建筑结构隔震设计中的问题分析论文

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唐桂云



摘要: 对于高层隔震结构体系,由于上部结构较大的倾覆弯矩会引起隔震层的转动,隔震层可能产生明显的竖向变形。隔震结构的地震反应不仅要按多质点平动体系进行分析,并且要考虑结构的摆动,可以采用多质点平动加摆动计算模型,由动力时程分析方法计算分析高层隔震结构体系的动力反应。

关键词:高层建筑，隔震结构设计；方案分析

1 基础隔震结构体系动力分析

基础隔震结构目前多用于30层以下、高宽比较小、上部结构水平层刚度较大的建筑结构。如果上部结构层数较多、高宽比较大、层间刚度较小,则上部结构须视为多质点体系,采用多质点模型,并需要考虑结构的倾覆、扭转等因素。

《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)提出对多层隔震结构房屋,上部结构近似看作平动,可以采用剪切型多质计算模型计算结构的地震反应,对于高层和超高层的隔震结构体系的计算模型等都没有给出说明。

在高烈度区地震波激励下,高层隔震结构体系的上部结构弯曲变形已开始占了较大部分,在高烈度地区应用橡胶隔震结构,结构中的隔震支座可能会出现一定的拉应力或者非线性变形,但是结构整体是安全的。对于高层隔震结构体系,上部结构的倾覆弯矩较大,水平地震作用会引起隔震层的转动,结构的垂直荷载也较大,隔震层可能产生明显的竖向变形。对于这种情况,隔震结构的地震反应不仅要按多质点平动体系进行分析,并且要考虑结构的摆动。因此应采用多质点平动加摆动计算模型,如图1所示。

2 高层建筑结构的隔震设计

2.1 隔震设计要求

(1)设计方案:建筑结构的隔震设计,应根据建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求,与建筑抗震的设计方案进行技术、经济可行性的对比分析后,确定其设计方案。

(2)设防目标:采用隔震设计的房屋建筑,其抗震设防目标应高于抗震建筑。在水平地震方面,隔震结构具有比抗震结构至少高0.5个设防烈度的抗震安全储备。

竖向抗震措施不应降低。

(3)隔震部件:设计文件上应注明对隔震部件的性能要求;隔震部件的设计参数和耐久性应由试验确定;并在安装前对工程中所有各种类型和规格的部件原型进行抽样检测,每种类型和每一规格的数量不应少于3个,抽样检测的合格率应为100%;设置隔震部件的部位,除按计算确定外,应采取便于检查和替换的措施。




图1 基础隔震体系多质点平动加摆动动力分析模型

2.2 隔震设计步骤

(1)结构隔震控制目标的确定。依据设防烈度或地震危险性场地条件以及工程的重要性,确定设防标准。

(2)结构设计。确定上部结构方案与结构布置,初步确定上部结构构件尺寸及材料强度等级。由于设置了隔震层,上部结构所受地震作用降低很多。因此,对柱子轴压比的限制可适当降低,柱子的截面也可适当减少。这部分设计内容与非隔震建筑相同。

(3)隔震装置的选用。根据隔震装置的承载力、刚度、变形等性能要求和规定,确定隔震支座的类型、个数和隔震支座的尺寸,布置并进行隔震支座设计。

(4)结构隔震体系动力参数的确定。选择隔震结构动力计算分析模型,确定结构的刚度、自振周期、阻尼比等动力参数。

(5)结构隔震控制验算。计算结构地震作用和结构的加速度、速度、位移、隔震的水平位移、支座轴力等地震反应,确认是否满足设防标准。

(6)隔震构造设计。包括隔震层与上部结构的连接构造、隔震支座和阻尼器的连接构造、穿过隔震层的设备配管、配线的连接及其它措施。

2.3􀀁隔震层的设计及相关要求

(1)隔震装置的选取。隔震层橡胶隔震支座的布置和选取的一般原则为:

①隔震装置具有足够的竖向承载力和水平变形能力,在发生大震时,可安全稳定地支撑建筑物,不会出现失稳破坏,能发挥隔震功能。橡胶隔震支座平均压应力限值和拉应力的规定是隔震层设计的关键之一,隔震支座在永久荷载和可变荷载作用下组合的竖向平均压应力设计值不应超过表1列出的限值。同时,隔震层中支座出现拉应力,意味着上部结构存在倾覆危险,这对高层建筑结构隔震尤为重要。

表1􀀁橡胶隔震支座平均压应力限值




②隔震层具有适当的水平刚度,在强风作用下,隔震层具有足够的初始刚度,在较大地震作用时,隔震层产生柔性变形,能大大减小水平地震作用。

③隔震层的水平刚度中心宜与上部结构的质心基本一致。

④隔震装置具有良好的自动复位功能。

⑤隔震装置具有足够的竖向刚度。设计竖向荷载作用下,竖向位移被控制在允许值以下。

⑥隔震装置的刚度和阻尼具有较好的稳定性,在可能出现的荷载和温度变化以内,其变化较小。具有良好的耐久性、抗老化、抗疲劳、抗徐变等性能,在建筑物使用期内能有效发挥隔震作用。

⑦隔震结构设计时,隔震层及隔震垫的受力和变形控制指标应满足指定要求。

(2)隔震层的平面布置:隔震层位置宜设置在第一层以下部位,即在基础的顶面、地下室顶板或二层楼面梁底位置。隔震层的平面布置应力求具有良好的对称性,应设置在受力较大的位置,间距不宜过大。

(3)水平地震作用下隔震层的验算:根据隔震层力学参数,隔震层在小震时的等效刚度、等效阻尼比,大震时的等效刚度、等效阻尼比,采用动力时程分析法,选用适合的计算模型和符合场地频谱特征的实际地震波及符合抗震规范反应谱要求的人工模拟地震波,分别对隔震和不隔震结构在多遇地震下和罕遇地震下的地震反应进行对比分析。

表2􀀁确定水平向减震系数的比值划分




用几条地震波作用下各自最大值的平均值作为时程分析结果的代表值,验证时程分析计算结果是否满足要求,具体包括多遇地震下结构水平向减震系数的计算,确定减震效果,要求见表2;罕遇地震下隔震支座竖向应力的验算;罕遇地震下隔震支座水平位移的验算等。

另外还有一些隔震层设计的构造措施,这里就不再赘述。

3􀀁隔震方案经济效益分析

橡胶隔震垫不仅具有良好的隔震性能,而且该技术在造价方面也有其优越性。隔震结构与一般结构相比,费用增加的部分包括:隔震构件、隔震层上面的楼面、设备管道的柔性接头及相应的设计费用和施工费用。如果上部结构仍然按传统的抗震设计,其总工程费用略有增加。如果考虑隔震效果,有些费用可以减少,费用减少的部分包括:地震作用减少时构件截面减少,层间变形很小使设备和装修方面的连接合理,砌体结构可减少构造柱和圈梁等。除此之外,隔震结构不但可在地震时保证人们的生命安全,而且可以节省灾后维修的巨额费用。另外,隔震垫的寿命可以超过建筑的设计寿命期,一般来说无需担心其使用寿命。在施工方面,与一般结构相比,上部结构施工费用会有所降低。

4􀀁论文小结

对基础隔震结构设计进行地震反应分析,需要建立能确切地反映基础隔震结构的实际变形性质、并且能够使计算简便可行的计算模型。以橡胶隔震支座为主流的现代隔震技术从系统研究到广泛应用期间通过大量的研究、试验、实际建筑工程建设和强震的考验,在国外得到了广泛应用。
《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)中目前还没有给出高层建筑结构的隔震设计要求,所以只能参照有关多层隔震结构房屋的相关要求。其中隔震层的设计和验算尤为重要,由于高层隔震建筑上部结构倾覆弯矩较大,对隔震支座的竖向压应力、竖向位移、水平剪应力、水平位移以及上部结构的变形等要求必须进行更为严格的控制。


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