建筑隔震与消能减震.docx

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建筑隔震与消能减震

第十五讲建筑隔震与消能减震设计规定

一、隔震与消能减震是减轻建

筑结构地震灾害的新技术

地震释放的能量以震动波为载体向地球表面传播。

通常的建筑物因和基础牢牢地连接在一起，地震波携带的能量通过基础传递到上部结构，进入到上部结构的能量被转化为结构的动能和变形能。

在此过程中，当结构的总变形能超越了结构自身的某种承受极限时，建筑物便发生损坏甚至倒塌。

1、什么是房屋结构的“隔震设计”

《隔震》，即隔离地震。

在建筑物基础与上部结构之间设置由隔震器、阻尼器等组成的隔震层，隔离地震能量向上部结构传递，减少输入到上部结构的地震能量，降低上部结构的地震反应，达到预期的防震要求。

地震时，隔震结构的震动和变形均可只控制在较轻微的水平，从而使建筑物的安全得到更可靠的保证。

表15.1列出了隔震设计和传统设计在设计理念上的区别。

表15.1隔震房屋和抗震房屋设计理念对比

抗震房屋

隔震房屋

结构体系

上部结构和基础牢牢连接

削弱上部结构与基础的有关连接

科学思想

提高结构自身的抗震能力

隔离地震能量向建筑物输入

方法措施

强化结构刚度和延性

滤波

隔震器的作用是支承建筑物重量、调频滤波，阻尼器的作用是消耗地震能量、控制

隔震层变形。

隔震器的类型很多。

目前，在我国比较成熟的是“橡胶隔震支座”。

因此，本《规范》所指隔震器系指橡胶隔震支座（规范12.1.1条注1）。

在隔震设计中采用其他类型隔震器时，应作专门研究。

2、什么是房屋建筑的“消能减震设计”

在建筑物的抗侧力结构中设置消能部件（由阻尼器、连接支撑等组成），通过阻尼器局部变形提供附加阻尼，吸收与消耗地震能量。

这样的房屋建筑设计称“消能减震设计”。

采用消能减震设计时，输入到建筑物的地震能量一部分被阻尼器所消耗，其余部分则转换为结构的动能和变形能。

这样，也可以达到降低结构地震反应的目的。

阻尼器有粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、金属阻尼器、电流变、磁流变阻尼器等。

3、隔震和消能减震设计的主要优点

隔震体系能够减小结构的水平地震作用，已被理论和国外强震记录所证实。

国内外的大量试验和工程经验表明：

“隔震”一般可使结构的水平地震作用降低60％左右，从而消除或有效地减轻结构和非结构的地震损坏，提高建筑物及其内部设施、人员在地震时的安全性，增加震后建筑物继续使用的能力。

采用消能方案可以减少结构在风作用下的位移已是公认的事实，对减少结构水平和竖向地震反应也是有效的。

4、隔震和消能减震设计的适用范围

1）、隔震设计的适用范围

规范12.1.3条对隔震结构提出了一些使用要求。

根据研究：

隔震结构主要用于体型基本规则的低层和多层建筑结构。

日本和美国的经验表明，不隔震时基本周期小于1.0秒的建筑结构减震效果与经济性均最好，对于高层建筑效果较差。

国外对隔震建筑工程的较多考察资料表明：

硬土场地较适合于隔震建筑；软弱场地滤掉了地震波的中高频分量，延长结构的周期有可能增大而不是减小其地震反应。

墨西哥地震就是一个典型的例子。

日本“隔震结构设计技术标准”（草案）规定，隔震建筑适用于一、二类场地。

我国Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地的反应谱周期均较小，故都可建造隔震建筑。

隔震设计中对风荷载和其他非地震作用的水平荷载给予一些限制（规范12.1.3条3款）是为了保证隔震结构具有可靠的抗倾覆能力。

就使用功能而论，隔震结构可用于：

医院、银行、保险、通讯、警察、消防、电力等重要建筑；首脑机关、指挥中心以及放置贵重设备、物品的房屋；图书馆和纪念性建筑；一般工业与民用建筑；建筑物的抗震加固。

2）、消能设计的适用范围

消能部件的置入，不改变主体承载结构的体系，又可减少结构的水平和竖向地震作用，不受结构类型和高度的限制，在新建和建筑抗震加固中均可采用。

二、隔震与消能减震设计要求

1、设计方案

建筑结构的隔震和消能减震设计，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，与建筑抗震设计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。

隔震与消能减震设计第一次纳入我国《建筑抗震设计规范》，为积极、稳妥起见，应认真做好方案比较、论证工作。

2、设防目标

采用隔震和消能减震设计的房屋建筑，其抗震设防目标应高于抗震建筑。

（规范第3.8.2条）。

1）、在水平地震方面，本章表15.2、15.4及规范第12.2.6、12.2.9条等保证了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。

2）、规范规定：

消能减震结构的层间弹塑性位移角限值宜大于1/80。

提高了对框架及多高层钢结构等的弹塑性层间位移角限值要求。

3、隔震与消能部件

设计文件上应注明对隔震部件和消能部件的性能要求；隔震和消能减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用各种类型和规格的消能部件原型进行抽样检测，每种类型和每一规格的数量部应少于3个，抽样检测的合格率应为100%；设置隔震和消能减震部件的部位，除按计算确定外，应采取便于检查和替换的措施。

消能部件应对结构提供足够的附加阻尼，尚应根据其结构类型分别符合本规范相应章节的设计要求。

三、隔震设计要点

本规范隔震设计条文提出了分部设计法和水平向减震系数，在设计方法上建立起了一座联系抗震设计和隔震设计之间的桥梁，力图使设计人员已经熟悉的抗震设计知识、抗震技术在隔震设计中得到应用，这是本规范的重大特色。

1、分部设计方法

把整个隔震结构体系分成上部结构（隔震层以上结构）、隔震层、隔震层以下结构和基础四部分，分别进行设计。

2、上部结构设计

应用“水平向减震系数”设计上部结构。

1）、水平向减震系数概念

公式（15.1）及其符号解释，描述了本《规范》提出的“水平向减震系数”概念。

（15.1-1）

（15.1-2）

其中

——水平向减震系数。

——设防烈度下，相应于结构隔震与非隔震时各层层间剪力比的

最大值。

——设防烈度下，结构隔震时第i层层间剪力与非隔震时第i层层

间剪力比的最大值。

——设防烈度下，结构隔震时第i层层间剪力。

——设防烈度下，结构非隔震时第i层层间剪力。

2）、水平向减震系数计算与取值

计算水平向减震系数的结构简图可

可采用剪切型结构模型（图15.1）；当上部结构的质心与隔震层刚度中心不重和时，宜计入扭转变

形的影响。

分析对比结构隔震与非隔震两种情况下各层最大层间剪力，宜采用多遇地震下的时程分析。

输入地震波的反应谱特性和数量，应符合本规范5.1.2条规定。

计算结果宜取其平均值。

当处于发震断层10km以内时，若输入

地震波未考虑近场影响，对甲乙类建筑，计

算结果尚应乘以近场影响系数：

5km以内取

1.5，5～10km取1.25。

砌体结构及基本周期与其相当的结构可

按附录L简化计算。

当结构隔震后各层最大层间剪力与非隔

震时对应层最大层间剪力的比值不大于表15.2

中第一行各栏的数值时，可按该表确定水平向

减震系数。

表15.2层间剪力最大比值与水平向减震系数的对应关系

层间剪力最大比值

0.53

0.35

0.26

0.18

水平向减震系数

0.75

0.50

0.38

0.25

减震系数计算和取值涉及上部结构的安全，涉及《规范》规定的隔震结构抗震设防目

标的实现。

因此，减震系数不应取得比表15.2列出的值低。

3）、上部结构水平地震作用计算—水平向减震系数应用

、水平地震影响系数的最大值可取本规范5.1.4条规定的水平地震影响系数最大值（即，非隔震时的值）和水平向减震系数的乘积。

水平向减震系数不宜低于0.25,且隔震后结构的总水平地震作用不得低于非隔震时6度设防的总水平地震作用。

、隔震后，地震时上部结构基本处于平动状态。

因此，上部结构水平地震作用沿高度可采用矩形分布。

4）、上部结构竖向地震作用计算

9度和8度且水平向减震系数为0.25时，上部结构应进行竖向地震作用计算；8度且水平向减震系数不大于0.5时，宜进行竖向地震作用计算。

竖向地震作用标准值FEvk，8度和9度时分别不应小于隔震层以上结构总重力荷载代表值的20%和40%。

各楼层可视为质点，按本规范（5.3.1-2）式计算其竖向地震作用标准值沿高度的分布。

5）、隔震及构造措施

、隔震建筑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：

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1.2倍；

上部结构（包括与其相连的任何构件）与地面（包括地下室和与其相连的构件）之间，应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；

在走廊、楼梯、电梯等部位，应无任何障碍物。

、丙类建筑上部结构的抗震措施，当水平向减震系数为0.75时不应降低非隔震时的要求；水平向减震系数不大于0.50时，可适当降低本规范有关章节对非隔震建筑的要求，但与抵抗竖向地震作用有关的抗震构造措施不应降低。

、砌体结构按本规范附录L采取抗震构造措施。

、钢筋混凝土结构

柱和墙肢的轴压比控制仍应按非隔震的有关规定采用。

其他计算和构造措施要求，可按表15.3划分抗震等级，再按本规范6章的有关规定采用。

表15.3隔震后现浇钢筋混凝土结构的抗震等级

结构类型

7度

8度

9度

框架

高度（m）

一般框架

＜20

四

＞20

三

＜20

三

＞20

二

＜15

二

＞15

一

抗震墙

高度（m）

一般抗震墙

＜25

四

＞25

三

＜25

三

＞25

二

＜20

二

＞20

一

3、隔震层设计

1）、隔震层布置

隔震层设计应根据预期的水平向减震系数和位移控制要求，选择适当的隔震支座、阻尼器以及抵抗地基微震动与风荷载提供初刚度的部件组成隔震层。

隔震层位置宜设置在第一层以下部位。

当位于第一层及以上时，结构体系的特点与普通隔震结构可有较大差异，隔震层以下的结构设计计算也更复杂，需作专门研究。

隔震层的平面布置应力求具有良好的对称性，以提高分析计算结果的可靠性。

2）、隔震支座竖向承载力验算

隔震支座应进行竖向承载力验算。

隔震层设计原则是罕遇地震不坏。

橡胶隔震支座平均压应力限值和拉应力规定是隔震层承载力设计的关键。

《规范》规定：

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15.4列出的限值。

在罕迂地震作用下，不宜出现拉应力。

表15.4橡胶隔震支座平均压应力限值

建筑类别

甲类建筑

乙类建筑

丙类建筑

平均压应力（MPa）

10

12

15

注：

1．对需验算倾覆的结构，平均压应力设计值应包括水平地震作用效应组合；对需进行竖向地震作用计算的结构，平均压应力设计值应包括竖向地震作用效应组合；

2．当橡胶支座的第二形状系数小于5.0时，应降低平均压应力限值：

不小于4时，降低20%，小于4不小于3时，降低40%；

3.有效直径小于300mm的橡胶支座，其平均压应力限值对丙类建筑为12Mpa。

隔震支座的基本性能之一是“稳定地支承建筑物重力”。

通过规定表15.4列出的平均

压应力限值，保证了隔震层在罕遇地震时的强度及稳定性，并以此初步选取隔震支座的直径。

根据Haringx弹性理论，按屈曲要求，以压缩荷载下使叠层橡胶的水平刚度为零的压应力作为屈曲应力

，该屈曲应力取决于橡胶的硬度、钢板厚度与橡胶厚度的比值、第一形状系数

和第二形状系数

等。

通常，隔震支座中间钢板厚度是单层橡胶厚度之半，比值取为0.5。

对硬度为30～60共七种橡胶，以及

=11、13、15、17、19、20和

＝3、4、5、6、7，累计210种组合进行了计算。

结果表明：

满足

、

且橡胶硬度不小于40时,最小的屈曲应力值为34.0Mpa。

考虑橡胶支座在罕遇地震下发生容许

的最大剪切变形（0.55D，D—支座有效直径，

（式15.3-1））后，取支座上下表面垂直投影的

重叠部分作为有效受压面积（图15.2），以该

有效受压面积的平均压应力达到屈曲应力作为

控制橡胶隔震支座在罕遇地震时保持稳定的条

件，则得本条规定的最大平均压应力

＝0.45

=15.3MPa。

（15.2）

图15.2

对

<

且橡胶硬度不小于40的支座，

当

=4.0时，

=12.1Mpa；

=3.0时，

=9.3Mpa

规定隔震支座中不宜出现拉应力，主要考虑了下列三个因素：

、橡胶受拉后内部出现损伤，降低了支座的弹性性能。

、隔震层中支座出现拉应力，意味着上部结构存在倾覆危险。

、橡胶隔震支座在拉伸应力下滞回特性的实物实验尚不充分。

3）、罕遇地震下隔震支座水平位移验算

隔震支座在罕迂地震作用下的水平位移应符合下列要求：

ui≤[ui]（15.3-1）

ui=βiuc（15.3-2）

式中ui—罕迂地震作用下第i个隔震支座的水平位移；

[ui]—第i个隔震支座水平位移限值，不应超过该支座有效直径的0.55倍和支座橡

胶总厚度的3.0倍二者的较小值；

uc—罕迂地震下隔震层质心处或不考虑扭转时的水平位移；

βi—隔震层扭转影响系数，应取考虑扭转和不考虑扭转时支座计算位移的比值，

当上部结构质心与隔震层刚度中心在两个主轴方向均无偏心时，边支座的扭

转影响系数不应小于1.15。

4）、隔震支座水平剪力计算

隔震支座的水平剪力应根据隔震层在罕遇地震下的水平剪力按各隔震支座的水平刚度进行分配。

5）、隔震层力学性能计算

设计者从橡胶隔震支座产品性能获得的是单个支座力学特性。

然而，在水平向减震系数及罕遇地震下隔震支座水平位移计算中，需要用到的可能是隔震层的力学性能。

设，隔震层中隔震支座和单独设置的阻尼器的总数为

。

、

—第

个隔震支座、阻尼器的水平刚度、阻尼比。

、

—隔震层的等效水平刚度、等效阻尼比。

由单质点系统复阻尼理论

按隔震层特性，有

按隔震支座特性，有

等价条件

令实部相等，得隔震层等效水平刚度

（15.4-1）

令虚部相等，得隔震层等效阻尼比

（15.4-2）

6）、隔震部件的性能要求

、隔震支座承载力、极限变形与耐久性能应符合《建筑隔震橡胶支座》产品标准（JG118—2000）要求；

、隔震支座在表15.4所列压力下的极限水平变位；应大于有效直径的0.55倍和支座橡胶总厚度3倍二者的较大值。

、在经历相应设计基准期的耐久试验后，刚度、阻尼特性变化不超过初期值的±20%；徐变量不超过支座橡胶总厚度的0.05倍且小于10.0mm。

、隔震支座的设计参数应通过试验确定。

在竖向荷载保持表12.4所列平均压应力限值的条件下，验算多遇地震时，宜采用水平加载频率为0.3Hz且隔震支座剪切变形为50%时的水平动刚度和等效粘滞阻尼比；验算罕遇地震时，直径小于600mm的隔震支座宜采用水平加载频率为0.1Hz且隔震支座剪切变形为250%时的水平动刚度和等效粘滞阻尼比；直径不小于600mm的隔震支座可采用水平加载频率为0.2Hz且隔震支座剪切变形为100%时的水平动刚度和等效粘滞阻尼比。

7）、隔震层与上部结构、隔震层以下结构的连接

、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钢筋混凝土板。

现浇板厚度不宜小于140mm，当采用装配整体式钢筋混凝土板时，配筋现浇面层厚度不宜小于50mm；隔震支座上方的纵、横梁应采用现浇钢筋混凝土结构。

隔震层顶部梁板体系的刚度和承载力，宜大于一般楼面的梁板刚度和承载力。

隔震支座附近的梁、柱应考虑冲切和局部承压，加密箍筋并根据需要配置网状钢筋。

、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支座的最大水平剪力；

抗震墙下隔震支座的间距不宜大于2.0m；

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20倍锚固钢筋直径，且不应小于250mm。

、穿过隔震层的设备配管、配线，宜采用柔性连接等适应隔震层的罕遇地震水平位移的措施；采用钢筋或刚架接地的避雷设备，宜设置跨越隔震层的柔性接地配线。

4、隔震层以下结构设计

当隔震层置于地下室顶部时，隔震层以下墙、柱的地震作用和抗震验算，应采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩进行计算。

5、地基基础设计

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。

四、消能减震设计要点

1、消能减震部件及其布置

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，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、位移相关型或其它类型。

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合分析合理确定，并有利于提高整体结构的消能能力，形成均匀合理的受力体系。

消能部件附加给结构的有效阻尼比宜大于10％，超过20％时，宜按20％计算。

2、消能减震设计计算要点

1）.由于加上消能部件后不改变主体承载结构的基本形式，除消能部件外的结构设计仍应符合本《规范》相应类型结构的要求。

因此，计算消能减震结构的关键是确定结构的总刚度和总阻尼。

2）、一般情况下，计算消能减震结构宜采用静力非线性分析或非线性时程分析方法。

对非线性时程分析法，宜采用消能部件的恢复力模型计算；对静力非线性分析法，可采用消能部件附加给结构的有效阻尼比和有效刚度计算。

3）、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，按本规范5.1节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本规范5.1.4条的规定采用。

4）、消能减震结构的总刚度为结构刚度和消能部件有效刚度的总和。

5）、消能减震结构的总阻尼比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。

3、消能部件附加给结构的有效阻尼比和有效刚度确定

1）、附加有效阻尼比估算

、估算公式

ξa=Wc/（4πWs）（15.5）

式中ξa——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Ws

不考虑扭转影响时，可按下式估算：

Ws=（∑Fiui）/2（15.6）

式中Fi——质点i的水平地震作用标准值；

ui——质点i对应于水平地震作用标准值的位移。

、所有消能部件在结构预期位移下往复一周所消耗的能量Wc

a）、速度线性相关型消能部件

水平地震作用下所消耗的能量，可按下式估算：

（15.7）

式中T1——消能减震结构的基本自振周期；

Cj——第j个消能部件的线性阻尼系数；

θj——第j个消能部件的消能方向与水平面的夹角；

Δuj——第j个消能部件两端的相对水平位移。

当消能部件的阻尼系数和有效刚度与结构振动周期有关时，可取相应于消能减震结构基本自振周期的值。

b）、位移相关型、速度非线性相关型和其它类型消能部件

水平地震作用下所消耗的能量，可按下式估算：

Wc=∑Aj（15.8）

式中Aj——第j个消能部件的滞回环在相对水平位移Δuj时的面积。

2）、消能部件的有效刚度估算

消能部件的有效刚度可取消能部件的恢复力滞回环在相对水平位移Δuj时的割线刚度。

4、消能器与斜撑、填充墙或梁等支承构件组成消能部件时，对支承构件刚度或恢复力

滞回模型的要求

1）、速度线性相关型消能器

支承构件在消能器消能方向的刚度应符合下式要求：

Kp≥（6π/T1）Cv（15.9）

式中Kp——支承构件在消能方向的刚度；

Cv——由试验确定的相应于结构基本自振周期的消能器的线性阻尼

系数；

T1——消能减震结构的基本自振周期。

2）、位移相关型消能器

消能部件恢复力滞回模型的参数宜符合下列要求：

Δupy/Δupy≤2/3（15.10）

（Kp/Ks）（Δupy/Δupy）≥0.8（15.11）

式中Kp——消能部件在水平方向的初始刚度；

Δupy——消能部件的屈服位移；

Ks——设置消能部件的结构楼层侧向刚度；

Δusy——设置消能部件的结构层间屈服位移。

5、消能部件的连接

1）、消能器与斜撑、填充墙、梁或节点的连接，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，并能承担消能器施加给连接节点的最大作用力。

2）、与消能部件相连的结构构件，应计入消能部件传递的附加内力，并将其传递到基础。

3）、消能器及其连接构件应具有耐久性能和较好的易维护性。

五、隔震设计简化计算和砌体结构隔震措施

1、简化计算

1）、隔震支座扭转影响系数简化计算

此简化计算适合于各种隔震结构，包括采用隔震设计的砌体结构、钢筋混凝土结构和其它结构。

、仅考虑单向地震作用时

图15.3

假定隔震层顶板是面内刚性的。

由几何关系（图15.3），第

支座的水平位移可写为：

＝

略去高阶微量，可得

（15.12）

另一方面，在水平地震下

支座的附加水平位移可根据楼层的扭转角与支座至隔震层刚度中心的

距离得到，再将隔震层平移刚度与扭转刚度之比用其顶板的几何尺寸之间的关系替代，可得

（15.13）

式中

—上部结构质心与隔震层刚度中心在垂直于地震作用方向的偏心距；

—第i个隔震支座与隔震层刚度中心在垂直于地震作用方向的距离；

a、b—隔震层平面的两个边长。

对边支座，扭转影响系数不宜小于1.15；当隔震层和上部结构采取有效的抗扭措施后或扭转周期小于平动周期的70%，扭转影响系数可取1.15。

、同时考虑双向地震作用时

扭转影响系数可仍按式（15.13）计算，但其中偏心距（e）应采用下列公式中的较大值替代

（15.14-1）

（15.14-2）

式中

—y方向地震作用的偏心距。

—x方向地震作用的偏心距。

对边支座，扭转影响系数不宜小于1.2。

2）、砌体结构及与其基本周期相当的结构简化计算

、多层砌体结构水平向减震系数

（15.15-1）

式中

−水平向减震系数；

−地震影响系数的阻尼调整系数，按本规范（5.1.4）确定；

−地震影响系数的曲线下降段衰减指数，按本规范5.1.4条确

定；

−砌体结构采用隔震方案时的设计特征周期，根据本地区所

属的设计特征周期分区按本规范5.1.4条确定，但小于

0.4s时按0.4s采用；

−隔震后体系的基本周期，不应大于2.0s和5倍特征周期的

较大值。

、与砌体结构周期相当的结构水平向减震系数

（15.15-2）

式中

−非隔震结构的计算周期，当小于特征周期时应采用特征

周期值的数值；

−隔震后体系的基本周期，不应大于5倍特征周期值；

−特征周期；其余符号同上。

、砌体结构及与其基本周期相当的结构隔震后体系的基本周期