建筑隔震设计

在剪切自由度上具有和 摩擦摆隔震类似的行为， 在轴向上具有缝与钩的 行为，不仅可以受拉也 可以受压，在三个弯矩 变形上也具有非线性行 为
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隔震设计软件——Sap2000
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隔震设计软件——Sap2000
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隔震设计案例——某变电站工程
第一章：工程概况 1.1 工程简介 1.2 抗震设防要求 1.3 场地条件 1.4 本报告拟达到目的 1.5 分析计算依据 第二章：结构分析软件及分析模型 2.1分析软件 2.2建模策略 2.3重力荷载输入 第三章：隔震方案分析 3.1 隔震支座的平面布置及参数 3.3 隔震结构周期 3.4 隔震分析地震波 3.5 时程分析结果 3.6 水平向减震系数确定 3.7 结构隔震情况下支座承载力需求 3.8 结构隔震情况下支座变形需求 3.9 隔震连接方案结论 第四章：隔震支座连接验算与初步设计 4.1 隔震层竖向承载力验算 4.2 隔震层变形能力验算 4.3 隔震支座水平屈服荷载验算 4.4 隔震支座在罕遇地震下的拉应力验 算 4.5 隔震层构造要求 第五章：附录 附录1 加速度、位移时程分析结果 附录2 隔震结构时程分析支座内力包络 图 附录3 隔震结构支座内力组合
根据建筑功能、场地条件、经 济性等初步确定隔震目标 传统抗震设计方法，PKPM
确定隔震支座参数，布置方案， 附加阻尼器等 采用SAP2000、Etabs、Midas等 软件，根据上部结构和隔震层 参数，进行动力分析，验证方 案是否满足预期的设计要求 传统抗震设计方法，PKPM 传统抗震设计方法，PKPM
隔震结构设计
主要内容
1. 隔震原理简介 2. 抗震设计规范解读 3. 隔震设计流程
4. 隔震设计软件
5. 设计案例
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隔震基本原理
度
移
速
阻 尼 比 5%
加
构
位
阻 尼 比 5%
构
结
阻 尼 比 15% 阻 尼 比 30%
结
阻 尼 比 15%
阻 尼 比 30%
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
0.0
5）建筑场地宜为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，并应选用稳定性较好的基础类型。
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隔震方案——隔震层
1）隔震层层高：对于没有地下室的建筑，需要 增加一层作为隔震层，这一层层高不宜太高， 一般梁底到地面的净高不应小于 600mm，建议 不小于 800mm。这一要求主要是为了便于日后 的隔震层维护和检修。
2）隔震层位置：基础隔震，隔震层位于地下室 顶部或单独设置隔震层；柱顶隔震，隔震层布 置在一层柱顶；层间隔震 3）特殊结构如大底盘多塔结构，其柱距较大， 为不影响大底盘层的使用功能，可在上部结构 与大底盘层之间，专门设置层高 1.5m～2.0m 的隔震层。
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隔震构造——隔震层
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隔震构造——立管
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隔震构造——立管
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隔震构造——水平管
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隔震构造——水平管
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隔震构造——电缆、电线
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隔震设计软件
总体上分为两类： 1）隔震支座与上部结构同时分析计算，不需要考虑 “水平向减震系数”，如MIDAS
2) 上部结构和隔震层分开设计，先按隔震结构进行动 力分析，得到“水平向减震系数”，再用常用结构分 析软件进行设计。如Sap2000、Etabs等。
隔震设计案例——分析模型
在隔震层的设计中，隔震支座的选 用必须满足规范对面压限值的要求，因 此需要选用足够大的隔震支500、LRB600、LRB800、 LRB900、LRB1000、LRB1200五种支座， 隔震支座的布置如下图所示，
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0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
自
振
周
期
T(s)
自
振
周
期
T(s)
结构自振周期增加，加速度反应减小，位移反应增大 结构阻尼增加，加速度反应减小，位移反应减小
3
隔震基本原理
隔震建筑更适宜建造
在坚硬的场地上
隔震结构的设计需要在减小加速度响应和
增大位移响应之间找到最佳的平衡点，并考虑 不同场地作用的影响。
disp disprecord
Disp(mm)
0
25
50
75 100 125 150 175 200 time(h)
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抗震设计规范——隔震与消能减震设计
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抗震设计规范——隔震与消能减震设计
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抗震设计规范——隔震与消能减震设计
抗震设计规范（01版）：当隔震支座直径较大 （如600mm）时可采用剪切变形100%时的等效刚 度和等效粘滞阻尼比
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隔震设计软件——橡胶隔震单元
有效刚度：即隔震支 座的等效刚度，可用 于计算自振周期 刚度：隔震支座初始 刚度，抵抗风荷载
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隔震设计软件——摩擦隔震单元
剪切变形与摩擦塑性耦 合，具有在剪切方向上 沿滑移后的滑移后刚度， 在轴向上具有缝行为， 对于弯矩具有线性有效 刚度 36
隔震设计软件——摩擦隔震单元
0.2 0.1
0
250 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 -300
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抗震设计规范——隔震与消能减震设计
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抗震设计规范——隔震与消能减震设计
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抗震设计规范——隔震与消能减震设计
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抗震设计规范——隔震与消能减震设计
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抗震设计规范——隔震与消能减震设计
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抗震设计规范——隔震与消能减震设计
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设计流程
隔震目标 结构初步设计 隔震方案选定
否 地震动
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隔震设计软件——Sap2000
通用结构有限元分析与设计软件SAP2000软件具有集成化图形用户 界面，丰富的模板供用户高效、准确地建立有限元分析模型。SAP2000 软件具有框架单元、索单元、板单元、壳单元、平面单元、实体单元、 连接单元、铰单元等单元，提供线性和非线性、静力和动力分析，可以 进行静力分析、振型分析、反应谱分析、时程分析、屈曲分析、移动荷 载分析、稳态分析、功能谱密度分析、静力Pushover分析、施工顺序加 载分析等.同时SAP2000是通用有限元分析与设计软件，适用于桥梁、工 业建筑、输电塔、设备基础、电力设施、索膜结构、运动场所、演出场 所等特种结构。
隔震性能分析
是
下部结构设计 基础设计
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隔震目标确定
1）隔震建筑的经济性：采用隔震技术，增加了隔震支座费用、隔震构造 措施费用，但减小了梁柱断面，节约了钢材和混凝土用量。根据工程经 验，对于高烈度区，采用隔震技术经济性十分明显，上部结构设计方案 比较合理，一般能节约3%～20%。
2）隔震建筑的高效性：当地抗震设防烈度较高，场地条件好、上部结构 规则、质量和刚度分布均匀（包括平面和立面），可以初步确定上部结 构水平地震作用按降低一度半考虑，对应水平向减震系数。
隔震设计案例——隔震周期
振型 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 周期（s） 隔震前 隔震后 0.639447 2.032124 0.63566 2.029533 0.544968 1.777563 0.179031 0.302607 0.177582 0.298266 0.154115 0.260383 0.131497 0.146291 0.129214 0.143605 0.125441 0.133357 0.12438 0.132709 0.120893 0.127875 0.120418 0.127586
3）高层建筑一般会采用剪力墙结构、框剪结构或者框架结构，在开始 定方案时，应注意结构的高宽比不宜过大，一般控制在 3 以内比较好， 不宜超过 4。对高宽比大的结构，需进行整体倾覆验算，防止支座压屈 或出现拉应力超过 1MPa。高宽比超过 4，需要做超限审查。
4）采用隔震技术，上部结构剪重比依然要满足本地区设防烈度的最小 剪重比要求。
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隔震设计
原结构 隔震结构
地震动 不满足
大于假设值
远小于假设值
假设一个减震系数进行上部结构设计
隔震层 布置隔震层，形成隔震结构
减震系数
满足
时程分析，得到水平减震系数
罕遇地震结构验算
满足
支座轴力、剪力、变形验算
隔震构造及连接 隔震分析报告
连接细部设计 形成分析报告，供其他部分 设计参考
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隔震构造——隔震层
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隔震方案——隔震支座
叠层橡胶支座（天然、铅芯、高阻尼）
摩擦摆支座
弹性滑动支座
滚珠支座
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隔震方案——支座布置
1）同一隔震层内，各个橡胶隔震支座的竖向压应力宜均匀，且竖向平 均应力不应超过丙类建筑的限值15MPa。 2）铅芯隔震支座尽可能布置在周边，天然橡胶支座布置在中央 3）支座布置：一柱一支座，多柱一支座，墙下支座 4）下部结构方案：独立柱，柱加拉梁，柱加短肢剪力墙 5）《叠层橡胶支座隔震技术规程》（CECS 126:2001）：隔震层总受压 承载力设计值应大于上部结构总重力代表值的1.1倍。每个隔震支座的 受压承载力设计值应大于上部结构传递到隔震支座的重力代表值。需要 考虑竖向地震作用时，上部结构传递到隔震支座的重力代表值，8度和9 度时可分别取上部结构重力代表值的20%和40%。 6）《抗规》（GB50011-2010）平均压应力设计值应按永久荷载和可变 荷载的组合，对需验算倾覆的结构应包括水平地震作用效应组合；对需 要进行竖向地震作用计算的结构，尚应包括竖向地震作用效应的组合。
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抗震设计规范——隔震与消能减震设计
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抗震设计规范——隔震与消能减震设计
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抗震设计规范——隔震与消能减震设计
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抗震设计规范——隔震与消能减震设计
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抗震设计规范——隔震与消能减震设计
普通橡胶支座徐变曲线 徐变量0.26%
3.75 3.50 3.25 3.00 2.75 2.50 2.25 2.00 1.75 1.50
300 250 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250
0 10 20 30 时间（ s）
人工波
加速度（gal）
40
50
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隔震设计案例——地震动选取
0.9
0.8
拟加速度（g）
加速度（gal）
0.7
0.6 0.5
0.4 0.3
Elcentro 人工波 Taft 反应谱
采用隔震方案后，一阶 振型为结构y向平动，二阶 振型为x向平动，三阶振型 为结构扭转，一阶周期由原 来的0.64s延长为2.03s，延 长到2倍以上
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隔震设计案例——地震动选取
《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）规定，采用时程分析法时， 应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组的实际强震记录和一 组人工模拟的加速度时程。本工程选用El-centro波、Taft波两条强震 记录和一条人工模拟地震动。根据规范5.1.2规定，遭遇偶遇地震时， 时程分析时所用地震动加速度时程最大值为200gal，偏于安全并保证与 反应谱的一致性，实际调幅达到240gal，调幅后的时程曲线如图
3）隔震结构的可靠性：隔震建筑的设防目标一般应高于非隔震建筑。通 过合理的隔震设计，建筑的设防目标可以达到“小震不坏、中震不坏或 轻微破坏、大震不丧失使用功能或可修”，有时甚至超过此目标，实现 基于性能的设计思想。
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结构初步设计
1）上部结构设计根据降低后的水平地震影响系数计算
2）国外大量实践验证，隔震技术对与自振周期超过1s的高层结构同样 适用，故 2010 版《抗规》取消了 2001 版结构周期小于 1s 的限制。 隔震建筑结构体型宜规则、对称。
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隔震设计案例——工程概况
1.1 工程简介 本工程为现浇钢筋混凝土框架结构，地上6层，建筑物高度(室外地面至主要 屋面板的板顶) 23.8m,采用层间隔震方案，隔震层设置在一层柱顶。 1.2 抗震设防要求 按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），该地区地震基本烈度为8度，设 计基本地震加速度值为0.20g。本工程按照抗震规范设防地震加速度0.2g地区进行 设计, 小震、中震和大震下地面加速度峰值（PGA）分别为0.10g、0.20g和0.4g， 相应的结构响应加速度为0.16g、0.53g和0.90g。 1.3 场地条件 本工程拟建站址属于对建筑抗震一般地段，地面20m深度范围内场地土的类型 以中软土为主，且覆盖层厚度大于50m，建筑场地类别划分为Ⅲ类，设计地震分组 为第二组。特征周期 ，多遇地震下， 地震影响系数max 0.16 ，罕遇地震下， 地震影响系数max 0.90 。 1.4 本报告拟达到目的 确定合理的隔震层参数，达到70%减震效果，并保证上部结构与支座的连接安 41 全性。