隔震和消能減震的發(fā)展與展望

隔震和消能減震的發(fā)展與展望

為了減少房屋地震的破壞，最初的方法是建造足夠的承載結(jié)構(gòu)，但由于破壞地震的巨大影響，僅提高支撐能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。后來(lái)，他發(fā)展了結(jié)合剛性和變形能量的綜合衰減能力的概念，側(cè)重于提高結(jié)構(gòu)的變形能力，即以一定程度的破壞為代價(jià)來(lái)抵抗地震。當(dāng)房屋建筑使用上對(duì)損壞程度有特殊要求時(shí),例如需要保護(hù)特殊的珍貴文物、控制全行業(yè)運(yùn)營(yíng)的計(jì)算機(jī)、核工業(yè)設(shè)施等,現(xiàn)有的抗震手段難以解決,要依靠隔震和減震的手段,即運(yùn)用對(duì)精密儀器和設(shè)備隔離環(huán)境振動(dòng)的思想,對(duì)房屋建筑采取各種隔離地震震動(dòng)的措施,或在某些部位設(shè)置吸收地震能量的裝置以保證整個(gè)建筑的使用功能。適應(yīng)上述要求,新建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2001專門增加了有關(guān)的章節(jié),從適用范圍、設(shè)防目標(biāo)、隔震和減震元件的選型和布置、建筑結(jié)構(gòu)布置、隔震減震程度的確定,到隔震減震后結(jié)構(gòu)地震作用計(jì)算和抗震構(gòu)造措施均做了原則的規(guī)定,尤其對(duì)目前較成熟的橡膠墊隔震技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題提出了明確的要求。7.1隔震和消能震動(dòng)技術(shù)隔震,通常指在建筑的基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置水平剛度很小的隔震層,通過(guò)隔震層的大變形吸收地震能量,減少地震施加給上部結(jié)構(gòu)的地震作用,從而降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),達(dá)到對(duì)上部結(jié)構(gòu)預(yù)期的防震要求。消能減震,即在建筑結(jié)構(gòu)的一定部位設(shè)置消能部件,通過(guò)消能部件的局部變形吸收地震能量,減少地震施加給主體結(jié)構(gòu)其余部分的地震能量,從而降低結(jié)構(gòu)的地震位移反應(yīng),達(dá)到對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)預(yù)期的防震要求。由于隔震和消能減震后結(jié)構(gòu)的相對(duì)變形可控制在較小的范圍,結(jié)構(gòu)所需的抗震措施有所減少,建筑的抗震安全性得到提高。隔震和消能減震的手段很多。唐山地震時(shí)某些低層建筑被油毛氈墊層所隔離,因上部產(chǎn)生滑移使震害減輕;70年代,我國(guó)學(xué)者就建造了圓粒砂層滑移隔震的試點(diǎn)建筑;日本在1987年福島縣沖地震和1995年阪神地震中均有夾層橡膠墊減少房屋地震反應(yīng)的記錄;在超高層建筑中設(shè)置各種阻尼裝置減少風(fēng)力振動(dòng)也是公認(rèn)的事實(shí);一些研究還提出用石墨或聚四氟乙稀形成摩擦滑移隔震、鋼滾珠隔震、懸吊隔震、水浮法隔震、調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)減震等方法。目前,較為成熟的技術(shù)是采用夾層橡膠墊基礎(chǔ)隔震和各種粘滯阻尼器的消能減震方法。表7.1列出了隔震設(shè)計(jì)、消能減震設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)思路上的主要區(qū)別。7.2隔震設(shè)計(jì)的適用范圍隔震和消能減震作為一種新技術(shù),是以增加一定的造價(jià)來(lái)?yè)Q取使用上增加抗震安全性的要求,新規(guī)范對(duì)其使用范圍和設(shè)防目標(biāo)做了較嚴(yán)格的控制。即,主要適用于對(duì)使用功能有特殊要求和高烈度地區(qū),尤其是明確規(guī)定:應(yīng)根據(jù)建筑抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、建筑結(jié)構(gòu)方案和使用要求,與采用抗震設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性的對(duì)比分析后,確定是否采用隔震和消能減震設(shè)計(jì)方案。要求認(rèn)真作好方案的比較和論證。使用功能有特殊要求的結(jié)構(gòu),可包括首腦機(jī)關(guān)、防災(zāi)指揮中心,以及放置貴重設(shè)備、特殊文物的房屋;還可包括某些紀(jì)念性建筑、特種醫(yī)院、通訊、消防、動(dòng)力等重要建筑。(1)隔震設(shè)計(jì)的適用范圍隔震設(shè)計(jì)系通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期來(lái)減小其水平地震反應(yīng),并不減少豎向地震反應(yīng),還要考慮底部柔軟的隔震層所具有的抗傾覆能力。對(duì)于軟弱場(chǎng)地,其設(shè)計(jì)特征周期較長(zhǎng),延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的周期有可能增大其水平地震反應(yīng)。國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)表明,在硬土場(chǎng)地不隔震時(shí)基本周期小于1.0s的建筑結(jié)構(gòu),隔震效果與經(jīng)濟(jì)性均最好,高層建筑的隔震效果較差。因此,新規(guī)范規(guī)定:隔震結(jié)構(gòu)可適用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類場(chǎng)地剪切變形為主的體型基本規(guī)則的低層和多層建筑結(jié)構(gòu),不隔震時(shí)其基本周期不宜大于1.0s。體型復(fù)雜或扭轉(zhuǎn)明顯的結(jié)構(gòu),宜經(jīng)過(guò)相關(guān)的試驗(yàn)研究確定。為避免隔震結(jié)構(gòu)傾覆,隔震設(shè)計(jì)中對(duì)風(fēng)荷載和其他非地震作用的水平荷載也給予一定的限制。(2)消能設(shè)計(jì)的適用范圍消能部件通常包括帶阻尼器的支撐或墻板,增加結(jié)構(gòu)的總有效阻尼而對(duì)剛度的貢獻(xiàn)很少,可同時(shí)減少結(jié)構(gòu)的水平和豎向地震作用,并不改變主體結(jié)構(gòu)的受力體系,故不受結(jié)構(gòu)類型和高度的限制。當(dāng)然,設(shè)置支撐和阻尼墻板的部位可能對(duì)建筑的局部功能有所影響,需與建筑方案相配合。(3)隔震和消能減震的設(shè)防目標(biāo)隔震和消能減震設(shè)計(jì)是為了提高使用上的安全要求,其抗震設(shè)防目標(biāo)應(yīng)高于常規(guī)抗震設(shè)計(jì)的建筑。即,對(duì)于抗震設(shè)計(jì)的三個(gè)水準(zhǔn)的具體設(shè)防目標(biāo)應(yīng)有所提高。例如,在遭遇相當(dāng)于設(shè)防烈度的地震影響時(shí),其損壞程度應(yīng)小些;在遭遇高于設(shè)防烈度的罕遇地震影響時(shí),其損壞程度接近于修理后可繼續(xù)使用的要求。采用隔震方案的建筑,隔震后上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用可根據(jù)要求減少。當(dāng)小于1/3時(shí),則可能實(shí)現(xiàn)設(shè)防烈度地震下不需修理而繼續(xù)使用。采用消能減震方案的建筑,在設(shè)防烈度地震下和罕遇地震下的層間彈塑性變形可根據(jù)要求減少,控制在預(yù)期的范圍內(nèi),也可能實(shí)現(xiàn)設(shè)防烈度地震下不需修理而繼續(xù)使用和罕遇地震下可修的要求?，F(xiàn)階段,新規(guī)范規(guī)定:隔震后水平地震作用至少減少25%;對(duì)消能減震框架結(jié)構(gòu),其層間彈塑性位移角限值宜小于1/80。從而在一定程度上提高了隔震和消能減震結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)。7.3隔震設(shè)計(jì)的基本方法7.3.1橋梁施工技術(shù)新規(guī)范對(duì)隔震設(shè)計(jì)提出了分部設(shè)計(jì)法和水平向減震系數(shù),在設(shè)計(jì)方法上建立起了一座聯(lián)系抗震設(shè)計(jì)和隔震設(shè)計(jì)之間的橋梁,力圖在隔震設(shè)計(jì)中運(yùn)用人們已經(jīng)熟悉的抗震設(shè)計(jì)知識(shí)和抗震技術(shù)。把整個(gè)隔震結(jié)構(gòu)體系分成上部結(jié)構(gòu)(隔震層以上結(jié)構(gòu))、隔震層、隔震層以下結(jié)構(gòu)(地下室)和基礎(chǔ)四部分,則隔震設(shè)計(jì)可用圖7.1的分部設(shè)計(jì)計(jì)算框圖表示。7.3.2結(jié)構(gòu)的剪切型結(jié)構(gòu)新規(guī)范提出了隔震設(shè)計(jì)的“水平向減震系數(shù)”,指隔震結(jié)構(gòu)與同一結(jié)構(gòu)非隔震時(shí)各層層間剪力比值的設(shè)計(jì)取值,是預(yù)期的隔震效果?？紤]到隔震墊不能隔離豎向地震作用,偏于安全,其值取彈性分析時(shí)隔震與非隔震時(shí)各層層間剪力比的最大值(ψi)max的1.4倍。計(jì)算水平向減震系數(shù)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可采用剪切型結(jié)構(gòu)模型(圖7.2);當(dāng)上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與隔震層剛度中心不重合時(shí),尚宜計(jì)入扭轉(zhuǎn)變形的影響。分析對(duì)比結(jié)構(gòu)隔震與非隔震兩種情況下各層最大層間剪力,宜采用多遇地震下的彈性時(shí)程分析。輸入地震波的反應(yīng)譜特性和數(shù)量,應(yīng)符合新規(guī)范5.1.2條的有關(guān)規(guī)定。計(jì)算結(jié)果宜取其平均值;當(dāng)計(jì)算的層間地震剪力小于新規(guī)范5.2.5條規(guī)定的最小值時(shí),應(yīng)按最小值采用。當(dāng)處于發(fā)震斷層10km以內(nèi)時(shí),若輸入地震波未考慮近場(chǎng)影響,對(duì)甲乙類建筑,計(jì)算結(jié)果尚應(yīng)乘以近場(chǎng)影響系數(shù):5km以內(nèi)取1.5,5～10km取1.25。按新規(guī)范規(guī)定,當(dāng)結(jié)構(gòu)隔震后各層最大層間剪力與非隔震時(shí)對(duì)應(yīng)層最大層間剪力的比值不大于表7.2中第1行各欄的數(shù)值時(shí),按該表確定水平向減震系數(shù),且水平向減震系數(shù)不宜低于0.25。7.3.3隔震層的布置隔震層設(shè)計(jì)主要包括選擇隔震層位置,確定隔震墊的數(shù)量、型號(hào)和平面布置,隔震層的位移控制及相關(guān)管線的處理,以及隔震層頂部梁板的設(shè)計(jì)。(1)隔震層宜設(shè)置在基礎(chǔ)或第1層以下部位。當(dāng)位于第1層及以上時(shí),整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)與普通隔震結(jié)構(gòu)可有較大差異,隔震層以下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算也更復(fù)雜,需作專門研究。(2)隔震墊的數(shù)量、型號(hào)應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的重力、隔震層位移的大小及單個(gè)隔震墊的豎向承載力、水平位移限值確定。隔震墊的平面布置應(yīng)力求使上部結(jié)構(gòu)的重心與隔震墊總重心重合,上部結(jié)構(gòu)總水平地震作用的作用點(diǎn)在兩個(gè)主軸方向的坐標(biāo)與隔震墊的總水平剛度中心重合,還要具有較好的抗扭剛度?？拐饓ο赂粽饓|的間距不宜大于2.0m。(3)穿過(guò)隔震層的設(shè)備配管、配線,宜采用柔性連接等適應(yīng)隔震層的罕遇地震水平位移的措施;采用鋼筋或剛架接地的避雷設(shè)備,宜設(shè)置跨越隔震層的柔性接地配線。(4)隔震層頂部應(yīng)設(shè)置符合下列要求的梁板式樓蓋:現(xiàn)澆板厚度不宜小于140mm,裝配整體式鋼筋混凝土板的配筋現(xiàn)澆面層厚度不宜小于50mm;隔震墊上方的縱、橫梁應(yīng)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);隔震層頂部梁板體系的剛度和承載力,宜大于一般樓面的梁板剛度和承載力;梁、柱在設(shè)置隔震墊的位置,應(yīng)考慮沖切和局部承壓,加密箍筋并根據(jù)需要配置網(wǎng)狀鋼筋。(5)隔震墊應(yīng)安裝在便于維護(hù)人員接近的部位。外露的預(yù)埋件應(yīng)有可靠的防銹措施。預(yù)埋件的錨固鋼筋應(yīng)與鋼板牢固連接;錨固鋼筋的錨固長(zhǎng)度宜大于20倍錨固鋼筋直徑,且不應(yīng)小于250mm。7.3.4結(jié)構(gòu)體系內(nèi)豎向地震作用上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括水平地震作用計(jì)算、豎向地震作用計(jì)算和隔震后相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。(1)水平地震影響系數(shù)的最大值可依據(jù)設(shè)防烈度取非隔震時(shí)水平地震影響系數(shù)最大值和水平向減震系數(shù)的乘積。隔震后結(jié)構(gòu)的總水平地震作用不得低于非隔震時(shí)6度設(shè)防的總水平地震作用,各樓層的剪力也不得低于新規(guī)范5.2.5條規(guī)定的最小值。(2)隔震結(jié)構(gòu)遭遇地震時(shí),上部結(jié)構(gòu)基本處于平動(dòng)狀態(tài),因此,上部結(jié)構(gòu)水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值沿高度的分布,不采用非隔震結(jié)構(gòu)的倒三角形分布,而采用矩形分布。計(jì)算公式如下:Fi=(Gi/∑Gj)ψFEk(7.1)Fi=(Gi/∑Gj)ψFEk(7.1)式中,Fi為樓層水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值;ψ為水平向減震系數(shù);FEk為非隔震結(jié)構(gòu)的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值。由此得到各樓層的地震作用,即可按相應(yīng)的側(cè)向力進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力分析和抗震驗(yàn)算。(3)地震地面運(yùn)動(dòng)的豎向分量通常大于其水平分量,一般的結(jié)構(gòu)可不考慮豎向地震作用。但是,隔震后上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用明顯減少,而豎向地震作用可能有所增大,使上部結(jié)構(gòu)所受的豎向地震作用可能大于水平地震作用。因此,新規(guī)范明確規(guī)定:在9度時(shí)和8度且水平向減震系數(shù)為0.25時(shí),應(yīng)進(jìn)行豎向地震作用計(jì)算;8度且水平向減震系數(shù)不大于0.5時(shí),宜進(jìn)行豎向地震作用計(jì)算。豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值FEvk,8度和9度時(shí)分別不應(yīng)小于隔震層以上結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值的20%和40%?？紤]到隔震墊不隔離豎向地震,各樓層可視為質(zhì)點(diǎn),仍按倒三角形分布計(jì)算豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值沿高度的分布:Fvi=(GiΗi/∑GjΗj)FEvk(7.2)Fvi=(GiHi/∑GjHj)FEvk(7.2)對(duì)于砌體結(jié)構(gòu),可在截面抗震驗(yàn)算時(shí),將砌體抗震抗剪強(qiáng)度的正應(yīng)力影響系數(shù),按減去豎向地震作用效應(yīng)后的平均壓應(yīng)力取值。(4)隔震后的構(gòu)造措施包括兩大部分:其一,采取措施不阻礙隔震層在罕遇地震下發(fā)生大變形,包括建筑周邊設(shè)置滿足隔震層大位移的防震縫,上部結(jié)構(gòu)與地面之間設(shè)置明確的水平隔離縫或可靠的水平滑移墊層,在出入口、樓梯、電梯等部位無(wú)任何障礙物。其二,當(dāng)水平向減震系數(shù)不大于0.50時(shí),丙類建筑的抗震措施可部分降低規(guī)范有關(guān)章節(jié)對(duì)非隔震建筑的要求(水平向減震系數(shù)為0.75時(shí)不應(yīng)降低),但與抵抗豎向地震作用有關(guān)的抗震構(gòu)造措施不應(yīng)降低。例如,磚砌體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱設(shè)置要求可有所降低,除基本要求外,7度五層、8度四層、9度二層的房屋僅要求每隔三開(kāi)間的橫墻和外墻交接處設(shè)置構(gòu)造柱,7度七層、8度五層、9度四層的房屋要求在隔開(kāi)間橫墻(軸線)與外墻交接處、山墻與內(nèi)縱墻交接處設(shè)置構(gòu)造柱,但承重外墻盡端至門窗洞口的最小距離及圈梁的截面和配筋要求不降低。高度不大于20m的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和高度不大于25m的鋼筋混凝土抗震墻結(jié)構(gòu),抗震等級(jí)可降低一級(jí),但墻、柱的軸壓比要求仍按非隔震的抗震等級(jí)采用。7.3.5結(jié)構(gòu)底部的極限水平承載力當(dāng)隔震層置于地下室頂部時(shí),隔震層以下墻、柱的地震作用和抗震驗(yàn)算,應(yīng)采用罕遇地震下隔震墊底部的豎向力、水平力和力矩進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算:(1)地下室隔震墊底部的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值,取隔震后上部結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下進(jìn)入彈塑性狀態(tài)時(shí)所達(dá)到的總水平地震作用值,即上部結(jié)構(gòu)底部的極限水平承載力Vy。其值大于按非隔震結(jié)構(gòu)的多遇地震影響系數(shù)最大值乘以水平向減震系數(shù)后計(jì)算的結(jié)果;一般也不同于按非隔震結(jié)構(gòu)的罕遇地震影響系數(shù)最大值乘以水平向減震系數(shù)后計(jì)算的結(jié)果。(2)地下室各隔震墊的豎向力,包括所承擔(dān)的重力荷載代表值,上述的罕遇地震水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的豎向力,并取不利組合。當(dāng)需考慮豎向地震作用時(shí),尚包括對(duì)應(yīng)于罕遇地震的豎向地震力。(3)地下室各隔震墊底部的力矩,不僅要包括上述豎向力和水平力產(chǎn)生的彎矩和扭矩,特別要包括隔震層罕遇地震下水平位移引起的重力附加彎矩和扭矩。(4)抗震驗(yàn)算時(shí),仍可采用地震基本組合和驗(yàn)算表達(dá)式,但其中需采用上述的地震作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)。(5)為確保地下室在罕遇地震下的側(cè)向剛度和整體性,地下室的柱頂不應(yīng)為懸臂端,在柱頂之間要設(shè)置足夠大的拉梁并與地下室的墻體相連,使柱頂與地下室周邊的墻體有相同的水平位移。7.3.6地基基礎(chǔ)抗震驗(yàn)算隔震建筑地基基礎(chǔ)的抗震驗(yàn)算和地基處理仍應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度進(jìn)行,但甲、乙類建筑的抗液化措施應(yīng)按提高一個(gè)液化等級(jí)確定,直至全部消除液化沉陷。這意味著:(1)對(duì)于不需要進(jìn)行地基基礎(chǔ)抗震驗(yàn)算的結(jié)構(gòu),隔震后仍不進(jìn)行驗(yàn)算;(2)進(jìn)行地基基礎(chǔ)抗震驗(yàn)算時(shí),地震作用效應(yīng)仍與非隔震結(jié)構(gòu)相同,取標(biāo)準(zhǔn)組合,不考慮水平向減震系數(shù),一般情況也不考慮罕遇地震;(3)地基液化判別同非隔震設(shè)計(jì);軟弱地基和液化地基的處理要求,丙、丁類建筑與非隔震時(shí)相同;乙類建筑的地基屬輕微液化,則需要按中等液化的要求采取全部消除液化沉陷的措施或部分消除液化且同時(shí)對(duì)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理;屬中等液化時(shí)按嚴(yán)重液化的要求處理。甲類建筑需專門研究。7.4隔震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵7.4.1隔震墊的性能要求設(shè)計(jì)文件上應(yīng)注明對(duì)隔震部件的性能要求;隔震部件的設(shè)計(jì)參數(shù)和耐久性應(yīng)由試驗(yàn)確定;并在安裝前對(duì)工程中所用各種類型和規(guī)格的隔震部件原型進(jìn)行抽樣檢測(cè),每種類型和每一規(guī)格的數(shù)量都不應(yīng)少于三個(gè),抽樣檢測(cè)的合格率應(yīng)為100%。由薄橡膠層和鋼板逐層疊合經(jīng)硫化加工而成的夾層橡膠隔震墊的性能要求是:(1)隔震墊承載力、極限變形與耐久性能應(yīng)符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《建筑隔震橡膠墊JG118—2000》的要求;(2)隔震墊在表7.3所列壓力下的極限水平變位,應(yīng)大于有效直徑的0.55倍和墊橡膠總厚度3倍二者的較大值。(3)在經(jīng)歷相應(yīng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的耐久試驗(yàn)后,剛度、阻尼特性變化不超過(guò)初期值的±20%;徐變量不超過(guò)橡膠墊總厚度的0.05倍且小于10.0mm。(4)隔震墊的設(shè)計(jì)參數(shù),在豎向荷載保持表7.3所列平均壓應(yīng)力限值的條件下,驗(yàn)算多遇地震時(shí),宜采用水平加載頻率為0.3Hz且隔震墊剪切變形為50%時(shí)的水平動(dòng)剛度和等效粘滯阻尼比;驗(yàn)算罕遇地震時(shí),直徑小于600mm的隔震墊宜采用水平加載頻率為0.1Hz且隔震墊剪切變形為250%時(shí)的水平動(dòng)剛度和等效粘滯阻尼比;直徑不小于600mm的隔震墊可采用水平加載頻率為0.2Hz且隔震墊剪切變形為100%時(shí)的水平動(dòng)剛度和等效粘滯阻尼比。7.4.2平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值的確定橡膠隔震墊平均壓應(yīng)力限值和拉應(yīng)力規(guī)定是隔震層實(shí)現(xiàn)“穩(wěn)定地支承建筑物”的關(guān)鍵。新規(guī)范明確規(guī)定:隔震層中,各隔震墊在永久荷載(分項(xiàng)系數(shù)1.2)和可變荷載(分項(xiàng)系數(shù)1.4)作用下基本組合的豎向平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值不應(yīng)超過(guò)表7.3列出的限值;對(duì)需驗(yàn)算傾覆的結(jié)構(gòu),平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值應(yīng)包括水平地震作用效應(yīng)組合;對(duì)需進(jìn)行豎向地震作用計(jì)算的結(jié)構(gòu),平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值尚應(yīng)包括豎向地震作用效應(yīng)組合。這個(gè)規(guī)定,體現(xiàn)了“穩(wěn)定地支承建筑物重力”的基本要求,保證了隔震層在罕遇地震時(shí)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。隔震墊的穩(wěn)定性與其幾何形狀有關(guān)。通常,取隔震墊的當(dāng)量直徑(有效直徑減去中心孔徑)與隔震墊4倍橡膠層厚度之比作為第一形狀系數(shù),即(D-D0)/4tr;取有效直徑與橡膠層總厚度之比作為第二形狀系數(shù),即D/ntr。根據(jù)橡膠墊屈曲的理論計(jì)算,以壓縮荷載下使疊層橡膠的水平剛度為零的壓應(yīng)力作為屈曲應(yīng)力σcr,對(duì)于第一形狀系數(shù)大于15、第二形狀系數(shù)大于5且橡膠硬度不小于40的210種常用橡膠墊,最小的屈曲應(yīng)力σcr為34.0MPa?？紤]罕遇地震下橡膠墊側(cè)移達(dá)0.55D,有效承壓面積明顯減少且因重力二階效應(yīng)使中部的鋼板不再保持水平,依據(jù)試驗(yàn)成果,取15MPa作為平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值的限值。當(dāng)?shù)诙螤钕禂?shù)小于5時(shí),屈曲應(yīng)力σcr減少,相應(yīng)的限值還要嚴(yán)格一些。注意到橡膠受拉后內(nèi)部出現(xiàn)損傷使其彈性性能降低、隔震墊出現(xiàn)拉應(yīng)力意味著上部結(jié)構(gòu)有翹離危險(xiǎn)、且缺少相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),新規(guī)范規(guī)定,隔震墊在罕遇地震下不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力。7.4.3無(wú)偏心邊隔震層結(jié)構(gòu)的水平剛度和最小直徑隔震層的水平剛度越小,水平向減震系數(shù)越小,上部結(jié)構(gòu)的抗震安全性越好;但水平剛度越小,罕遇地震下隔震層的位移越大,超過(guò)隔震墊的位移控制值則隔震層不安全。因此,必須妥善處理二者的關(guān)系。以下用多層砌體結(jié)構(gòu)為例做些說(shuō)明。(1)為滿足水平向減震系數(shù)ψ的要求,隔震砌體結(jié)構(gòu)的基本周期T1應(yīng)符合下式且不應(yīng)大于2.0s和5倍設(shè)計(jì)特征周期的較大值:ψ=√2η2(Τgm/t1)γ(7.3)ψ=2√η2(Tgm/t1)γ(7.3)式中η2——影響系數(shù)的阻尼調(diào)整系數(shù);γ——影響系數(shù)的曲線下降段衰減指數(shù);Tgm——砌體的設(shè)計(jì)特征周期,根據(jù)本地區(qū)所屬的設(shè)計(jì)地震分組確定,小于0.4s時(shí)按0.4s采用。因此,對(duì)于設(shè)計(jì)地震第一組的I、II類場(chǎng)地,Tgm取0.4s,無(wú)鉛芯的隔震墊的阻尼比取0.05,η2為1.0,γ為0.9,則水平向減震系數(shù)ψ為0.75、0.50、0.38,對(duì)應(yīng)的基本周期T1是0.81s、1.26s、1.72s。(2)隔震層的水平剛度Kh取各隔震墊水平動(dòng)剛度kj之和,可如下控制:隔震后砌體結(jié)構(gòu)的基本自振周期T1為:Τ1=2π√G/Κhg(7.4)T1=2πG/Khg??????√(7.4)式中G——隔震層以上結(jié)構(gòu)(含隔震層頂部梁板)的重力荷載代表值;Kh——隔震層的水平動(dòng)剛度;g——重力加速度。由式(7.3)和(7.4)可得Kh=4π2G/gT2121=25π2(0.7ψ)2.22G/g(7.5-1)由于kh=nΣj=1kj(7.5-2)因此,可由隔震后的基本周期或水平向減震系數(shù)得到隔震層的總水平剛度,再根據(jù)單個(gè)隔震墊的水平剛度得到所需的隔震墊數(shù)量。(3)隔震墊在罕遇地震作用下的水平位移和隔震墊的最小直徑可如下計(jì)算:剛度中心處:uc=λsα1(ζeq)G/Κh(7.6-1)任一隔震墊:ui=βiuc(7.6-2)隔震墊最小直徑:D=ui/0.55(7.6-3)式中uc——層剛度中心處水平位移;λs——系數(shù),丙類建筑取1.0;α1(ζeq)——地震下的地震影響系數(shù)值,設(shè)計(jì)地震第一組的I、II類場(chǎng)地且阻尼比0.05時(shí),取α1(ζeq)=αmax(0.4/T1)0.9;βi——層扭轉(zhuǎn)影響系數(shù),應(yīng)取考慮扭轉(zhuǎn)和不考慮扭轉(zhuǎn)時(shí)隔震墊計(jì)算位移的比值。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)重心與隔震層剛度中心在兩個(gè)主軸方向均無(wú)偏心時(shí),邊隔震墊的扭轉(zhuǎn)影響系數(shù)不應(yīng)小于1.15;當(dāng)有雙向偏心時(shí),邊隔震墊的取值不小于1.2。利用式(7.4),可用隔震結(jié)構(gòu)基本周期表示隔震層剛度,于是,無(wú)偏心的砌體結(jié)構(gòu)邊隔震墊的水平位移us為us=1.15αmax(g/4π2)(0.4)0.9Τ1.11=125αmaxΤ1.118度時(shí)αmax取0.9,水平向減震系數(shù)ψ為0.75、0.50、0.38對(duì)應(yīng)的邊隔震墊位移us是89mm、145mm、204mm;相應(yīng)的隔震墊最小直徑是162mm、264mm、371mm。9度時(shí)αmax取1.4,相應(yīng)的隔震墊最小直徑是252mm、410mm、577mm。(4)隔震墊扭轉(zhuǎn)影響系數(shù)βi,矩形平面的隔震層且隔震墊均勻分布時(shí),可如下計(jì)算:βi=1+12esi/(a2+b2)(7.7)式中si——一個(gè)隔震墊與隔震層剛度中心在垂直于地震作用方向的距離;a、b——層平面的兩個(gè)邊長(zhǎng);e——結(jié)構(gòu)質(zhì)心與隔震層剛度中心的偏心距,取x方向偏心距ex和y方向偏心距ey按以下二式計(jì)算的較大值:e=√e2x+(0.85ey)2(7.8-1)e=√e2y+(0.85ex)2(7.8-2)7.4.4水平剪力的分配隔震墊的水平剪力應(yīng)根據(jù)隔震層在罕遇地震下的水平剪力按各隔震墊的水平剛度進(jìn)行分配。隔震墊與上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的連接件,應(yīng)能傳遞罕遇地震下各個(gè)隔震墊的最大水平剪力。7.5設(shè)計(jì)消能減壓的基本方法7.5.1地震反應(yīng)及結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)消能減震設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)罕遇地震下或設(shè)防烈度下預(yù)期的結(jié)構(gòu)位移控制要求,在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置一定數(shù)量的消能部件,通過(guò)增大整個(gè)結(jié)構(gòu)的阻尼來(lái)減少結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),并對(duì)設(shè)置消能部件的相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)。消能部件可由消能器及斜撐、墻體、梁或節(jié)點(diǎn)等支承構(gòu)件組成。消能器可采用速度相關(guān)型、位移相關(guān)型或其它類型。消能減震設(shè)計(jì)的基本步驟如圖7.3所示,當(dāng)結(jié)構(gòu)地震位移反應(yīng)計(jì)算結(jié)果未達(dá)到預(yù)期的位移要求時(shí),需重新選擇或布置消能部件,直至滿足要求為止。7.5.2新規(guī)范的地震影響系數(shù)曲線及對(duì)比(1)消能部件可根據(jù)需要沿結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向分別設(shè)置或僅在一個(gè)主軸方向布置。消能部件宜設(shè)置在層間變形較大的位置,其數(shù)量、規(guī)格和分布應(yīng)通過(guò)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的綜合分析合理確定,并有利于提高整體結(jié)構(gòu)的消能能力,形成均勻合理的受力體系,減少不規(guī)則性。(2)初步設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)預(yù)期的位移要求,通過(guò)新規(guī)范不同阻尼比的地震影響系數(shù)曲線來(lái)估計(jì)所需的附加阻尼。例如,在設(shè)計(jì)地震第一組的II類場(chǎng)地,要使基本周期1.0s的多層或中高層混凝土結(jié)構(gòu)的最大位移減少20%,按新規(guī)范5.1.5條,其阻尼比約需0.10,即消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比約為5%;要使位移減少30%,其阻尼比約需0.20,即消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比約為15%。又如,在設(shè)計(jì)地震第一組的III類場(chǎng)地,要使基本周期2s的高層鋼結(jié)構(gòu)的最大位移減少30%,其阻尼比約需0.09,即消能部件附加給高層鋼結(jié)構(gòu)的有效阻尼比約為7%,比混凝土結(jié)構(gòu)所需的附加阻尼明顯減少。當(dāng)附加的阻尼比超過(guò)20%時(shí),宜按20%計(jì)算。(3)設(shè)置消能減震部件的部位,除按計(jì)算確定外,應(yīng)采取便于檢查和替換的措施。7.5.3震反應(yīng)的分析方法(1)由于設(shè)置消能部件后不改變主體承載結(jié)構(gòu)的基本形式,除消能部件外的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍應(yīng)符合新規(guī)范對(duì)相應(yīng)類型結(jié)構(gòu)的要求。因此,計(jì)算消能減震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的關(guān)鍵是確定結(jié)構(gòu)的總剛度和總阻尼。(2)一般情況下,計(jì)算消能減震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)宜采用靜力非線性分析或非線性時(shí)程分析方法。對(duì)非線性時(shí)程分析法,宜采用消能部件的恢復(fù)力模型計(jì)算;對(duì)靜力非線性分析法,可采用消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比和有效剛度計(jì)算。(3)當(dāng)主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作階段時(shí),可采用線性分析方法作簡(jiǎn)化估算,并根據(jù)結(jié)構(gòu)的變形特征和高度等,按新規(guī)范5.1節(jié)的規(guī)定分別采用底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法。其地震影響系數(shù)的最大值η2αmax、衰減指數(shù)γ等參數(shù),可根據(jù)消能減震結(jié)構(gòu)的總阻尼比按新規(guī)范5.1.5條的規(guī)定采用。表7.4給出若干個(gè)對(duì)應(yīng)于不同阻尼比的地震影響系數(shù)的參數(shù)。(4)消能減震結(jié)構(gòu)的總剛度為結(jié)構(gòu)剛度和消能部件有效剛度的總和;消能減震結(jié)構(gòu)的總阻尼比為結(jié)構(gòu)阻尼比和消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比的總和。7.5.4節(jié)點(diǎn)與梁、板、墻節(jié)點(diǎn)的連接(1)根據(jù)消能器的規(guī)格尺寸和性能參數(shù),以及主體結(jié)構(gòu)設(shè)置部位的具體情況,設(shè)計(jì)消能部件的形式和尺寸。通常采用交叉支撐和人字支撐的形式,并根據(jù)附加阻尼的大小和所需位移控制行程進(jìn)行設(shè)計(jì)。(2)消能器與斜撐、填充墻、梁或節(jié)點(diǎn)的連接,應(yīng)符合鋼構(gòu)件連接或鋼與鋼筋混凝土構(gòu)件連接的構(gòu)造要求,并能承擔(dān)消能器施加給連接節(jié)點(diǎn)的最大作用力。(3)與消能部件相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,應(yīng)計(jì)入消能部件傳遞的附加內(nèi)力,并將其傳遞到基礎(chǔ)。(4)消能器及其連接構(gòu)件應(yīng)具有耐久性能和較好的易維護(hù)性。7.6消能衰減設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)7.6.1壓力應(yīng)變消能器及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)目前,常用的消能器有速度相關(guān)型和位移相關(guān)型兩類。速度相關(guān)型包括粘滯消能器和粘彈性消能器,位移相關(guān)型包括金屬屈服型消能器和摩擦型消能器,以下介紹不同類型消能器的主要特點(diǎn)。(1)粘滯消能器一般由裝滿液態(tài)阻尼材料的液缸和活塞組成,利用液體通過(guò)活塞的節(jié)流孔產(chǎn)生阻尼力,自身無(wú)剛度。液態(tài)阻尼材料為硅油,性能穩(wěn)定,價(jià)格較高。其阻尼的大小與消能器兩端相對(duì)移動(dòng)的速度有關(guān),消能器的力—速度關(guān)系曲線,可用速度的冪函數(shù)表示。當(dāng)相對(duì)位移最大時(shí),速度為零,阻尼力為零;當(dāng)相對(duì)位移為零時(shí),速度最大,阻尼力也最大。(2)粘彈性消能器通常由夾層的固體粘彈性材料組成,通過(guò)固體粘彈性材料的往復(fù)剪切變形耗散能量,有一定的初始剛度。其阻尼的大小與消能器兩端相對(duì)移動(dòng)的速度有關(guān),消能器的力—速度關(guān)系曲線,可用位移的線性函數(shù)和速度的冪函數(shù)相加表示。粘滯消能器和粘彈性消能器的性能,取決于頻率、溫度和應(yīng)變,而且呈非線性特征。(3)金屬屈服型消能器通常由軟鋼或合金材料制成。當(dāng)其受力達(dá)到某個(gè)規(guī)定值(閥限)時(shí),金屬屈服,消能器的剛度明顯降低,通過(guò)大變形耗散能量,具有豐滿的滯回特性。其構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉;但金屬材料在反復(fù)拉壓屈服時(shí)的疲勞性能影響其耐久性。(4)摩擦型消能器可用普通材料制作,依靠鎖緊力和材料的摩擦系數(shù)形成阻尼力。其對(duì)主體結(jié)構(gòu)有一定的附加剛度,自身僅具有理想彈塑性的特點(diǎn),需與主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件串聯(lián)形成雙線性滯回特性的阻尼耗能效果。主要問(wèn)題是形成摩擦力的固定的鎖緊力往往不能滿足不同設(shè)防烈度地震的消能要求,鎖緊力在整個(gè)使用期內(nèi)如何保持恒定等。7.6.2消能部件基本剛度的確定消能部件應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)提供足夠的附加阻尼,設(shè)計(jì)文件上應(yīng)注明對(duì)消能部件的性能要求;消能減震器的設(shè)計(jì)參數(shù)和耐久性應(yīng)由試驗(yàn)確定;并在安裝前對(duì)工程中所用各種類型和規(guī)格的消能器原型進(jìn)行抽樣檢測(cè),每種類型和每一規(guī)格的數(shù)量部應(yīng)不少于3個(gè),抽樣檢測(cè)的合格率應(yīng)為100%。消能部件的性能要求如下:(1)通常,消能器需在其兩端達(dá)到規(guī)定的相對(duì)位移、速度或承受規(guī)定的荷載下才開(kāi)始起作用,此規(guī)定值稱為初始閥限;在此之前,消能器相當(dāng)于一個(gè)剛性連接件,消能部件如同普通構(gòu)件參與結(jié)構(gòu)分析;此后,消能器形成非彈性的連接件,使消能部件的剛度發(fā)生明顯變化,對(duì)結(jié)構(gòu)提供規(guī)定的阻尼力;當(dāng)消能器兩端的相對(duì)位移達(dá)到某個(gè)極限值時(shí),消能器的消能作用失效。(2)速度相關(guān)型消能器無(wú)顯著的初始閥限,阻尼性能取決于速度,應(yīng)由試驗(yàn)提供設(shè)計(jì)容許位移、極限位移,以及在設(shè)計(jì)容許位移幅值下對(duì)應(yīng)于不同環(huán)境溫度、加載頻率為0.1～4Hz的滯回模型。速度線性相關(guān)型消能器與斜撐、墻體或梁等支承構(gòu)件組成消能部件時(shí),該支承構(gòu)件在消能器消能方向的剛度Kb可按下式計(jì)算:Κb=(6π/Τ1)Cv(7.9)式中Cv——消能器的由試驗(yàn)確定的相應(yīng)于結(jié)構(gòu)基本自振周期的線性阻尼系數(shù);T1——減震結(jié)構(gòu)的基本自振周期。(3)位移相關(guān)型消能器有明顯的初始閥限,其阻尼性能取決于作用力—位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系,應(yīng)由往復(fù)靜力加載來(lái)確定設(shè)計(jì)容許位移、極限位移和恢復(fù)力模型參數(shù)。位移相關(guān)型消能器與斜撐、墻體或梁等支承構(gòu)件組成消能部件時(shí),該部件的恢復(fù)力模型參數(shù)宜符合下列要求:△upy/△usy≤2/3(7.10-1)(Κp/Κs)(△upy/△usy)≥0.8(7.10-2)式中Kp——部件在水平方向的初始剛度;Ks——消能部件的結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度;upy——部件的屈服