PKPM隔震设计之实例工程解析

隔震设计之实例工程解析(一)中国建筑科学研究院PKPM设计软件事业部刘孝国2016.08.16•

1.减隔震结构设计的基本原理；•

2.隔震结构的基本要求；•

3.隔震设计的总体流程；•

4.确定结构隔震层的位置•

5.初步确定隔震结构的隔震目标；•

6.隔震支座介绍；一、减隔震结构设计基本原理减震隔震设计原理•

实际采取的地震对策分为“抗震”、“减震”及“隔震”三种机制：•

抗震是指通过强化建筑物骨架、增加耐力壁、设置斜支柱等，将整个建筑物牢牢固定住，使其可“承受住”地震的摇晃。•

减震是在建筑物地基与房梁中间安装可动式减震装置，借此吸收震动，使震动不易传导到建筑物上，从而“抑制”地震产生的摇晃。•

隔震是在建筑物基础与地基之间安装可动式隔震装置，借此使震动分散开来，通过使建筑物与地基脱离，从而“避免”受到地震摇晃的影响。减震隔震设计原理•

抗震、隔震、减震的地震能量吸收方法：•

耐震：将“地震能源”作为建筑物框架的变形及损坏吸收；•

减震：利用集中在减震装置的黏弹性体（橡胶及弹簧等）上而引起的变形吸收“地震能源”•

隔震：利用隔震装置的黏弹性体（橡胶及弹簧等）吸收“地震能源”减震隔震设计原理•

天空之城——免震减震隔震设计原理•

规范反应谱减震隔震设计原理•

减小地震作用，主要减小地震影响系数α：•

1.减小地震影响系数最大值αmax；•

2.增大结构阻尼比ζ；•

3.增大结构周期T；•

4.减小特征周期Tg；减震隔震设计原理•

抗震规范对于大阻尼地震影响系数的调整：减震隔震设计原理减震隔震设计原理•

结构剪力、结构位移与结构阻尼、周期之间的关系：减震隔震设计原理•

不同场地的地震作用反应谱：减震隔震设计原理•

隔震结构的基本规律：•

1.隔震装置的水平刚度越小，隔震结构的自振周期延长的越长，上部结构的加速度（或剪力）的减小越多，但同时会增加结构的位移响应。•

2.增加隔震结构的阻尼，会减少上部结构的加速度（或剪力）响应，同时也会减小隔震层位移增加的趋势。因此，增加结构的阻尼对改善隔震效果非常有利，阻尼过大的时候就无法继续起作用。•

3.隔震建筑更宜建造在坚硬场地上。减震隔震设计原理•

0=0.02+（0.05-ξ）/(4+32ξ)，得ξ=0.36；•

0.55=1+（0.05-ξ）/(0.08+1.6ξ)，得ξ=0.307；•

η

，η

要同时减小，阻尼比最大增加到30%，最12大附加阻尼比25%二、隔震结构设计的基本要求隔震设计对结构要求•

1.结构高宽比宜小于4，且不应大于相关规范规程对非隔震结构的具体规定，其变形特征接近剪切变形，最大高度应满足本规范非隔震结构的要求；高宽比大于4或非隔震结构相关规定的结构采用隔震设计时，应进行专门研究。•

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。•

高宽比大于4，需要做超限审查。隔震设计对结构要求•

2.建筑场地宜为I、Ⅱ、Ⅲ类，并应选用稳定性较好的基础类型。•

3.风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%。•

4.隔震层应提供必要的竖向承载力、侧向刚度和阻尼；穿过隔震层的设备配管、配线，应采用柔性连接或其他有效措施以适应隔震层的罕遇地震水平位移。隔震设计对结构要求•

5.隔震建筑结构梯形宜规则、对称。•

6.隔震技术对低层、多层以及高层建筑均比较适合，对基本周期小于1.0s的建筑结构减震效果最佳，但不仅限于基本自振周期在1s内的结构。•

7.偏心率控制在3%以内，确保隔震层的变形能力。•

8.抗震设防目标一般可高于非隔震建筑。•

9.采用隔震技术，上部结构剪重比依然要满足本区设防烈度的最小剪重比要求。隔震设计对结构要求•

3.8.2.采用隔震或消能减震设计的建筑，当遭遇到本地区的多遇地震影响、设防地震影响和罕遇地震影响时，可按高于本规范第1.0.1条的基本设防目标进行设计。•

按抗规规定进行隔震设计，还不能做到在设防烈度下上部结构不受损坏或主体结构处于弹性工作阶段的要求，但与非隔震或非消能减震建筑相比，设防目标会有所提高，大体上是：当遭受多遇地震影响时，将基本不受损坏和影响使用功能；当遭受设防地震影响时，不需修理仍可继续使用；当遭受罕遇地震影响时，将不发生危及生命安全和丧失使用价值的破坏。隔震结构应用范围及适用条件•

隔震技术适用于地震设防区的各类中、低层一般工业与民用建筑，包括剪力墙结构、框剪结构、框架结构、底框结构及砌体结构。隔震结构应用范围及适用条件•

以下建筑优先考虑采用隔震技术:•

1.地震时要求有更大生命安全保障的各类学校校舍建筑及医院所属各类建筑；•

2.地震时不能损坏信息系统和重要设备的建筑物，如银行、通信等部门所属的各类建筑；•

3.地震后不能发生次生灾害的建筑物，如高危试验室、存放爆炸物、有毒品的建筑；•

4.对抗震安全性和使用功能有较高要求或者特殊要求的建筑，如地震时候不能够停止使用的指挥机关、公安消防部门等所属建筑。隔震效果及经济性隔震效果及经济性•

隔震结构在基础与上部结构间设置了隔震支座，隔震支座产生较大位移，但上部结构基本为平移，层间位移角很小，上部结构加速度响应可减小到传统抗震结构的1/5~1/3，地震中上部房屋结构构件及内部设施基本没有损坏。隔震效果及经济性•

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加速度反应降低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和人员的地震安全性，增加了震后建筑物继续使用的功能。隔震效果及经济性•

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，但是减小了梁柱截面，降低了结构构件抗震构造措施，节约了钢材和混凝土用量。对于高烈度区，采用隔震技术经济性十分明显。•

一般情况下，在7度区主体工程造价隔震结构与非隔震结构可持平；8度区可节约主体工程造价的3~6%；9度区可节约造价5~10%。三、隔震结构设计总体流程隔震结构设计总体流程•

我国的规范对隔震结构的设计采用分部隔震设计方法，即整个隔震结构的设计分成四部分：上部结构设计、隔震层设计、下部结构设计和基础设计。隔震结构设计总体流程隔震设计流程•

1.确定隔震层的位置；•

2.明确减震目标和设防标准；•

3.基础隔震方案选择、上部结构布置及初步计算；•

4.根据上部计算的支座反力进行隔震层结构布置；•

5.上部结构带隔震层结构计算分析

，并按照基本地震计算确定减震系数;•

6.

根据减震系数确定减震之后的地震影响系数最大值，然后进行减震结构上部设计；•

7.隔震层及隔震支座验算（支座在重力荷载代表值下的最大压应力、罕遇地震下支座拉应力、支座水平位移验算、偏心率验算、屈重比验算等）；隔震设计流程•

8.下部支承结构设计（下部支承结构按照中震进行正截面设计，按照罕遇地震进行斜截面设计）；•

9.基础设计及地基处理（基础按照正常结构进行设计）；•

10.明确隔震支座连接安装设计要求

；•

11.撰写“基础隔震设计分析报告”（供专项审查）。隔震设计软件处理•

1.按照减震目标，布置隔震层以上的结构体系隔震设计软件处理•

1.按照减震目标，布置隔震层以上的结构体系（隔震层顶部的梁板体系，柱为上支墩）隔震设计软件处理•

2.模型底部铰接，根据计算的上部结构竖向荷载，可初步选定隔震支座的规格型号，进行隔震结构设计的初步设计。依《抗规》第12.2.3条规定，隔震支座在重力荷载代表值的竖向压应力下不应超过《抗规》表12.2.3的规定。隔震设计软件处理•

3.隔震层相关定义：以特殊构件补充定义方式布置“隔震支座柱”隔震设计软件处理SATW

隔震支座的定义与布置隔震设计软件处理•

提供常用型号隔震支座库•

可以输入支座等效阻尼系数或等效阻尼比•

可以输入支座验算所需各种参数隔震设计软件处理•

提供隔震支座产品库，供用户选择隔震设计软件处理•

也可以将支撑定义为隔震支座支撑隔震设计软件处理•

PMSAP除上述方式外还提供更灵活的通用布置方式隔震设计软件处理隔震设计软件处理•

4.隔震结构的分析•

隔震支座以剪切变形为主•

不计隔震支座拉压刚度差异影响，避免支座受拉隔震设计软件处理•

可以输入阻尼系数或等效阻尼比•

阻尼系数由支座等效阻尼比按能量等效原则换算•

竖向可以认为无附加阻尼基础隔震设计软件处理•

隔震结构不满足比例阻尼假定•

实振型分析方法（SATWE、PMSAP）强制解耦应变能加权平均CQC组合•

复振型分析方法（PMSAP）CCQC组合隔震设计软件处理•

SATWE采用振型分解反应谱法计算整体结构的地震作用隔震设计软件处理•

5.隔震层的•

SATWE程序可自动生成小震模型、中震模型、大震模型及非隔震模型四个子模型•

用户根据不同设计需要选择不同模型的结果隔震设计软件处理•

参数设置•

可进入每个子模型逐个支座修改等效刚度和阻尼•

如果仅仅为计算减震系数可只生成两个子模型隔震设计软件处理•

比较“中震隔震模型”和“中震非隔震模型”相关结果，确定水平向减震系数•

程序提供了文本比较功能隔震设计软件处理•

SATWE、PMSAP采用统一的隔震支座验算可查看任意工况与组合下隔震支座的位移与内力验算重力荷载代表值下的压应力验算最大拉应力验算最大压应力验算罕遇地震下支座位移验算验算隔震层上部结构重心、刚度中心验算隔震层屈重比隔震设计软件处理•

可查看任意工况与组合下隔震支座的位移与内力隔震设计软件处理•

上部结构重心、刚度中心—一般偏心不宜超过5%隔震设计软件处理•

隔震层屈重比

（限制非地震作用引起的总水平力不宜超过总重力的10%）隔震设计软件处理•

隔震支座应力验算---重力荷载代表值下的压应力隔震设计软件处理•

隔震支座应应力隔震设计软件处理•

隔震支座水隔震设计软件处理•

6.确定减震系数，再确定减震后的地震影响系数最大值，进行上部结构的设计。隔震设计软件处理•

7.下部支承结构设计（下部支承结构按照中震进行正截面设计，按照罕遇地震进行斜截面设计）隔震设计软件处理•

8.基础设计及地基处理（基础按照正常结构进行设计）•

9.明确隔震支座连接安装设计要求

；•

10.撰写“基础隔震设计分析报告”（供专项审查）。四、隔震结构隔震层位置确定隔震层的位置确定隔震层的位置确定•

对于没有地下室的建筑，需要增加一层作为隔震层，这一层应采用梁板式楼盖，该层顶部梁板刚度和承载力宜大于一般楼盖梁板刚度和承载力。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。这一要求的主要目的是为了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”。隔震层的位置确定•

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。绝大多数情况下放在地下室柱顶，这样可以减少单独设置隔震造成的费用增加，使得隔震建筑具有良好的经济性。隔震层的位置确定•

对于地下室层高比较高的建筑，隔震层应该放置在地下室这一层，由于抗规1.2.9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、水平力及力矩进行承载力验算。如果将隔震支座设置在柱顶，必然会导致下支墩高度很高，计算长度很大，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，还可以单独做一隔震层。隔震层的位置确定•

对于有人防要求的建筑，其隔震层应设在人防地下室的上面一层。隔震层的位置确定•

大底盘多塔结构，考虑到大底盘可能用作车库或者商场，大底盘层柱距较大，为不影响大底盘底层的使用功能，可将隔震层设置在大底盘层上面一层，即在上部结构与大底盘之间，专门设置层高1.5-2.0米的隔震层。隔震层的位置确定•

按照抗规12.2.8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承载力和刚度。•

总之，隔震层位置需要根据工程具体分析，要结合结构形式、有无地下室、周边的环境来综合确定。基础隔震设计特点•

基础隔震建筑结构是指在建筑物上部结构与基础之间设置隔震层，以延长结构自振周期、增大结构阻尼、阻隔地震能量的向上传递，减小输入上部结构的地震作用，减轻上部结构地震破坏的一种成熟新技术。基础隔震设计特点•

基础隔震建筑结构的特点主要是：•

一是机理清晰；•

二是隔震层隔震构造较复杂；•

三是隔震结构的设计层次多且计算较复杂；•

四是隔震支座的连接和安装要求高。基础隔震设计特点•

基础隔震结构的多层次设计（上部结构、隔震层顶梁板体系、隔震层、支承结构层、基础、地基）基础隔震设计特点•

基础隔震不是结构专业一个专业设计的问题，是各专业工种（建筑、结构、水暖电）间相互密切配合完成的一项完整的设计任务，五专业缺一不可。五、初步确定隔震结构的隔震目标确定隔震结构的隔震目标•

采用基础隔震新技术后，综合考虑经济与安全因素，对一般的橡胶支座，可将隔震后结构的水平地震作用大致归纳为比非隔震时降低半度、一度和一度半三个档次。（竖向地震不降低）确定隔震结构的隔震目标•

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%。确定隔震结构的隔震目标•

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如下所示：确定隔震结构的隔震目标•

规范中没有8度(0.30g)和7度(0.15g)抗震措施的规定，因此，当β≥0.40时抗震措施不降低，对于7度(0.15g)设防时，即使β＜0.40，隔震后的抗震措施基本上不降低。•

隔震层对竖向地震作用没有隔振效果，与抵抗竖向地震作用有关的抗震构造措施不应降低。对钢筋混凝土结构指墙、柱轴压比规定。确定隔震结构的隔震目标•

抗规构造措施的提高：•

抗规3.3.3条：建筑场地为Ⅲ、Ⅳ类时，对设计基本加速度为0.15g和0.3g的地区，除本规范另有规定外，宜分别按照抗震设防烈度8度（0.2g）和9度（0.4g）时各抗震设防类别建筑的要求采取抗震构造措施。确定隔震结构的隔震目标•

抗规构造措施的降低：•

抗规3.3.2建筑场地Ⅰ类时，对甲乙类建筑应按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施；对丙类建筑应允许按照本区抗震设防烈度的降低一度的要求采取抗震构造措施，但设防烈度为6度时，仍应按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。确定隔震结构的隔震目标•

需要注意的是：•

1.当地的抗震设防烈度并没有降低，仅仅水平地震作用降低。•

2.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。•

3.降低一度半也仅指降低水平地震作用，竖向地震用仍保持不变，特别对于高烈度地区，隔震建筑设计中考虑的竖向地震作用比传统抗震建筑大很多。确定隔震结构的隔震目标•

4.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。六、隔震支座性能介绍隔震支座的分类及参数•

《叠层橡胶支座隔震技术规程》（CECS126:2001）•

《橡胶支座（第3部分：建筑隔震橡胶支座）》GBT20688.3-2006•

国内常用隔震叠层橡胶支座包括：天然橡胶支座（LNR）、铅芯橡胶支座（LRB）和高阻尼橡胶支座（HDR）隔震支座的分类及参数•

由于橡胶支座能通过剪切变形使上、下部地震运动隔离，且具有构造简单、加工制造容易、用钢量少、成本低廉、安装方便等优点，因而成为最常用的一种隔震支座。隔震支座的分类及参数•

天然橡胶支座及高阻尼橡胶支座：隔震支座的分类及参数•

铅芯橡胶支座：隔震支座的分类及参数隔震支座的性能•

各类隔震支座的产品注能必须经检验合格，并提供以下性能指标：•

1.在轴压应力设计值作用下的竖向刚度与变形性能；•

2.竖向极限压应力；•

3.在水平位移为0.55倍有效直径时的竖向极限压应力；•

4.竖向极限拉应力；•

5.在轴压应力设计值作用下，水平剪切应变分别为50%，100%，250%，且相应的水平加载频率分别为0.3Hz、0.2Hz，0.1Hz时的有效水平刚度和有效阻尼比；隔震支座的性能•

8.轴压应力设计值值作用下的水平极限应变能力；•

9.耐久性能，包括老化性能、徐变性能和疲劳性能;•

10.各种相关性能，包括在不同竖向轴压应力、水平剪切应变、水平加载频率、环境温度下的水平刚度和阻尼比的变化率；•

11.耐火性能•

12.有特殊要求的性能，如抗腐蚀性，耐水性等；•

13.对有芯型或其他含有阻尼装置的隔震支座，并应提供在轴压应力设计值作用下的水平剪切屈服剪力、屈服前水平刚度和屈服后水平刚度；隔震支座的性能隔震支座的性能隔震支座相关参数解释•

第一形状系数：支座中单层橡胶层的有效承压面积与其自由侧面表面积之比•

第二形状系数：圆形支座，为内部橡胶层直径与内部橡胶总厚度之比；对于矩形或者方形支座，为内部橡胶层有效宽度与内部橡胶总厚度之比。•

橡胶保护层：包括在内部橡胶和内部钢板外侧面的橡胶层•

有效承压面积：支座承受竖向荷载的面积，等于内部橡胶的平面面积。隔震支座相关参数解释•

名义压应力：制作厂提供的隔震橡胶支座允许承受的压应力。•

最大压应力：地震作用于隔震橡胶支座上的最大压应力•

设计压应力：设计采用的作用于支座上的压应力软件中隔震支座相关参数隔震支座等效刚度与阻尼比•

支座水平等效刚度计算隔震支座等效刚度与阻尼比•

设防地震与罕遇地震的等效刚度及阻尼比计算•

中震：剪切变形100%的等效刚度与等效阻尼比；•

罕遇地震：剪切变形250%的等效刚度与等效阻尼比隔震支座等效刚度与阻尼比•

非比例阻尼强行解耦法计算附加阻尼比隔震支座等效刚度与阻尼比对隔震支座应力应变要求对隔震支座应力应变要求•

对于变形要求：对隔震支座应力应变要求•

经过试验，满足s1≥15和s2≥5且橡胶硬度不小于40时，最小的屈曲应力值为34.0MPa。当橡胶支座发生水平位移后，受荷面积比轴压时减很多，支座压应力远大于轴压时的压应力，当水平位移为0.55D时，受荷面积仅为0.256D2，以该有效受压面积得到的平均应力达到最小屈曲应力作为控制橡胶支座稳定的条件，取容许剪切变形为0.55D（D为支座有效直径），则可得本条规定的丙类建筑的压应力限值:对隔震支座应力应变