抗震结构设计-隔震减震房屋设计.pptx

第二节第二节隔震结构设计隔震结构设计 1.隔震设计原理隔震设计原理：通过在结构的特定部位，如层间、通过在结构的特定部位，如层间、楼板处、厂房屋架及梁端等处设置某种楼板处、厂房屋架及梁端等处设置某种装置，将地震动与结构隔开，阻断地震装置，将地震动与结构隔开，阻断地震动能量向建筑结构输入，其作用是减弱动能量向建筑结构输入，其作用是减弱或改变地震动对结构作用的强度或方式，或改变地震动对结构作用的强度或方式，以此达到减小结构振动的目的。在许多以此达到减小结构振动的目的。在许多应用中，隔震装置是安装在结构下面，应用中，隔震装置是安装在结构下面，即基础部位，因此称为即基础部位，因此称为“基础隔震基础隔震”。基础隔震是在结构地面以上部分的底部基础隔震是在结构地面以上部分的底部设置隔震层，使之与固结于地基中的基设置隔震层，使之与固结于地基中的基础顶面分开，限制地震动向结构物的传础顶面分开，限制地震动向结构物的传递，大大减少了上部结构的地震反应，递，大大减少了上部结构的地震反应，从而保证了建筑物的安全。从而保证了建筑物的安全。基础隔震技术已在桥梁、建筑物中获得了大量应用，下基础隔震技术已在桥梁、建筑物中获得了大量应用，下图所示为框架结构隔震支座的设置。目前大约有三十多个国图所示为框架结构隔震支座的设置。目前大约有三十多个国家在积极推广基础隔震技术。其中夹层橡胶垫隔震己较成熟，家在积极推广基础隔震技术。其中夹层橡胶垫隔震己较成熟，对短周期结构控制效果较好，技术经济指标也可以接受。但对短周期结构控制效果较好，技术经济指标也可以接受。但也有不足之处是：对竖向振动一般没有控制效果，影响上部也有不足之处是：对竖向振动一般没有控制效果，影响上部结构；对长周期水平振动存在共振危险性，影响隔震层的安结构；对长周期水平振动存在共振危险性，影响隔震层的安全。全。2.隔震层的设置要求隔震层的设置要求：需要减少地震作用的多层砌体和钢筋混凝土框架等结构需要减少地震作用的多层砌体和钢筋混凝土框架等结构类型的房屋，采用隔震设计应符合下列各项要求：类型的房屋，采用隔震设计应符合下列各项要求：(1)(1)结构体型基本规则，不隔震时可在两个主轴方向分别结构体型基本规则，不隔震时可在两个主轴方向分别采用采用建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范规定的底部剪力法进行计算且结规定的底部剪力法进行计算且结构基本周期小于构基本周期小于1.0s1.0s；体型复杂结构采用隔震设计，宜通过；体型复杂结构采用隔震设计，宜通过模型试验后确定；模型试验后确定；(2)(2)建筑场地宜为建筑场地宜为、类，并应选用稳定性较好的类，并应选用稳定性较好的基础类型；基础类型；(3)(3)风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的水平力不宜超过结构总重力的10%10%；(4)(4)隔震层应提供必要隔震层应提供必要的竖向承载力、侧向刚度和阻尼；的竖向承载力、侧向刚度和阻尼；穿过隔震层的设备配管、配线，应采用柔性连接或其他有效穿过隔震层的设备配管、配线，应采用柔性连接或其他有效措施适应隔震层的罕遇地震水平位移。措施适应隔震层的罕遇地震水平位移。为了达到明显的减震效果，隔震装置或隔震体系必须具为了达到明显的减震效果，隔震装置或隔震体系必须具备以下基本特征。备以下基本特征。(1)(1)承载方面：隔震装置必须具备较大的竖向承载力，承载方面：隔震装置必须具备较大的竖向承载力，安全地支撑上部结构的所有重量和使用荷载。确保建筑结构安全地支撑上部结构的所有重量和使用荷载。确保建筑结构物在使用状况下的绝对安全和满足使用要求；物在使用状况下的绝对安全和满足使用要求；(2)(2)隔震特性：隔震装置应具有可变的水平刚度，在强隔震特性：隔震装置应具有可变的水平刚度，在强风和微小地震作用下，具有足够大的水平刚度，使上部结构风和微小地震作用下，具有足够大的水平刚度，使上部结构水平位移不致过大；在强地震发生时，其水平刚度变小，使水平位移不致过大；在强地震发生时，其水平刚度变小，使结构地自振周期大大延长，有效地隔开地面振动；结构地自振周期大大延长，有效地隔开地面振动；(3)(3)复位功能：隔震装置应具有水平弹性恢复力，使结复位功能：隔震装置应具有水平弹性恢复力，使结构体在地震中具有瞬时自动构体在地震中具有瞬时自动“复位复位”功能；功能；(4)(4)阻尼消耗特性：隔震装置具有足够的阻尼，具有较阻尼消耗特性：隔震装置具有足够的阻尼，具有较大的消能能力。大的消能能力。3.基础隔震装置的分类基础隔震装置的分类：隔震系统是由隔震器、阻尼器和反应控制装置等部分组隔震系统是由隔震器、阻尼器和反应控制装置等部分组成。作为隔震系统，它必须具有上述几方面的功能，必要时成。作为隔震系统，它必须具有上述几方面的功能，必要时还须设置安全保险构造。还须设置安全保险构造。常用的隔震器有叠层橡胶支座、滑常用的隔震器有叠层橡胶支座、滑(转动转动)支座和螺旋弹支座和螺旋弹簧支座。叠层橡胶支座又包括普通叠层橡胶支座、铅芯叠层簧支座。叠层橡胶支座又包括普通叠层橡胶支座、铅芯叠层橡胶支座和高阻尼叠层橡胶支座。滑橡胶支座和高阻尼叠层橡胶支座。滑(转动转动)支座有普通滑动支座有普通滑动支座、回弹滑动支座和曲面滑动支座。常用的阻尼器有弹塑支座、回弹滑动支座和曲面滑动支座。常用的阻尼器有弹塑性阻尼器、粘性阻尼器、油阻尼器和干摩擦阻尼器等。性阻尼器、粘性阻尼器、油阻尼器和干摩擦阻尼器等。根据隔震器和阻尼器等的不同，常将基础隔震装置分为根据隔震器和阻尼器等的不同，常将基础隔震装置分为以下三种隔震体系：以下三种隔震体系：(1)(1)叠层橡胶支座隔震体系叠层橡胶支座隔震体系 (2)(2)摩擦滑移隔震体系摩擦滑移隔震体系 (3)(3)混合隔震体系混合隔震体系 4.隔震体系的计算方法隔震体系的计算方法：隔震支座的设计主要内容是验算隔震支座的设计主要内容是验算其竖向承载力和罕遇地震作用下的水其竖向承载力和罕遇地震作用下的水平位移。平位移。隔震结构的设计一般采用分步设隔震结构的设计一般采用分步设计法，隔震体系的计算简图可采用剪计法，隔震体系的计算简图可采用剪切型结构模型切型结构模型(如右图如右图)。一般情况下，。一般情况下，宜采用时程分析法进行计算；输入地宜采用时程分析法进行计算；输入地震波的反应谱特性和数量震波的反应谱特性和数量,应符合规范应符合规范的规定；计算结果宜取其平均值；当的规定；计算结果宜取其平均值；当处于发震断层处于发震断层10km10km以内时，若输入地以内时，若输入地震波未计及近场影响，对甲、乙类建震波未计及近场影响，对甲、乙类建筑，计算结果尚应乘以下列近场影响筑，计算结果尚应乘以下列近场影响系数：系数：5km5km以内取以内取1.51.5，5km5km以外取以外取1.251.25。隔震层的水平动刚度和等效粘滞阻尼比可按下列公式计算：隔震层的水平动刚度和等效粘滞阻尼比可按下列公式计算：KhKjeqKj j/Kh式中式中jj隔震支座由试验确定的等效粘滞阻尼比，单隔震支座由试验确定的等效粘滞阻尼比，单独设置的阻尼器时，应包括该阻尼器的相应独设置的阻尼器时，应包括该阻尼器的相应阻尼比；阻尼比；Kjj隔震支座隔震支座(含阻尼器含阻尼器)由试验确定的水平动刚由试验确定的水平动刚度，当试验发现动刚度与加载频率有关时，宜度，当试验发现动刚度与加载频率有关时，宜取相应于隔震体系基本自振周期的动刚度值；取相应于隔震体系基本自振周期的动刚度值；eq隔震层等效粘滞阻尼比；隔震层等效粘滞阻尼比；Kh隔震层水平动刚度。隔震层水平动刚度。(1)(1)隔震层以上结构应采取不阻碍隔震层在罕遇地震下发隔震层以上结构应采取不阻碍隔震层在罕遇地震下发生大变形的下列措施：生大变形的下列措施：上部结构的周边应设置防震缝，缝宽不宜小于各隔震支上部结构的周边应设置防震缝，缝宽不宜小于各隔震支座在罕遇地震下的最大水平位移值的座在罕遇地震下的最大水平位移值的1.21.2倍；倍；上部结构上部结构(包括与其相连的任何构件包括与其相连的任何构件)与地面与地面(包括地下包括地下室和与其相连的构件室和与其相连的构件)之间，宜设置明确的水平隔离缝；当之间，宜设置明确的水平隔离缝；当设置水平隔离缝确有困难时，应设置可靠的水平滑移垫层；设置水平隔离缝确有困难时，应设置可靠的水平滑移垫层；在走廊、楼梯、电梯等部位，应无任何障碍物。在走廊、楼梯、电梯等部位，应无任何障碍物。5.结构的隔震措施结构的隔震措施：(2)(2)隔震层与上部结构的连接，应符合下列规定：隔震层与上部结构的连接，应符合下列规定：隔震层顶部应设置梁板式楼盖，且应符合下列要求：应隔震层顶部应设置梁板式楼盖，且应符合下列要求：应采用现浇或装配整体式混凝土板。现浇板厚度不宜小于采用现浇或装配整体式混凝土板。现浇板厚度不宜小于140mm140mm；配筋现浇面层厚度不应小于；配筋现浇面层厚度不应小于50mm50mm。隔震支座上方的。隔震支座上方的纵、横梁应采用现浇钢筋混凝土结构；隔震层顶部梁板的刚纵、横梁应采用现浇钢筋混凝土结构；隔震层顶部梁板的刚度和承载力，宜大于一般楼面梁板的刚度和承载力；隔震支度和承载力，宜大于一般楼面梁板的刚度和承载力；隔震支座附近的梁、柱应计算冲切和局部承压，加密箍筋并根据需座附近的梁、柱应计算冲切和局部承压，加密箍筋并根据需要配置网状钢筋。要配置网状钢筋。隔震支座和阻尼器的连接构造，应符合下列要求：隔震隔震支座和阻尼器的连接构造，应符合下列要求：隔震支座和阻尼器应安装在便于维护人员接近的部位；隔震支座支座和阻尼器应安装在便于维护人员接近的部位；隔震支座与上部结构、基础结构之间的连接件，应能传递罕遇地震下与上部结构、基础结构之间的连接件，应能传递罕遇地震下支座的最大水平剪力；隔震墙下隔震支座的间距不宜大于支座的最大水平剪力；隔震墙下隔震支座的间距不宜大于2.0m2.0m；外露的预埋件应有可靠的防锈措施。预埋件的锚固钢；外露的预埋件应有可靠的防锈措施。预埋件的锚固钢筋应与钢板牢固连接，锚固钢筋的锚固长度宜大于筋应与钢板牢固连接，锚固钢筋的锚固长度宜大于2020倍锚固倍锚固钢筋直径，且不应小于钢筋直径，且不应小于250mm250mm。5.结构的隔震措施结构的隔震措施：(3)(3)砌体结构的隔震措施应符合下列规定：砌体结构的隔震措施应符合下列规定：5.结构的隔震措施结构的隔震措施：当水平向减震系数不大于当水平向减震系数不大于0.500.50时，丙类建筑的多层砌体结时，丙类建筑的多层砌体结构，房屋的层数、总高度和高宽比限值构，房屋的层数、总高度和高宽比限值,可按第四章中降低一度可按第四章中降低一度的有关规定采用；的有关规定采用；砌体结构隔震层的构造应符合下列规定：多层砌体房屋的砌体结构隔震层的构造应符合下列规定：多层砌体房屋的隔震层位于地下室顶部时，隔震支座不宜直接放置在砌体墙上，隔震层位于地下室顶部时，隔震支座不宜直接放置在砌体墙上，并应验算砌体的局部承压；隔震层顶部纵、横梁的构造均应符并应验算砌体的局部承压；隔震层顶部纵、横梁的构造均应符合规范关于底部框架砖房的钢筋混凝土托墙梁的要求；合规范关于底部框架砖房的钢筋混凝土托墙梁的要求；5.结构的隔震措施结构的隔震措施：丙类建筑隔震后上部砌体结构的抗震构造措施应符合下列丙类建筑隔震后上部砌体结构的抗震构造措施应符合下列要求：承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离及圈梁的截面和配要求：承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离及圈梁的截面和配筋构造，仍应符合第四章的有关规定；多层浇结普通粘土砖和筋构造，仍应符合第四章的有关规定；多层浇结普通粘土砖和浇结多孔粘土砖房屋的钢筋混凝土构造柱设置，水平向减震系浇结多孔粘土砖房屋的钢筋混凝土构造柱设置，水平向减震系数为数为0.750.75时，仍应符合表时，仍应符合表5-95-9的规定；的规定；7 79 9度，水平向减震系数度，水平向减震系数为为0.50.5和和0.380.38时，应符合表时，应符合表9-19-1的规定，水平向减震系数为的规定，水平向减震系数为0.250.25时，宜符合表时，宜符合表5-95-9降低一度的有关规定；混凝土小型空心砌块房降低一度的有关规定；混凝土小型空心砌块房屋芯柱的设置，水平向减震系数为屋芯柱的设置，水平向减震系数为0.750.75时，仍应符合表时，仍应符合表5-135-13的的规定；，规定；，7 79 9度时，当水平向减震系数为度时，当水平向减震系数为0.50.5和和0.380.38时，应符合时，应符合表表9-29-2的规定，当水平向减震系数为的规定，当水平向减震系数为0.250.25时，宜符合表时，宜符合表5-135-13降低降低一度的有关规定；上部结构的其他抗震构造措施，水平向减系一度的有关规定；上部结构的其他抗震构造措施，水平向减系数为数为0.750.75时仍按第四章的相应规定采用；时仍按第四章的相应规定采用；7 79 9度，水平向减震度，水平向减震系数为系数为0.500.50和和0.380.38时时,可按第四章降低一度的相应规定采用；水可按第四章降低一度的相应规定采用；水平向减系数为平向减系数为0.250.25时可按第四章降低二度且不低于时可按第四章降低二度且不低于6 6度的相应规度的相应规定采用。定采用。房屋层数设置部位7度8度9度三、四二、三楼、电梯间四角，外墙四角，错层部位横墙与外纵墙交接处，较大洞口两侧，大房间内外墙交接处每隔15m或单元横墙与外墙交接处五四二每隔三开间的横墙与外墙交接处六、七五三、四隔开间横墙(轴线)与外墙交接处，山墙与内纵墙交接处；9度四层，外纵墙与内墙(轴线)交接处八六、七五内墙(轴线)与外墙交接处，内墙局部较小墙垛处；8度七层，内纵墙与隔开间横墙交接处；9度时内纵墙与横墙(轴线)交接处表表9-1 9-1 隔震后砖房构造柱设置要求隔震后砖房构造柱设置要求 房屋层数设置部位设置数量7度8度9度三、四二、三外墙转角，楼梯间四角，大房间内外墙交接处；每隔16m或单元横墙与外墙交接处外墙转角，灌实3个孔；内外墙交接处，灌实4个孔五四二外墙转角，楼梯间四角，大房间内外墙交接处；山墙与内纵墙交接处，隔三开间横墙(轴线)与外纵墙交接处六五三外墙转角，楼梯间四角，大房间内外墙交接处；隔开间横墙(轴线)与外纵墙交接处，山墙与内纵墙交接处；8、9度时,外纵墙与横墙(轴线)交接处，大洞口两侧外墙转角，灌实5个孔；内外墙交接处，灌实4个孔；洞口两侧各灌实1个孔七六四外墙转角，楼梯间四角，各内墙(轴线)与外纵墙交接处；内纵墙与横墙(轴线)交接处；8、9度时洞口两侧外墙转角，灌实7个孔；内外墙交接处，灌实4个孔；内墙交接处，灌实45个孔；洞口两侧各灌实1个孔表表9-2 9-2 隔震后混凝隔震后混凝土小型空心砌块房屋芯柱设置要求土小型空心砌块房屋芯柱设置要求 第三节第三节减震结构设计减震结构设计 1.减震设计原理减震设计原理：将结构物中的非承重构件将结构物中的非承重构件(如支撑、剪力墙等如支撑、剪力墙等)设计成耗设计成耗能部件或在结构物的某些部位能部件或在结构物的某些部位(节点或连接处节点或连接处)装设一些耗能装设一些耗能阻尼器，如金属阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器等，通阻尼器，如金属阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器等，通过耗能材料的摩擦、变形或粘性液体的流动等引起的能量耗过耗能材料的摩擦、变形或粘性液体的流动等引起的能量耗散来消耗结构的振动能量。在风载和小震作用下，耗能部件散来消耗结构的振动能量。在风载和小震作用下，耗能部件或阻尼器处于弹性状态，结构体系的抗侧移刚度足以满足正或阻尼器处于弹性状态，结构体系的抗侧移刚度足以满足正常使用要求；在强震作用下，耗能部件或阻尼器率先进入非常使用要求；在强震作用下，耗能部件或阻尼器率先进入非弹性状态，耗散大部分地面运动传递给结构的能量，同时对弹性状态，耗散大部分地面运动传递给结构的能量，同时对于耗能支撑，其软化使结构体系的自振周期加长，降低了动于耗能支撑，其软化使结构体系的自振周期加长，降低了动力反应，从而保护主体结构在强震中免遭破坏或产生较大的力反应，从而保护主体结构在强震中免遭破坏或产生较大的变形，通常称之为耗变形，通常称之为耗(消消)能减震，也可看作是增加结构阻尼能减震，也可看作是增加结构阻尼的方法。的方法。粘弹性阻尼器摩擦阻尼器弹塑阻尼器2.2.减震层的设置要求：减震层的设置要求：消能部件可根据需要沿结构的两个主轴方向分别设置。消消能部件可根据需要沿结构的两个主轴方向分别设置。消能部件宜设置在层间变形较大的位置，其数量和分布应通过综能部件宜设置在层间变形较大的位置，其数量和分布应通过综合分析合理确定，并有利于提高整个结构的消能减震能力，形合分析合理确定，并有利于提高整个结构的消能减震能力，形成均匀合理的受力体系。成均匀合理的受力体系。耗能减震体系按其耗能装置的不同，可分为两类：耗能减震体系按其耗能装置的不同，可分为两类：(1)(1)耗能构件减震耗能构件减震 常见的有耗能支撑和耗能剪力墙；常见的有耗能支撑和耗能剪力墙；(2)(2)阻尼器耗能减震阻尼器耗能减震 常见的有摩擦阻尼器、金属阻尼器、常见的有摩擦阻尼器、金属阻尼器、粘性和粘弹性阻尼器、粘性液体阻尼器。粘性和粘弹性阻尼器、粘性液体阻尼器。消能减震设计时，应根据罕遇地震下的预期结构位移控制消能减震设计时，应根据罕遇地震下的预期结构位移控制要求要求,设置适当的消能部件。消能部件可由消能器及斜撑、墙体、设置适当的消能部件。消能部件可由消能器及斜撑、墙体、梁或节点等支承构件组成。消能器可采用速度相关型、位移相梁或节点等支承构件组成。消能器可采用速度相关型、位移相关型或其他类型。关型或其他类型。3.3.减震体系的计算方法：减震体系的计算方法：(1)(1)计算原则计算原则 消能减震设计的计算分析，应符合下列规消能减震设计的计算分析，应符合下列规定：定：一般情况下，宜采用静力非线性分析方法或非线性时一般情况下，宜采用静力非线性分析方法或非线性时程分析方法。程分析方法。当主体结构基本处于弹性工作阶段时，可采用线性分当主体结构基本处于弹性工作阶段时，可采用线性分析方法作简化估算，并根据结构的变形特征和高度等按第三析方法作简化估算，并根据结构的变形特征和高度等按第三章的规定分别采用底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分章的规定分别采用底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。其地震影响系数可根据消能减震结构的总阻尼比按第析法。其地震影响系数可根据消能减震结构的总阻尼比按第三章的规定采用。三章的规定采用。消能减震结构的总刚度应为结构刚度和消能部件有效消能减震结构的总刚度应为结构刚度和消能部件有效刚度的总和。刚度的总和。消能减震结构的总阻尼比应为结构阻尼比和消能部件消能减震结构的总阻尼比应为结构阻尼比和消能部件附加给结构的有效阻尼比的总和。附加给结构的有效阻尼比的总和。消能减震结构的层间弹塑性位移角限值，框架结构宜消能减震结构的层间弹塑性位移角限值，框架结构宜采用采用1/801/80。3.3.减震体系的计算方法：减震体系的计算方法：(2)(2)有效阻尼比和有效刚度的计算有效阻尼比和有效刚度的计算 消能部件附加的有效阻尼比可按下式估算：消能部件附加的有效阻尼比可按下式估算：aWc/(4Ws)式中式中a消能减震结构的附加有效阻尼比；消能减震结构的附加有效阻尼比；Wc所有消能部件在结构预期位移下往复一周所消耗所有消能部件在结构预期位移下往复一周所消耗的能量；的能量；Ws设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能。设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能。不计及扭转影响时，消能减震结构在其水平地震作用下的不计及扭转影响时，消能减震结构在其水平地震作用下的总应变能，可按下式估算：总应变能，可按下式估算：Ws(1/2)Fi ui式中式中Fi质点质点i的水平地震作用标准值；的水平地震作用标准值；ui质点质点i对应于水平地震作用标准值的位移。对应于水平地震作用标准值的位移。速度线性相关型消能器在水平地震作用下所消耗的能量，速度线性相关型消能器在水平地震作用下所消耗的能量，可按下式估算：可按下式估算：式中式中T1消能减震结构的基本自振周期；消能减震结构的基本自振周期；Cj第第j个消能器由试验确定的线性阻尼系数；个消能器由试验确定的线性阻尼系数；j第第j个消能器的消能方向与水平面的夹角；个消能器的消能方向与水平面的夹角；uj第第j个消能器两端的相对水平位移。个消能器两端的相对水平位移。位移相关型、速度非线性相关型和其他类型消能器在位移相关型、速度非线性相关型和其他类型消能器在水平地震作用下所消耗的能量，可按下式估算：水平地震作用下所消耗的能量，可按下式估算：WcAj式中式中Aj第第j个消能器的恢复力滞回环在相对水平位移个消能器的恢复力滞回环在相对水平位移uj 时的面积。时的面积。消能部件附加给结构的有效阻尼比超过消能部件附加给结构的有效阻尼比超过20%时，宜按时，宜按20%计算。计算。4.结构的减震措施结构的减震措施：消能器与斜撑、墙体、梁或节点等支承构件的连接，应消能器与斜撑、墙体、梁或节点等支承构件的连接，应符合钢构件连接或钢与钢筋混凝土构件连接的构造要求符合钢构件连接或钢与钢筋混凝土构件连接的构造要求,并能并能承担消能器施加给连接节点的最大作用力。消能器和连接构承担消能器施加给连接节点的最大作用力。消能器和连接构件应具有耐久性能和较好的易维护性。件应具有耐久性能和较好的易维护性。