9隔震结构设计指导手册1205.docx
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9隔震结构设计指导手册1205
建筑结构隔震设计指导
宋廷苏、管庆松编写
云南震安减震技术有限公司
二零一一年十二月
目录
一、前期咨询…………………………………………………………………………….-1-
二、建筑结构隔震设计………………………………………………………………….-2-
1建筑结构隔震设计流程…………………………………………………………-2-
2初定隔震目标……………………………………………………………………-3-
3确定隔震层位置…………………………………………………………………-3-
4上部结构设计……………………………………………………………………-4-
4.1建筑结构隔震设计一般原则-4-
4.2结构模型底层柱下端改为铰接约束-5-
4.3竖向地震作用考虑-6-
4.4最小层间剪力-11-
4.5底层柱弯矩放大系数-11-
4.6抗震措施-11-
4.7抗震构造措施-12-
5隔震层以下结构设计………………………………………………………….-13-
6基础设计……………………………………………………………………….-13-
三、隔震构造措施……………………………………………………………………..-13-
四、鸣谢………………………………………………………………………………..-13-
五、参考资料和图集…………………………………………………………………..-21-
一、前期咨询
建筑结构隔震设计的前期咨询,就是结合当地抗震设防烈度、场地类别、结构形式、高宽比以及是否有地下室等,评估该项目采用隔震技术的可行性和经济性。
当适合采用隔震技术时,确定隔震目标和隔震层位置,就前期结构设计要注意的问题以及隔震构造措施等提出相应的意见。
通过咨询,建筑、结构、水电气等各个专业,就相关问题展开讨论,避免前期方案设计、结构设计、隔震设计出现问题,从技术上提供支持,形成解决方案,指导设计,确保建筑上部结构的设计、隔震层设计、下部结构设计以及地基基础设计能够顺利进行。
。
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。
根据我公司大量工程经验,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、结构的基本周期不宜太长,太长以后隔震效果不好,体型尽量规则、对称。
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。
4、隔震层宜设置为地下室(层数为1),在设置地下室信息时,宜将地下室层数设置为1,但土层水平抗力系数的比例系数(M值)应该为0或者负数。
5、采用隔震技术后,SATWE中的模型尽量避免出现拉力,如果很难避免,拉力不宜太大。
6、高层多采用剪力墙结构,隔震层应做成转换。
隔震层的转换柱网不宜过密,过密导致支座布置密集,隔震层刚度大,减震效果不好。
高层隔震建筑周边剪力墙不宜过多,墙过多,周边刚度大,容易产生拉力。
7、剪力墙结构,转换层易按照特殊构件“转换梁”来指定,无须按照转换层来定义。
8、采用隔震技术后,SATWE中结构的剪重比依然要满足原来非隔震建筑的剪重比的要求。
9、隔震构造措施要满足规范要求,隔震沟的处理可以参考标准图集处理。
二、建筑结构隔震设计
1建筑结构隔震设计流程
2初定隔震目标
建筑结构隔震设计的第一步就是初定隔震目标。
如果当地的抗震设防烈度为9度(0.4g),考虑到场地条件好(Tg小)、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,隔震目标为降一度半,即上部结构设计时,水平地震作用要按照7度(0.15g)进行考虑。
通常被大家称之为,上部结构按照降低一度半设计。
这里需要强调的是:
一、当地的抗震设防烈度并没有降低,仅仅水平地震作用降低;二、整个结构的抗震能力没有降低,相反结构的抗震能力大大提高了;三、降低一度半也仅指降低水平地震作用,竖向地震作用仍保持不变,对于高烈度地区,与常规的建筑比竖向地震作用增加。
根据以往大量隔震工程项目经验,场地条件较好,属于Ⅰ、Ⅱ类场地,上部结构比较规则、质量和刚度分布均匀。
层数6层及以下时,多采用框架结构,可以初步确定隔震目标为降低一度半;6~12层时,位于高烈度区,一般会采用框剪结构或者剪力墙结构,可以确定隔震目标降低一度或者一度以上,比如抗震设防烈度9度,采用隔震技术后多遇地震影响系数可由0.32降至0.14;对于12~22层的隔震建筑,可以确定隔震目标降低一度。
3确定隔震层位置
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。
这样这一层的层高至少为“800+梁高”。
对于有地下室的建筑,可以将隔震层设置在地下室这一层,隔震支座放置位置设置在地下室柱顶、柱中、柱底均可,可以根据地下室实际使用功能来选择支座放置位置。
对于地下室层高比较高的建筑,隔震层放置在地下室这一层,由于《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)12.2.9条第一款规定:
隔震层支墩、支柱及相连构件,应采用隔震结构罕遇地震下隔震支座的竖向力、水平力和力矩进行承载力验算。
如果将隔震支座设置在柱顶,必然导致下支墩高度很高,计算长度很长,这样导致下支墩很肥大,不利于地下室的使用。
因此可以将下支墩做成牛腿,也可以在下支墩顶部设置拉梁,还可以在下支墩顶部做一层梁板结构。
按照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)12.2.8条规定:
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。
总之,隔震层的位置要根据具体工程具体分析,要结合结构形式、有无地下室、周边环境来综合确定。
4上部结构设计
依据隔震后的地震作用水平(如7度(0.15g)),进行上部结构设计。
这里需要注意几个问题。
4.1建筑结构隔震设计一般原则
1)高层建筑多采用剪力墙结构,在开始定方案时,应注意结构的高宽比不宜过大,对于9度地区,一般控制在3以内比较好,不宜超过4。
2)剪力墙结构,结构周边剪力墙要尽量少布置,尽量将剪力墙布置在结构内部,同时在satwe中验算罕遇地震时,尽量避免结构出现拉力。
3)剪力墙结构,隔震层应做成转换,隔震层的转换梁柱要尽量大,确保隔震层的刚度和承载力,宜大于一般楼盖梁板的刚度和承载力。
4)转换层的柱子布置不宜过密,过密导致单个支座的压力变小,在罕遇地震下,柱子容易出现拉应力,而建筑结构隔震设计中拉力需要尽量避免,如果不能避免,拉力应在规范允许1Mpa的范围之内。
5)《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中已经取消了剪力墙结构支座布置间距2米的限制。
由于经过十年的发展,隔震技术比较成熟,隔震产品比较稳定,并且大直径的支座已经能够顺利生产,因此不再受到支座直径小、性能不稳定的限制。
6)《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中已经取消了“结构基本周期小于1.0s”的限制,但上部结构的基本周期不宜太长,太长之后,上部结构会比较柔,隔震经济性效果不好。
7)罕遇地震下,隔震支座不宜出现拉应力,当少数隔震支座出现拉应力时,其拉应力不应大于1MPa。
8)罕遇地震下,隔震支座最大水平变位应小于其有效直径的0.55倍和各橡胶层总厚度3倍二者的较小值。
9)考虑到扭转影响,结构周边位移可能会稍大,铅芯隔震支座尽可能布置在周边。
天然橡胶支座布置在中间,有铅芯支座和天然支座混用,可以提高隔震效果。
4.2结构模型底层柱下端改为铰接约束
考虑到隔震橡胶支座的抗扭刚度、抗弯刚度相对混凝土柱非常小,或者说隔震橡胶支座传递弯矩和扭矩的能力弱,因此,为了使模型结构的受力状态与真实结构的受力状态更接近,建筑结构模型的底层柱改为下端铰接约束。
PKPM中实现过程如下图所示。
①点击SAT-8或SATWE,再选“接PM生成SATWE数据”,再点击“应用”按钮。
②在“SATWE前处理――接PM生成SATWE数据”窗口中,选择第二项“特殊构件补充定义”,然后点击“应用”按钮。
③在“SATWE数据前处理”窗口中,选择“特殊柱”,在弹出的对话框中,选择“柱下端铰接”。
④光标框选建筑底层所有柱,即可完成柱下端铰接设置。
4.3竖向地震作用考虑
考虑到目前橡胶隔震支座,对减小水平向地震作用非常明显,对减小竖向地震作用不明显,隔震后,结构的竖向地震力可能大于水平地震力,应予以重视并做相应的验算,采取适当的措施。
因此,《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第12.2.1条中规定:
隔震层以上结构的水平地震作用应根据水平向减震系数确定;其竖向地震作用标准值,8度(0.2g)、8度(0.3g)和9度(0.4g)时分别不应小于隔震层以上结构总重力荷载代表值的20%、30%和40%。
PKPM实现过程如下。
《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第12.2.5条第4款:
9度时和8度且水平向减震系数不大于0.3时,隔震层以上结构应进行竖向地震作用计算。
因此,对于8度时水平向减震系数大于0.3时,可以不考虑竖向地震作用,当水平向减震系数不大于0.3时,应考虑竖向地震作用。
对于9度区,保守考虑,依然要考虑竖向地震作用。
1点击SAT-8或SATWE,再选“接PM生成SATWE数据”,再点击“应用”按钮。
②在“SATWE前处理――接PM生成SATWE数据”窗口中,选择第一项“1.分析与设计参数补充定义(必须执行)”,然后点击“应用”按钮。
③SATWE---分析与设计参数补充定义----总信息---“地震作用总信息”下选择“计算水平和竖向地震作用”;
④SATWE---分析与设计参数补充定义----地震信息---选择隔震以后的上部结构的地震动参数。
如当地抗震设防烈度为9度,隔震后上部结构按7度(0.15g)来计算,参数设置如下。
这里需要注意:
和竖向地震有关的参数不能降低,如轴压比仍需照当地设防烈度地震进行考虑。
⑤竖向地震作用调整
以当地抗震设防烈度为9度,隔震后上部结构按7度(0.15g)来计算。
由于前面我们输入的多遇地震水平影响系数最大值是0.12(按照7度(0.15g)),因此,计算竖向地震作用时,程序是按照7度(0.15g)进行计算,而不是按照9度(0.4g)计算。
所以,根据《抗规》我们要做两项工作。
第一、将竖向地震作用调整9度(0.4g);第二、保证竖向地震作用标准值不小于总重力荷载代表值的40%。
调整系数如下表1和表2所示。
表1仅考虑竖向地震作用时rEV
设防烈度
隔震后上部结构设计采用烈度
8度
7.5度
7度
9度
4.45
5.93
8度
4.45
表2竖向地震作用和水平地震作用同时考虑rEV
设防烈度
隔震后上部结构设计采用烈度
8度
7.5度
7度
9度
1.7
2.28
8度
1.7
竖向地震作用系数推导过程(以抗震设防烈度为9度,影响系数降至0.14为例)
1)竖向地震作用
《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第5.3.1条:
;
其中:
,
2)隔震后地震作用计算
根据隔震初步计算,初定隔震后的水平地震影响系数最大值
;
3)隔震调整系数确定
《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第12.2.1条:
隔震结构竖向地震作用标准值不小于隔震层以上结构总重力荷载代表值的40%(9度区),
不满足规范要求,应取0.4G代表值。
4)截面抗震验算荷载效应组合
《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第5.4.1条:
表中竖向地震作用分项系数乘以隔震调整系数后即为在软件中荷载分项系数取值,即:
a)当仅计算竖向地震作用时:
b)当同时计算水平与竖向地震作用(水平地震为主)时:
⑤PKPM实现过程如下。
1)SATWE---分析与设计参数补充定义----荷载组合,然后勾选“采用自定义组合及工况”,再单击“自定义”按钮,设置见下图。
2)在弹出的“自定义组合工况”窗体中,将仅考虑竖向地震(或称Z向地震)工况的竖向地震组合系数修改为5.93,下图。
至此,竖向地震作用已从7度0.15g调整到9度0.4g。
4.4最小层间剪力
最小层间剪力应满足《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)5.2.5条,按本地区设防烈度的最小地震剪力系数的规定。
4.5底层柱弯矩放大系数
框架结构底层柱下端弯矩放大系数《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)6.2.3。
对于隔震结构,柱下端弯矩调整应在隔震层上面一层柱,因此,为了保证该层柱的配筋计算正确,应将隔震层设置为地下室,在此条件下,计算该层柱子的配筋。
隔震层宜设置为地下室(层数为1),但宜将土层水平抗侧力系数的比例系数应该为0或者负数,表明没有地下室无水平位移,没有土体的嵌固作用。
4.6抗震措施
《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)12.2.7条附录条文说明:
隔震后上部结构的抗震措施可以适当降低,一般的橡胶支座以水平向减震系数0.40为界划分,并明确降低的要求不得超过一度,对于不同的设防烈度见表8所示:
4.7抗震构造措施
《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)3.3.3条:
建筑场地为Ⅲ、Ⅳ类时,对设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区,除本规范另有规定外,宜分别按抗震设防烈度8度(0.20g)和9度(0.40g)时各抗震设防类别建筑的要求采取抗震构造措施。
这一点在PKPM实现:
PM生成SATWE数据>分析与设计参数补充定义>地震信息>抗震构造措施的抗震等级
5隔震层以下结构设计
1)按照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)12.2.9条第1、2款:
隔震层支墩、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)隔震层以下的结构(包括地下室和隔震塔楼下的底盘)中直接支承隔震层以上结构的相关构件,应满足嵌固刚度比和隔震后设防地震的抗震承载力要求,并按罕遇地震进行抗剪承载力验算。
隔震层以下地面以上的结构在罕遇地震下的层间位移角限值应满足表12.2.9要求。
3)这里嵌固刚度比,对于基础隔震无须考虑,对于层间隔震,即隔震层以下一层的层刚度比上隔震层以上一层的层刚度,大于2即满足嵌固刚度比的要求。
4)层间隔震建筑,隔震层以下结构宜采用ETABS整体建模分析,将隔震支座建入模型,计算分析来得到下部结构内力,以设计下部结构。
层间隔震,整体建模得到内力,结果比较准确,由于PKPM无法准确隔震层的影响,避免了PKPM模型计算下部结构内力过大而造成浪费。
6基础设计
按照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)12.2.9条第3款:
隔震建筑地基基础的抗震验算和地基处理仍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,直至全部消除液化沉陷。
三、隔震构造措施
隔震构造将影响建筑隔震效果的发挥,如隔震建筑周边的隔震缝宽度不够,或隔震缝中有障碍物,或隔震建筑四周有障碍物,地震来临时,上部建筑的运动将受到阻碍,隔震效果将大打折扣。
必须充分重视!
隔震缝按照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)12.2.7条规定:
隔震结构应该采取不阻碍隔震层在罕遇地震下发生大变形的构造措施。
上部结构的周边应设置竖向隔离缝,缝宽不宜小于隔震橡胶支座在罕遇地震下的最大水平位移的1.2倍且不宜小于200mm。
对于两相邻隔震结构,其缝宽取最大水平位移值之和,且不小于400mm。
对于相邻的高层隔震建筑,考虑到地震时上部结构顶部位移会大于隔震层处位移,因此隔震缝要留出罕遇地震时隔震缝的宽度加上防震缝的宽度,方才合适。
防震缝的宽度《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)6.1.4条有明确规定。
上部结构和下部结构之间,应设置完全贯通的水平隔离缝,缝高可取20mm,并用柔性材料填充;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。
穿越隔震层的门廊、楼梯、电梯、车道等部位,应防止可能的碰撞。
一般对于单栋隔震建筑,其周边水平隔震缝至少留300mm;对于两栋相邻的隔震建筑,两栋隔震建筑之间的隔震缝至少留600mm。
隔震层处的管线均采应用软连接。
隔震缝、管线连接的做法参考图集《04J312楼地面变形缝》以及《03SG610-建筑结构隔震构造详图》。
图1基础隔震和层间隔震立面图
图2隔震缝的处理大样
图3隔震缝的处理大样
图4软管连接大样
图5软管连接大样
图6竖向管线接头连接示意图
图7竖管变形示意图
图8有压竖管柔性示意图
图9无压竖管柔性示意图
图10电缆、电线连接示意图
图11避雷线和电线连接示意图
图12水平管柔性示意图
图13楼梯扶手柔性示意图
四、鸣谢
本指导的编写过程中,得到了云南省结构专业委员会各位专家的支持和帮助,在此表示感谢。
文中竖向地震作用分项系数引用王广宇高级工程师的推导结果。
五、参考资料和图集
[1]《建筑抗震设防分类标准》GB50223-2008
[2]《建筑抗震设计规范》GB50011-2001
[3]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010
[4]《叠层橡胶支座隔震技术规程》CECS126:
2001
[5]《建筑结构隔震构造详图》03SG610-1
[6]《建筑工程抗震性态设计通则(试用)》(CECS160:
2004)
[7]《楼地面油漆刷浆》(西南04J312)
[8]《叠层橡胶支座基础隔震建筑构造图集》DBJT25-99-2003
[9]杨永丽隔震建筑中的隔震构造处理建筑设计,2010
[10]谭平周福霖国家标准《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)疑问解答(八)建筑结构201141(7)
[11]党育杜永峰李慧编著.基础隔震结构设计及施工指南.中国水利水电出版社,2005
[12]日本建筑学会,刘文光译.隔震结构设计.地震出版社,2006
[13]R.I.Skinner,W.H.Robinson,G.H.Mcverry著,谢礼立等译.工程隔震概论.地震出版社,1996
[14]社团法人,日本隔震结构协会编著,蒋通译.被动减震结构设计、施工手册.中国建筑工业出版社,2005
[15]SATWE用户手册及技术条件(2010版)
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- 结构设计 指导 手册 1205