建筑结构隔震设计难点

2023/5/71建筑结构隔震设计

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目

录一、前言二、隔震结构的主要优缺点三、隔震结构的主要适用范围四、隔震结构的设计内容五、隔震支座以上部分设计六、隔震支座的设计七、隔震结构的抗风设计八、隔震支座以下结构（悬臂柱或地下室）的设计九、隔震结构的构造措施2023/5/73一、前言

1、隔震设计技术以前用的不是很多。所以对于设计师来说这项先进技术的应用就是科技创新。近年来一些新技术在已开始试用，比如曲屈支撑、预应力等，这都是可喜的突破。

2、据了解隔震设计在其他设计院采用的也不多。一般是设计院与隔震公司合作设计，设计院仅作常规设计部分，核心部分的设计通常由隔震公司完成。换言之，设计单位没有独立设计能力。

3、隔震设计比常规设计难的多，工作量大，所以难以推广。虽然有了设计规范，但隔震技术还处于“初期阶段”，许多问题还在研究探讨之中。

4、“落后就要挨打”。作为“国内一流、行业

领先”的设计院，必须尽快掌握这项新技术，否则只能自己称自己“领先”，就会从“瞧不起”到“看不懂”，再到“跟不上”。

5、于院长在2016年年中工作会上的讲话中，要求由技术质量部牵头，专家咨询中心和专业委员会通力配合，在技术创新方面有所突破。为了完成院长下达的任务，安排了这次培训。

6、由于这项技术比较难，如果没有反复深入的学习过这方面的知识，有些同事可能听不懂，估计培训效果不理想，不一定会获得大家的好评，可能会出力不讨好。但是总要有人作出“牺牲”，有人迈出这第一步。作为专家咨询中心，应当承担起这个责任，应当对中联院的技术创新起到引领作用。

2023/5/747、这次讲座厘清了隔震设计中的一些关键的概念和问题，比如小震、中震、大震、弹性、弹塑性、基本组合、标准组合、竖向地震、振型分解法、时程分析法等各用在什么情况下？这对大家今后的学习和设计肯定有帮助，大家可以对照着我的讲稿来设计。这也是安排这次讲座的另一个原因。

8、为了提高培训效果，这次采用理论与实例相结合的办法，看到实例就清楚了理论。

9、如果这次讲座大家收获不大，也请大家谅解。

二、隔震结构的主要优缺点

1、主要优点：提高结构在地震中的安全度（从震害调查看出）；减小隔震层以上部分构件的截面尺寸和配筋。

2023/5/752、主要缺点：综合造价高（隔震支座的设备和安装费大约是100元/平方米，不含土建增加费用）；设计麻烦；适用于部分建筑；不能减小竖向地震的作用。

三、隔震结构的主要适用范围

1、结构高宽比宜小于4，且不应大于非隔震结构的高宽比限值。超过时需要进行专门研究和专项抗震审查。主要适用于低层及多层。

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、推荐使用范围：重要的、有特殊要求的建筑，

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比如9度、8度（0.3g）等地震高烈度区，且地震时有特殊使用要求的建筑或地震后需要尽快回复使用功能的建筑。

四、隔震结构的设计内容

隔震结构是在普通结构的底部（基础顶）或下部结构与上部结构之间设置橡胶隔震支座。隔震结构分为四部分：隔震支座以上部分、隔震支座、隔震支座以下部分和基础。隔震支座的上面要设置一层短柱和梁板楼盖结构，其板厚不小于160mm。短柱和梁板楼盖构成计算模型的一层楼，与非隔震结构相比，这层是新加的，为了描述方便，称其为0层。0层的层高一般取为短柱的高度，梁柱截面按实际尺寸输入。当没有地下室时，需要在隔震支座的下面设置钢筋砼支柱；当有地下室时，隔

2023/5/77震支座直接放置在地下室柱顶。隔震支座以上部分属于上部结构，隔震支座以下部分属于下部结构。

橡胶隔震支座应具有整体复位功能。

隔震层能够延长整个结构体系的自振周期，减少输入上部结构的水平地震作用。隔震层的本质就是一种特殊的薄弱层，该薄弱层承载力可控，大震变形可控，且具有预定的复位功能等。隔震一般可使结构的水平地震加速度降低60%左右。即隔震后可使上部结构的设防烈度降低1~1.5度，不能降低2度，有1.5度时降低1.5度，没有1.5度时降低1度，因为没有6.5度。具体降低的烈度分档见表1。

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隔震结构基础的设计与常规设计相同，以下只介绍其他三部分的设计。

五、隔震支座以上部分设计

1、地震作用通过隔震支座后衰减，所以隔震支座以上部分是按照降低以后的烈度作为设防烈度，再按照小震、弹性、振型分解反应谱的方法进行设计。

2、隔震层以上结构一般降低1~1.5度，能否降低这个烈度，需要通过水平向减震系数β来控制。隔震后水平地震作用计算用的水平地震影响系数最大值通过公式αmax1=βαmax/ψ来计算，其中αmax1--隔震后的水平地震影响系数最大值；αmax—非隔震的水平地震影响系数最大值；β—水平向减震系数；对于多层建筑，为按弹性计算所得的隔震与非隔震各层层间剪力的最大比值。2023/5/710对于高层建筑，尚应计算隔震与非隔震各层倾覆力矩的最大比值，并与层间剪力的最大比值相比较，取二者的较大值；ψ—调整系数；一般橡胶支座，取0.8；支座剪切性能偏差为S-A类，取0.85；隔震装置带有阻尼器时，相应减少0.05。注：（1）弹性计算时，简化计算和反应谱分析时宜按隔震支座水平剪切应变为100%时的性能参数（产品样本提供）计算；当采用时程分析法时按设计基本地震加速度输入进行计算；（2）支座剪切性能偏差按现行国家产品标准《橡胶支座第3部分：建筑隔震橡胶支座》GB20688.3确定。

β值的计算，不论是采用弹性还是弹塑性计算，都要按照设防烈度（中震）计算。大多数是采用弹塑性2023/5/711时程分析的方法，规范推荐的底部剪力法和反应谱法这两种弹性计算方法一般少用，弹性时程分析法一般不用。采用的计算模型分别是隔震模型和非隔震模型。β值与隔震前后地震烈度的变化关系见前面表1。β值的计算见后面的例子。

3、隔震支座以上部分设计计算模型是将0层以下的隔震支座及以下部分取消，0层柱底铰接，0层作为地上一层，嵌固端在0层柱底。

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隔震层顶盖楼板厚不小于160，该层不是上部结构的嵌固处，是上部结构的底部在隔震层支座处的“收头”，规范对其配筋构造没有要求，可按照普通楼层板设计。建议按双层双向配筋，配筋率不小于0.20%。当有地下室时，地下室顶盖的楼板取消，嵌固端仍在地下室顶盖处（隔震支座底部），因为地下室按照罕遇地震作用计算，其强度、刚度都很大，可以作为上部结构的嵌固端。

4、隔震层以上结构的总水平地震作用不得低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用，并应进行抗震验算；各楼层的水平地震剪力尚应符合《抗规》

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第条对本地区设防烈度的最小地震剪力系数的规定。所以对于长周期的结构，即使采用了隔震结构，其设计计算的隔震效果很小或没有效果。

5、9度时和8度且水平向减震系数不大于0.3时，隔震层以上的结构应进行竖向地震作用的计算。计算方法同9度时非隔震结构。竖向地震作用标准值，8度（0.20g）、8度（0.30g）和9度（0.40g）时分别不小于隔震层以上结构总重力荷载代表值的20%、30%和40%。隔震层以上采用振型分解反应谱法计算时要查看竖向地震作用标准值，如果小于总重力荷载代表值的20%、30%和40%，就要放大竖向地震作用的组合系数，使其满足该要求。8度且水平向减震系数大于0.3时，按照隔震要2023/5/714求可以不考虑上部结构的竖向地震作用，但是如果满足《抗规》5.3节的条件，也需要计算竖向地震作用，按照这节的方法计算，但不需要满足隔震对竖向地震最小值的限值。

六、隔震支座的设计

1、用于隔震支座设计的隔震计算模型，是在0层柱的底下加入隔震支座，0层柱底铰接。隔震层以下部分取消，计算嵌固端在0层柱底。隔震层的刚度是按照隔震支座的计算参数，采用“Rubberisolator”软件模拟的。在隔震计算模型中将隔震支座取消，0层柱底固接，就得到非隔震计算模型，嵌固端仍然在0层柱底。

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2、隔震支座的设计和验算，一般采用隔震模型，在中、大震作用下，弹塑性时程分析的结果。

3、地震波，一般选用5条实际强震记录和2条人工模拟波，计算结果取平均值。多条时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。所谓“在统计意义上相符”指的是二者在主要振型周期点上相差不大于20%，即平均基底剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，每条地震波的计算结果不小于65%，也不能大于135%，平均不大于120%。选波三要素：频谱特性、有效峰值2023/5/716和持续时间。（1）频谱特性可用地震影响系数曲线表征，依据场地类别和设计地震分组；（2）有效峰值就是地震加速度的最大值，为了使地震波在统计意义相符，有效峰值可以调大或调小；（3）有效持续时间一般从首次达到该时程曲线最大峰值的10%那一点算起，到最后一点达到最大峰值的10%为止，持续时间一般取结构基本周期的（5~10）倍，即结构顶点可按基本周期往复（5~10）次。

【例】西安高新一小东校区教学楼左3隔震设计

(一).工程概况

1.工程名称:西安高新一小东校区教学楼左3

2.工程地点:西安

3.工程用途:学校

2023/5/7174.工程规模

(1)建筑面积：约4381.58m2；

(2)高度：建筑高度约为23.2m；

(3)层数：地上6层，地下1层。

5.主要自然条件

(1)场地类别：Ⅱ类；

(2)设计地震分组：第一组；

(3)特征周期：0.40s；

(4)抗震设防烈度：8度；

(5)设计基本地震加速度：0.20g；

(6)建筑抗震设防类别：重点设防类（乙类）

(7)基本风压：0.35kN/m2。

6.结构概况2023/5/718(1)结构类型：钢筋混凝土框架结构；

(2)抗震等级：二级（隔震后）；

(3)地基基础设计等级：乙级。

(二).计算参数及隔震支座选型布置

1.计算程序

程序名称：ETABS2013

程序功能：三维空间弹塑性时程分析及结构设计

2.ETABS模型建立

本工程使用大型有限元软件ETABS建立隔震与非隔震结构模型，使用连接单元“Rubberisolator”模拟橡胶隔震支座。本结构模型依据PKPM模型，使用YJK程序转换得到。ETABS模型如例图1所示。

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例图1结构有限元模型示意2023/5/7203.地震波设防烈度己下本工程云所选地震松动时程反葱应谱如例喂图2所示，翁结构基厦底剪力络比较见狐例表1。例图2地震动反啄应谱2023嗓/4/2游821由例表1可知，本任工程所选歇地震波满坐足《抗规阁》相关要寸求。2023阀/4/2暮8224、验算7条地震假波的符微合性时鸽，时程震分析采突用中震沈、弹塑并性、隔柿震模型疲，振型最分解反雪应谱法夸也是采绕用中震壁、弹性赢、隔震才模型。障采用中崭震是因到为《抗浪规》12.绸2.5条的注1规定：岭计算β粱值时，伞当采用副时程分摇析法时教按设计途基本地熔震加速烘度输入积进行计榜算。由互于弹塑烫性时程雾分析采外用的是揭等效刚深度计算观，与弹脸性时程偏分析的蒸结果相呆差不大唱（有计坏算比较塞），所滴以可以染用弹塑寄性时程派法与弹宪性反应舱谱法的棍结果直状接相比润，不算演矛盾。5、隔震柄支座选浴型布置隔震支座绣按照隔震弃模型在重宗力荷载代家表值作用穷下（1.0恒载+0.5活载）的歇竖向压应狭力不能超头过《抗规竖》表12.2搜.3的限值，江或者在重缎力荷载代扮表值作用荣下的竖向场力不超过匪隔震橡胶赠支座的竖笔向承载力味。据此初壳选隔202嫂3/4接/2823震支座蚀的型号织并布置骑，选择驴原则应束使压应肥力布置雾均匀，弦最大限龄度发挥殃隔震效之果。橡乏胶支座亦的竖向贸承载力蹦就是橡兴胶支座哑的截面廉面积乘挡以压应牲力的限留值，该龄承载力获也可以茶从隔震骂橡胶支量座的产更品样本殃中查到档。比如捧铅芯橡柳胶支座LRB偿500，有效直传径为500m壶m，有效舰截面为3.1竞4X2睁502=19煮625兽0mm2，1962凳50X1腿2=23末5500菜0N=2塌355k肥N，该值就狱是LRB5吊00的乙类抬建筑竖富向承载摊力。2023狗/4/2基824【例】4.隔震支烈座布置重力荷慎载代表乡丰值作用译下隔震食橡胶支请座的压乖应力如建例表2所示。蜻例表2橡胶隔震门支座在重立力荷载代染表值作用陵下（1.0恒载+0.贡5活载）葛的竖向放压应力202怠3/4欠/2825202孩3/4驳/2826由例表2可知，珠隔震支宵座重力揪荷载代副表值下发压应力万满足《着抗规》12.2签.3的要求南。本工程时选用铅迫芯橡胶随支座（LRB），隔震米支座相关幸力学性能自参数见例握表3。202归3/4晕/2827本工程箭的隔震协支座布肚置如例绕图3所示。例图3隔震支座驱编号及布丘置2023绩/4/2吃828例图3所示，轰该项目视共使用LRB5茧00（7个），LRB必550（4个），LRB7霸00（4个），LRB8框00（8个）。6、验算址隔震后扇两个方谨向的周叙期差。封《叠层令橡胶支雪座隔震浪技术规硬程》（CECS剂126:码2001）的4.1钟.3条规定：脂“隔震房撕屋两个方菊向的基本潜周期相差淋不宜超过皮较小值的30%”。隔佳震房屋贩在两个功方向的右基本周角期如果扁差别过李大，将省导致两家个方向樱隔震效勤果也差旨别较大饥，所以咱有必要酱限定两番者相差园不宜超遥过较小叮值的30%。所以两略个方向的桌周期差要跨验算。毙【例】饶隔震结构输与非隔震姨结构的周快期对比见浸例表4，隔震另后结构堆周期明坝显延长胶。由例纷表4可知，窃采用隔遣震技术拖后，两红个方向折的基本洒周期相激差为（2.74厘24-2宝.695哈0）/2.69储50=1怪.76%，满足规削范要求。202锋3/4屑/2829202乐3/4牵/28307、水平地乎震影响系巡寿数β的计袭算在设防地形震（中震虾）作用下姐，采用弹俘塑性时程沙分析法分爷别计算非元隔震模型社与隔震模掩型在每条医波下的X、Y向层间逐剪力和酿层间剪洁力比，担分别计估算出7条波下X、Y向层间剪让力比的平寄均值和最复大值，再顶选出隔震管层以上各乏层层间剪摧力比的最室大值，该蛋值即为水驰平向减震决系数β。笋【例】2023妖/4/2朗8312023效/4/2赴832202先3/4柿/28332023狡/4/2读834202爪3/4钞/2835由续表7可知，隔啦震与非隔宁震结构层舍间剪力比曾（7条时程抱波平均个值）最终大值为0.3盼76，故取β=0.3另76，根据泪表1，本工奖程取隔膛震后结冷构比非愿隔震结鸽构降低鞭一度设稼计，水汽平地震帅影响系马数最大奔值αmax质1=0.膊08。调整β值仁有3条路径尾：（1）将部榜分铅芯掠橡胶支昏座改为穗天然橡款胶支座值；（2）将橡胶谁类型由G6改为G4，G6代表橡盈胶的剪秀切弹性终模量的宜大小；雨（3）将部惩分支座瓶改为弹姑性滑移甜支座。8、隔震支庆座在罕遇新地震作用喉下的最大积水平位移艰验算《抗规造》12.2毯.6条规定五，隔震铃支座对证应于罕覆遇地震旅水平剪悼力的水息平位移市不应超怜过该支甲座有效谢直径的0.55倍和支座三内部橡胶区总厚度3.0倍二者哀的较小岗值。该拍计算202夏3/4炊/2836为设防烈么度的罕遇油地震下，绳采用隔震冈模型，采雅用（1.0恒载+0.5活载+1.0水平地震王）荷载(标准)组合，仙弹塑性粥时程分构析，计宝算出每谦一个支吼座在每闯一条波扰下的X、Y向支座尸剪力和讯支座位雪移，再龟分别算万出每个臣支座在7条波下X、Y向的支座索剪力平均炮值和支座茧位移平均绕值，在X、Y向的支座它位移平均心值中再选校出最大值送，最大值卖不应超过瓜支座最大懂位移限值劣。该组合灶是标准组趟合，用于灭计算位移缴，所以其亿支座最大燥剪力无用刻。【例】2023疤/4/2置837202乱3/4飘/28382023电/4/2洲8392023索/4/2彻8402023秧/4/2负841由续表8可知，在符罕遇地震亿作用下，派隔震层的县水平向最带大平均位嘴移为219熟mm。直径500支座的最衣大允许变附形：0.5淡5X5删00=俗275馋mm；96X欠3=2杆88m裕m，96为橡胶总聪厚度，取逼较小值为275m草m。最大平告均位移郑小于最狡大允许期变形，疏所以选成取的支党座满足鸽结构在公罕遇地筛震作用样下的水翻平变形选要求。9、隔震症支座在急罕遇地浓震作用滴下的最滴大压力注和最大棕拉力验酿算《抗规个》12.组2.4条规定，不隔震橡胶嚼支座在罕逮遇地震的生水平和竖喘向地震同妖时作用下女，拉应力俊不应大于1.00兵MPa。12.缎2.4条的条文姥说明（P454）中规定留在罕遇地古震的水平考和竖向地菌震同时作丈用下隔震润支座的最阔大压2023但/4/2献842应力不游应超过34M锹Pa（一般嗽取30M正Pa）。工捷况是隔富震模型窗、设防魔烈度的感罕遇地恨震、弹布塑性时隶程分析裕，最大居压应力圾（设计碎值）的朱荷载组惊合为：1.2（1.0恒载+0.糕5活载）+1.葱3水平地震+0.5竖向地震筋；最大拉乖应力（标嘉准值）的沙荷载组合班为：1.0恒载+1.悉0水平地袍震-0.5竖向地伟震。【例】202咽3/4谊/28432023里/4/2扛844202肢3/4竟/2845由例表9可知，望隔震支免座在罕则遇地震浓作用下陈的最大摊拉应力斧（7条波的平皇均值）均招小于1Mpa；最大锯压应力介为23.6规8MPa，小于30MP参a，满足《泉抗规》的师相关要求陶。

七、烧隔震结构沿的抗风设负计《抗规告》12.坚1.3条规定嫩，隔震抛结构在木风荷载斧和其他蚁非地震凯作用的橡水平荷咳载标准邀值产生鼠的总水旬平力不矿宜超过免结构总择重力的10%。另外这福个总水平许力也不能嫩超过各支斯座的水平崇设计承载嫌力之和，侮支座的水脊平设计承抵载力就是停产品样本煎中的屈服吉力。

【团例】风荷载作丸用下隔震虾层的水平省剪力标准麻值Vwk=714拳kN，结构圾总重力偶的10%即0.1姑X70太18X漏9.8扮1=6铃884窝kN。另外，黄抗风装置缓的水平承雾载力设计过值(隔震支座睬的水平屈迅服力)：2023六/4/2咱846VRw=62.增8X7+色76X4驶+123保.1X4封+160漂.8X8御=252虚2kN即：1.4Vwk=1.4判X714患=100亏0kN<至VRw<0.1绿Geq，抗风还设计满木足规范馆要求。八、隔课震支座摄以下结变构（悬笼臂柱或转地下室狐）的设蚁计《抗规》12.凯2.9条规定牺，隔震雷层的支开墩、支奏柱及相浙连构件帝，应采桑用隔震雨结构罕塞遇地震怪下隔震木支座底共部的竖逼向力、拜水平力铁和力矩队进行承酒载力验所算；隔响震层以抹下的结桑构（包吨括地下充室和隔解震塔楼秃下的底稠盘）中悼直接支草撑隔震厦层以上贡结构的旗相关构旗件，应晕满足嵌酿固的刚种度比和冒隔震后旦设防地尚震的抗托震承载校力要求惹，并按朵罕遇地赶震进行装抗剪承肿载力验泡算。罕遇地震潮作用下隔谈震支座的披最大剪力良、轴力和仇弯2023命/4/2哭847矩计算签采用的症荷载组供合是：1.2（1.0贞×恒荷载＋0.5镰×活荷载）佣＋1.3×水平地激震+0.5堆×竖向地震浴。根据以撞上要求计径算求得罕舌遇地震下能隔震支座棒的轴力P、剪力V以及附钟加弯矩M的设计值，驻用于支墩塔设计。将隔震讯支座及列以上部早分去掉芬，按照幼隔震支呆座验算屿时在设攀防烈度桃的大震莫，弹塑瞎性时程缠分析时愤得到的菜轴力P、剪力V和附加弯瞒矩M，将其作怒为静力荷泳载加到悬迎臂支柱或悬地下室柱首顶，不再塔计算地震袄作用（因京为P、V、M已经包含储了地震作筐用），采弓用PM+负SAT光WE软件按弃照弹性难计算，棚不再考爹虑承载徒力抗震寒调整系态数。如毯果是悬慕臂柱，腿侧面没帝有约束踏，作为谱地上结勺构计算申；如果哑是地下型室，周粮边有土某约束，浊按照埋列在地下喷计算；洋如果地均下周边纲只有部钉分约束坊，可以斩偏于安碰全的按凤照地上缴结构计抬算。2023绩/4/2喊848嵌固的无刚度比猪是指地已下一层副与地上从一层的吹剪切刚康度比。不考虑0层。【例】2023川/4/2各8492023坝/4/2待850九、隔震绞结构的构已造措施1、上部结躬构的周边赏应设置竖谅向隔震缝唤，缝宽不培宜小于各厅隔震支座阔在罕遇地