作用，并將隔震支架的變形控制在所允許的有限變形范圍內(nèi)。上部結(jié)構(gòu)吸收的能量與隔震層相比非常小,若上部結(jié)構(gòu)能夠抵抗與其剛體狀態(tài)相稱的地震作用,就能從為確保通常建筑物所要求的能量吸收能力的種種制約條件中解放出來。另外通過排除隔震層的偏心,基本上能夠消除由上部結(jié)構(gòu)的能量和剛度偏心所引起的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的不良影響。因此,隔震建筑和傳統(tǒng)的建筑相比,前者的設(shè)計(jì)自由度更大。1設(shè)計(jì)地震動(dòng)輸入中建筑反應(yīng)的模型分析1)隔震建筑由基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、隔震支座和阻尼器構(gòu)成的隔震層、以及上部結(jié)構(gòu)組成。2)對(duì)于地震作用以外的荷載和外力,隔震建筑的設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同。3)在研究設(shè)計(jì)地震動(dòng)輸入時(shí)建筑反應(yīng)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)隔震層和上部結(jié)構(gòu)。這些分析研究可以對(duì)建筑物的橫向和縱向獨(dú)立進(jìn)行。4)假設(shè)上部結(jié)構(gòu)為剛體時(shí),適當(dāng)配置隔震支座和阻尼器避免隔震層出現(xiàn)偏心。根據(jù)設(shè)計(jì)地震動(dòng)輸入反應(yīng)分析所得到的隔震支座的最大位移和最大軸力,以及阻尼器必要的能量吸收能力,要確保在各隔震裝置的容許值范圍內(nèi)。5)針對(duì)設(shè)計(jì)地震動(dòng)作用下的應(yīng)力,可以對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行容許力設(shè)計(jì)。6)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)建筑一樣,要使其不發(fā)生過度沉降、轉(zhuǎn)動(dòng)或水平移動(dòng)。2基于時(shí)程分析方法的確定方法考慮到我國(guó)的隔震結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀,結(jié)合我國(guó)GB50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》),保證設(shè)計(jì)的可延續(xù)性,引入將簡(jiǎn)化估算方法和相對(duì)較為精確的時(shí)程分析方法相結(jié)合的思路,即為兩階段設(shè)計(jì)法。兩階段設(shè)計(jì)法的具體內(nèi)涵是在工程方案階段,采用簡(jiǎn)化估算方法,便于快速提供在特定場(chǎng)地條件和結(jié)構(gòu)體系以及隔震裝置條件下的設(shè)計(jì)方案,為業(yè)主和設(shè)計(jì)單位提供決策參考;在施工圖設(shè)計(jì)階段依據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用相對(duì)較為準(zhǔn)確的時(shí)程分析方法,便于最終確定和優(yōu)化布置、裝置參數(shù)。其中,隔震結(jié)構(gòu)第二階段設(shè)計(jì)是保證結(jié)構(gòu)隔震效果的關(guān)鍵步驟,為更好地推廣隔震結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上的應(yīng)用,在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中需要進(jìn)一步明確隔震結(jié)構(gòu)第二階段設(shè)計(jì)中各部分計(jì)算模型及計(jì)算簡(jiǎn)圖。2.1隔震層結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定隔震結(jié)構(gòu)的第二階段設(shè)計(jì)是通過時(shí)程分析計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震需求和能力,對(duì)隔震裝置的布置和裝置參數(shù)的選取進(jìn)行優(yōu)化配置,進(jìn)而設(shè)計(jì)出滿足不同設(shè)防水平下結(jié)構(gòu)預(yù)期性能目標(biāo)合理的、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)。隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,按《抗規(guī)》規(guī)定,包括隔震支座、隔震層頂板的梁板結(jié)構(gòu)及上部框架結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)化為多個(gè)集中質(zhì)點(diǎn)的剪切形結(jié)構(gòu),示意圖如圖1所示。隔震層水平剛度和等效粘滯阻尼比可根據(jù)隔震支座的性能參數(shù)Kj,ζj按下列公式計(jì)算:其中,ζeq為隔震層等效粘滯阻尼比;Kh為隔震層水平動(dòng)剛度;ζj為j隔震支座由試驗(yàn)確定的等效粘滯阻尼比;Kj為j隔震支座(含阻尼器)由試驗(yàn)確定的水平動(dòng)剛度。隔震結(jié)構(gòu)水平向減震系數(shù),應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)隔震與非隔震兩種情況下各層層間剪力的最大比值,按《抗規(guī)》表12.2.5確定。同時(shí)還要驗(yàn)算隔震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下,隔震層的最大位移是否滿足最大位移要求。另外,隔震結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行時(shí)程分析時(shí),輸入加速度波形應(yīng)符合抗震規(guī)范對(duì)地震波選取的標(biāo)準(zhǔn)要求。2.2隔震層頂部梁板設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)抗震房屋相比,隔震結(jié)構(gòu)如果不設(shè)地下室,為了保證隔震層能夠整體協(xié)調(diào)工作,隔震層頂部應(yīng)設(shè)置平面內(nèi)剛度足夠大的梁板體系?！犊挂?guī)》要求,隔震層頂部的梁板結(jié)構(gòu),對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)作為其上部結(jié)構(gòu)的一部分進(jìn)行計(jì)算和分析。因此在采用PKPM等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),隔震層頂部梁板的作用不能忽略,所采用的計(jì)算簡(jiǎn)圖也與傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)有所不同。隔震結(jié)構(gòu)設(shè)置了隔震層,從隔震層支座的受力來分析,隔震支座能傳遞上部結(jié)構(gòu)的軸力和水平向剪力,但不能承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來的彎矩。因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)取隔震層頂部梁板的剛度大于一般樓層梁板,目的就是使底層柱彎矩基本由隔震層頂部梁來分擔(dān)。從支座變形來分析,隔震支座豎向變形很小,可以忽略不計(jì),但在水平方向可發(fā)生較大位移,但位移值有一定的限制。因此,可以將隔震支座簡(jiǎn)化為一個(gè)鉸支座和水平彈簧的組合,但考慮到PKPM等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中沒有相應(yīng)的支座形式。當(dāng)隔震層頂部梁板剛度較大,且嵌固形式可假設(shè)成無限剛性時(shí),將隔震支座近似簡(jiǎn)化為鉸支座進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。隔震層頂部梁板平面內(nèi)剛度很大,而柱的剛度較小,柱底的變形可以忽略不計(jì)。因此,可以將隔震建筑上部結(jié)構(gòu)柱底進(jìn)一步簡(jiǎn)化為固定端,與傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)相比,該簡(jiǎn)化模型的底層層高從隔震層頂部梁板頂標(biāo)高算起。2.3隔震層水平剛度分配下部結(jié)構(gòu)通常是指隔震層以下的部分,不包括基礎(chǔ)。《抗規(guī)》中規(guī)定的隔震層以下結(jié)構(gòu)(包括地下室)的地震作用和抗震驗(yàn)算,應(yīng)采用罕遇地震下隔震支座底部的豎向力,水平力和力矩進(jìn)行計(jì)算,并且應(yīng)該考慮隔震層水平位移產(chǎn)生的附加影響,受力如圖2所示。要精確計(jì)算罕遇地震下的下部結(jié)構(gòu)的豎向力,需要對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析,但計(jì)算非常復(fù)雜,時(shí)間周期較長(zhǎng),不利于隔震結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。因此,在設(shè)計(jì)計(jì)算中,假設(shè)隔震結(jié)構(gòu)在罕遇地震下,其上部結(jié)構(gòu)仍保持彈性,取罕遇地震下的等效水平剛度和等效阻尼比,對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下的時(shí)程分析,可以求得罕遇地震下隔震層水平位移、隔震層剪力、隔震層傾覆力矩。其中,N為罕遇地震作用下上部結(jié)構(gòu)隔震后的柱底或墻底軸力;V為隔震支座罕遇地震下的剪力;M為罕遇地震下下部構(gòu)件上作用的彎矩?！犊挂?guī)》隔震支座的水平剪力應(yīng)根據(jù)隔震層在罕遇地震下的水平剪力中各隔震支座的水平剛度分配,如下式所示:其中,∑V為罕遇地震作用下隔震層的水平剪力;Khi,∑Khi分別