隔震建筑的抗震設(shè)計(jì)

隔震建筑的抗震設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)隔震建筑的原則是盡量減少上部結(jié)構(gòu)的地震作用，并將隔震支架的變形控制在所允許的有限變形范圍內(nèi)。上部結(jié)構(gòu)吸收的能量與隔震層相比非常少,若上部結(jié)構(gòu)能夠抵抗與其剛體狀態(tài)相稱的地震作用,就能從為確保通常建筑物所要求的能量吸收能力的種種制約條件中解放出來。另外通過排除隔震層的偏心,基本上能夠消除由上部結(jié)構(gòu)的能量和剛度偏心所引起的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的不良影響。因此,隔震建筑和傳統(tǒng)的建筑相比,前者的設(shè)計(jì)自由度更大。1設(shè)計(jì)地震動(dòng)輸入中的反應(yīng)模型(1)隔震建筑由基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、隔震支座和阻尼器構(gòu)成的隔震層、以及上部結(jié)構(gòu)組成。(2)對(duì)于地震作用以外的荷載和外力,隔震建筑的設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同。(3)在研究設(shè)計(jì)地震動(dòng)輸入時(shí)的建筑反應(yīng)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)隔震層和上部結(jié)構(gòu)。這些分析研究可以對(duì)建筑物的橫向和縱向獨(dú)立進(jìn)行。(4)假設(shè)上部結(jié)構(gòu)為剛體時(shí),適當(dāng)配置隔震支座和阻尼器避免隔震層出現(xiàn)偏心。根據(jù)設(shè)計(jì)地震動(dòng)輸入反應(yīng)分析所得到的隔震支座的最大位移和最大軸力,以及阻尼器必要的能量吸收能力,要確保在各隔震裝置的容許值范圍內(nèi)。(5)針對(duì)設(shè)計(jì)地震動(dòng)作用下的應(yīng)力,可以對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行容許力設(shè)計(jì)。(6)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)建筑一樣,要使其不發(fā)生過度沉降、轉(zhuǎn)動(dòng)或水平移動(dòng)。2自適應(yīng)的特性考慮到抗震設(shè)計(jì)的悠久歷史,隔震結(jié)構(gòu)這種新結(jié)構(gòu)形態(tài)適用的抗震設(shè)計(jì)必須要考慮以下因素:(1)保留以往抗震設(shè)計(jì)的思路和方法;(2)充分考慮隔震結(jié)構(gòu)的固有特性。地震輸入到建筑物的總能量與建筑物的基本自振周期和總質(zhì)量有關(guān),幾乎不受質(zhì)量分布、強(qiáng)度分布和剛度分布的影響。輸入到建筑物的總能量在建筑物的各部分如何分布,只與各層的剛度和強(qiáng)度有關(guān)。已往的抗震設(shè)計(jì)法的目標(biāo)歸納為:建筑物在保證各部分構(gòu)件不破壞的前提下完全吸收輸入到建筑物的能量。而隔震結(jié)構(gòu)是使隔震層的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上部結(jié)構(gòu)的剛度,同時(shí)使地震輸入的總能量(稱總輸入能量)全部集中作用在隔震層的結(jié)構(gòu)。為抑制隔震層最大變形而引進(jìn)了吸收能量的裝置——阻尼器,這樣輸入到上部結(jié)構(gòu)的能量就很少,從而那些要求一般建筑物必須具有塑性能量吸收能力的約束條件也就不存在了。對(duì)照抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo),隔震結(jié)構(gòu)也并非很特別的結(jié)構(gòu),它與普通結(jié)構(gòu)相比,能夠把能量集中在隔震層,因此可以避免有關(guān)能量分布預(yù)測(cè)的不確定性,是一種簡(jiǎn)明的結(jié)構(gòu)形式。3振動(dòng)結(jié)構(gòu)體系的模型化分析模型要能夠反映隔震結(jié)構(gòu)的特性,要根據(jù)不同的目的來設(shè)置適當(dāng)?shù)姆治瞿Ｐ汀?.1結(jié)構(gòu)模型的不足建筑結(jié)構(gòu)存在于三維空間里,為了精確描述結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的特性,按三維空間來處理結(jié)構(gòu)和動(dòng)力現(xiàn)象能夠達(dá)到最高的分析精度,也能夠直接得到各構(gòu)件的反應(yīng)值這一點(diǎn)對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)也同樣適用。雖然隔震結(jié)構(gòu)也可以建成三維空間模型,但在反應(yīng)分析時(shí)只需能達(dá)到目標(biāo)精度就己經(jīng)足夠了,不必去采用過于復(fù)雜的模型。上部結(jié)構(gòu)為十分堅(jiān)固的彈性設(shè)計(jì)的隔震建筑中,由于地震時(shí)輸入的能量基本被隔震層吸收上部結(jié)構(gòu)自身的振動(dòng)對(duì)隔震層影響很小所以在研究隔震層時(shí)可以把上部結(jié)構(gòu)看作是剛體。若是研究隔震裝置對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響,則還是要同普通結(jié)構(gòu)一樣,把上部結(jié)構(gòu)設(shè)為多質(zhì)點(diǎn)模型。在設(shè)計(jì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí),多數(shù)情況下把上部結(jié)構(gòu)設(shè)為多質(zhì)點(diǎn)模型就足夠了。當(dāng)?shù)卣鹗嵌嗑S輸入地震或考慮扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí),才需要把上部結(jié)構(gòu)建立成立體的三維空間模型。3.2滯回曲線的設(shè)置(1)線彈性滯回曲線。彈性曲線是最簡(jiǎn)單的滯回曲線,線性隔震結(jié)構(gòu)隔震效果好且高階反應(yīng)小,但由于無阻尼參與,隔震層位移較大,一般不宜單獨(dú)采用。普通橡膠墊支座的滯回曲線為線彈性。(2)粘滯型滯回曲線。在線彈性隔震層附以粘滯阻尼器,隔震層滯回曲線為粘滯型滯回曲線。阻尼器布置多,滯回曲線越飽滿,結(jié)構(gòu)的高階反應(yīng)變的越顯著。(3)雙線性滯回曲線。在線彈性隔震層附以鉛擠壓阻尼器、滑移摩擦阻尼器或鋼阻尼器,隔震層滯回曲線可簡(jiǎn)化為雙線性滯回曲線。阻尼器的數(shù)量可決定滯回曲線的屈服系數(shù)和非線性系數(shù)。該滯回曲線模型最常用。3.3隔震裝置內(nèi)部分結(jié)構(gòu)模型對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)分析時(shí),一般不對(duì)隔震層下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型化,固定端多數(shù)設(shè)置在隔震裝置的下端。這是因?yàn)橄虏拷Y(jié)構(gòu)周期比隔震周期短得多,幾乎不會(huì)對(duì)上部結(jié)構(gòu)和隔震層的反應(yīng)帶來影響。3.4隔震機(jī)構(gòu)的偏心隔震結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)不僅僅是上部結(jié)構(gòu)和隔震層的偏心引起的,下部結(jié)構(gòu)的偏心、輸入相位差等輸入到隔震結(jié)構(gòu)的地震性質(zhì)的不同也會(huì)引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。下面是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)發(fā)生的原因。(1)上部結(jié)構(gòu)的偏心。上部結(jié)構(gòu)的偏心是由建筑物重量、荷載的偏差或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度偏差產(chǎn)生的,或者是由兩者復(fù)合而產(chǎn)生的。但是,隔震結(jié)構(gòu)中上部結(jié)構(gòu)是按彈性設(shè)計(jì)的,如果隔震層沒有偏心,則扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響就很小。(2)隔展層的偏心。相對(duì)于上部結(jié)構(gòu)的整體重心,隔震支座和阻尼器等隔震裝置整體剛心的偏心會(huì)帶來隔震層的偏心。對(duì)于相同的偏心距和偏心率,由隔震平面形狀、隔震裝置的位置、非線性特性引起的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響程度也不一樣。即使設(shè)計(jì)上不存在偏心,在高壓應(yīng)力下,特別是第二形狀系數(shù)小的小型夾層橡膠支座的剛度會(huì)降低。另外隔震支座和阻尼器制作上的偏差、上部結(jié)構(gòu)荷載變化等原因,都有可能引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。(3)下部結(jié)構(gòu)的偏心。下部結(jié)構(gòu)的偏心是由隔震層下部的地下層、或由基礎(chǔ)構(gòu)成的下部結(jié)構(gòu)的重量、剛心的偏心而產(chǎn)生的。具體有上部結(jié)構(gòu)平面形狀怪異、或同時(shí)利用直接基礎(chǔ)和樁的不同基礎(chǔ)的情況發(fā)生,但是由于地下部分為避免影響隔震性能的發(fā)揮會(huì)設(shè)計(jì)的十分堅(jiān)固,一般認(rèn)為下部結(jié)構(gòu)的偏心對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響很小。(4)隔震結(jié)構(gòu)的地震輸入。隔震結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)面積相當(dāng)大時(shí),由于地震動(dòng)平面上的不均勻性,多少會(huì)引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的發(fā)生。所謂相位差輸入的地震動(dòng)的不均勻性,是由地震波的表面波成分、體波的斜向輸入或周圍地基的不規(guī)則等引起的。若隔震結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)(下部結(jié)構(gòu))比包括隔震裝置在內(nèi)的上部結(jié)構(gòu)和地基在水平面內(nèi)的剛度大,那么相位差輸入的變化部分會(huì)引起基礎(chǔ)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng),