隔震、減震房屋設(shè)計(jì).ppt

第九章 隔震、減震房屋設(shè)計(jì),第一節(jié) 概述,傳統(tǒng)的土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法主要依靠結(jié)構(gòu)本身的性能來抵御地震作用，其目的是保證建筑物在地震作用下具有一定的承載力、剛度和延性，以滿足一定的抗震設(shè)防要求。,結(jié)構(gòu)隔震、減震控制是在工程結(jié)構(gòu)特定部位，設(shè)置某種控制裝置或機(jī)構(gòu)，因控制裝置本身隨結(jié)構(gòu)一起振動(dòng)變形而被動(dòng)產(chǎn)生控制力，改變結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼和質(zhì)量的大小及其在結(jié)構(gòu)體系中的分布，或者改變外荷載的傳遞途徑，以達(dá)到抑制工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的目的。,第二節(jié) 隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),1.隔震設(shè)計(jì)原理： 通過在結(jié)構(gòu)的特定部位，如層間、樓板處、廠房屋架及梁端等處設(shè)置某種裝置，將地震動(dòng)與結(jié)構(gòu)隔開，阻斷地震動(dòng)能量向建筑結(jié)構(gòu)輸入，其作用是減弱或改變地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)作用的強(qiáng)度或方式，以此達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。在許多應(yīng)用中，隔震裝置是安裝在結(jié)構(gòu)下面，即基礎(chǔ)部位，因此稱為“基礎(chǔ)隔震”?；A(chǔ)隔震是在結(jié)構(gòu)地面以上部分的底部設(shè)置隔震層，使之與固結(jié)于地基中的基礎(chǔ)頂面分開，限制地震動(dòng)向結(jié)構(gòu)物的傳遞，大大減少了上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而保證了建筑物的安全。,基礎(chǔ)隔震技術(shù)已在橋梁、建筑物中獲得了大量應(yīng)用，下圖所示為框架結(jié)構(gòu)隔震支座的設(shè)置。目前大約有三十多個(gè)國(guó)家在積極推廣基礎(chǔ)隔震技術(shù)。其中夾層橡膠墊隔震己較成熟，對(duì)短周期結(jié)構(gòu)控制效果較好，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也可以接受。但也有不足之處是：對(duì)豎向振動(dòng)一般沒有控制效果，影響上部結(jié)構(gòu)；對(duì)長(zhǎng)周期水平振動(dòng)存在共振危險(xiǎn)性，影響隔震層的安全。,2.隔震層的設(shè)置要求 ： 需要減少地震作用的多層砌體和鋼筋混凝土框架等結(jié)構(gòu)類型的房屋，采用隔震設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列各項(xiàng)要求： (1)結(jié)構(gòu)體型基本規(guī)則，不隔震時(shí)可在兩個(gè)主軸方向分別采用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的底部剪力法進(jìn)行計(jì)算且結(jié)構(gòu)基本周期小于1.0s；體型復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用隔震設(shè)計(jì)，宜通過模型試驗(yàn)后確定； (2)建筑場(chǎng)地宜為、類，并應(yīng)選用穩(wěn)定性較好的基礎(chǔ)類型； (3)風(fēng)荷載和其他非地震作用的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的總水平力不宜超過結(jié)構(gòu)總重力的10%； (4)隔震層應(yīng)提供必要的豎向承載力、側(cè)向剛度和阻尼；穿過隔震層的設(shè)備配管、配線，應(yīng)采用柔性連接或其他有效措施適應(yīng)隔震層的罕遇地震水平位移。,為了達(dá)到明顯的減震效果，隔震裝置或隔震體系必須具備以下基本特征。 (1)承載方面：隔震裝置必須具備較大的豎向承載力，安全地支撐上部結(jié)構(gòu)的所有重量和使用荷載。確保建筑結(jié)構(gòu)物在使用狀況下的絕對(duì)安全和滿足使用要求； (2)隔震特性：隔震裝置應(yīng)具有可變的水平剛度，在強(qiáng)風(fēng)和微小地震作用下，具有足夠大的水平剛度，使上部結(jié)構(gòu)水平位移不致過大；在強(qiáng)地震發(fā)生時(shí)，其水平剛度變小，使結(jié)構(gòu)地自振周期大大延長(zhǎng)，有效地隔開地面振動(dòng)； (3)復(fù)位功能：隔震裝置應(yīng)具有水平彈性恢復(fù)力，使結(jié)構(gòu)體在地震中具有瞬時(shí)自動(dòng)“復(fù)位”功能； (4)阻尼消耗特性：隔震裝置具有足夠的阻尼，具有較大的消能能力。,3.基礎(chǔ)隔震裝置的分類 ： 隔震系統(tǒng)是由隔震器、阻尼器和反應(yīng)控制裝置等部分組成。作為隔震系統(tǒng)，它必須具有上述幾方面的功能，必要時(shí)還須設(shè)置安全保險(xiǎn)構(gòu)造。 常用的隔震器有疊層橡膠支座、滑(轉(zhuǎn)動(dòng))支座和螺旋彈簧支座。疊層橡膠支座又包括普通疊層橡膠支座、鉛芯疊層橡膠支座和高阻尼疊層橡膠支座?；?轉(zhuǎn)動(dòng))支座有普通滑動(dòng)支座、回彈滑動(dòng)支座和曲面滑動(dòng)支座。常用的阻尼器有彈塑性阻尼器、粘性阻尼器、油阻尼器和干摩擦阻尼器等。 根據(jù)隔震器和阻尼器等的不同，常將基礎(chǔ)隔震裝置分為以下三種隔震體系： (1)疊層橡膠支座隔震體系 (2)摩擦滑移隔震體系 (3)混合隔震體系,4.隔震體系的計(jì)算方法 ： 隔震支座的設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是驗(yàn)算其豎向承載力和罕遇地震作用下的水平位移。 隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般采用分步設(shè)計(jì)法，隔震體系的計(jì)算簡(jiǎn)圖可采用剪切型結(jié)構(gòu)模型(如右圖)。一般情況下，宜采用時(shí)程分析法進(jìn)行計(jì)算；輸入地震波的反應(yīng)譜特性和數(shù)量,應(yīng)符合規(guī)范的規(guī)定；計(jì)算結(jié)果宜取其平均值；當(dāng)處于發(fā)震斷層10km以內(nèi)時(shí)，若輸入地震波未計(jì)及近場(chǎng)影響，對(duì)甲、乙類建筑，計(jì)算結(jié)果尚應(yīng)乘以下列近場(chǎng)影響系數(shù)：5km以內(nèi)取1.5，5km以外取1.25。,隔震層的水平動(dòng)剛度和等效粘滯阻尼比可按下列公式計(jì)算：,KhKj,eqKj j / Kh,式中 jj隔震支座由試驗(yàn)確定的等效粘滯阻尼比，單 獨(dú)設(shè)置的阻尼器時(shí)，應(yīng)包括該阻尼器的相應(yīng) 阻尼比； Kjj隔震支座(含阻尼器)由試驗(yàn)確定的水平動(dòng)剛 度，當(dāng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)動(dòng)剛度與加載頻率有關(guān)時(shí)，宜 取相應(yīng)于隔震體系基本自振周期的動(dòng)剛度值； eq隔震層等效粘滯阻尼比； Kh隔震層水平動(dòng)剛度。,(1)隔震層以上結(jié)構(gòu)應(yīng)采取不阻礙隔震層在罕遇地震下發(fā)生大變形的下列措施： 上部結(jié)構(gòu)的周邊應(yīng)設(shè)置防震縫，縫寬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； 上部結(jié)構(gòu)(包括與其相連的任何構(gòu)件)與地面(包括地下室和與其相連的構(gòu)件)之間，宜設(shè)置明確的水平隔離縫；當(dāng)設(shè)置水平隔離縫確有困難時(shí)，應(yīng)設(shè)置可靠的水平滑移墊層； 在走廊、樓梯、電梯等部位，應(yīng)無任何障礙物。,5.結(jié)構(gòu)的隔震措施 ：,(2)隔震層與上部結(jié)構(gòu)的連接，應(yīng)符合下列規(guī)定： 隔震層頂部應(yīng)設(shè)置梁板式樓蓋，且應(yīng)符合下列要求：應(yīng)采用現(xiàn)澆或裝配整體式混凝土板?，F(xiàn)澆板厚度不宜小于140mm；配筋現(xiàn)澆面層厚度不應(yīng)小于50mm。隔震支座上方的縱、橫梁應(yīng)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；隔震層頂部梁板的剛度和承載力，宜大于一般樓面梁板的剛度和承載力；隔震支座附近的梁、柱應(yīng)計(jì)算沖切和局部承壓，加密箍筋并根據(jù)需要配置網(wǎng)狀鋼筋。 隔震支座和阻尼器的連接構(gòu)造，應(yīng)符合下列要求：隔震支座和阻尼器應(yīng)安裝在便于維護(hù)人員接近的部位；隔震支座與上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的連接件，應(yīng)能傳遞罕遇地震下支座的最大水平剪力；隔震墻下隔震支座的間距不宜大于2.0m；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。,5.結(jié)構(gòu)的隔震措施 ：,(3)砌體結(jié)構(gòu)的隔震措施應(yīng)符合下列規(guī)定：,5.結(jié)構(gòu)的隔震措施 ：,當(dāng)水平向減震系數(shù)不大于0.50時(shí)，丙類建筑的多層砌體結(jié)構(gòu)，房屋的層數(shù)、總高度和高寬比限值,可按第四章中降低一度的有關(guān)規(guī)定采用； 砌體結(jié)構(gòu)隔震層的構(gòu)造應(yīng)符合下列規(guī)定：多層砌體房屋的隔震層位于地下室頂部時(shí)，隔震支座不宜直接放置在砌體墻上，并應(yīng)驗(yàn)算砌體的局部承壓；隔震層頂部縱、橫梁的構(gòu)造均應(yīng)符合規(guī)范關(guān)于底部框架磚房的鋼筋混凝土托墻梁的要求；,5.結(jié)構(gòu)的隔震措施 ：,丙類建筑隔震后上部砌體結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施應(yīng)符合下列要求：承重外墻盡端至門窗洞邊的最小距離及圈梁的截面和配筋構(gòu)造，仍應(yīng)符合第四章的有關(guān)規(guī)定；多層澆結(jié)普通粘土磚和澆結(jié)多孔粘土磚房屋的鋼筋混凝土構(gòu)造柱設(shè)置，水平向減震系數(shù)為0.75時(shí)，仍應(yīng)符合表5-9的規(guī)定；79度，水平向減震系數(shù)為0.5和0.38時(shí)，應(yīng)符合表9-1的規(guī)定，水平向減震系數(shù)為0.25時(shí)，宜符合表5-9降低一度的有關(guān)規(guī)定；混凝土小型空心砌塊房屋芯柱的設(shè)置，水平向減震系數(shù)為0.75時(shí)，仍應(yīng)符合表5-13的規(guī)定；，79度時(shí)，當(dāng)水平向減震系數(shù)為0.5和0.38時(shí)，應(yīng)符合表9-2的規(guī)定，當(dāng)水平向減震系數(shù)為0.25時(shí)，宜符合表5-13降低一度的有關(guān)規(guī)定；上部結(jié)構(gòu)的其他抗震構(gòu)造措施，水平向減系數(shù)為0.75時(shí)仍按第四章的相應(yīng)規(guī)定采用；79度，水平向減震系數(shù)為0.50和0.38時(shí),可按第四章降低一度的相應(yīng)規(guī)定采用；水平向減系數(shù)為0.25時(shí)可按第四章降低二度且不低于6度的相應(yīng)規(guī)定采用。,表9-1 隔震后磚房構(gòu)造柱設(shè)置要求,表9-2 隔震后混凝土小型空心砌塊房屋芯柱設(shè)置要求,第三節(jié) 減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),1.減震設(shè)計(jì)原理： 將結(jié)構(gòu)物中的非承重構(gòu)件(如支撐、剪力墻等)設(shè)計(jì)成耗能部件或在結(jié)構(gòu)物的某些部位(節(jié)點(diǎn)或連接處)裝設(shè)一些耗能阻尼器，如金屬阻尼器、摩擦阻尼器、粘彈性阻尼器等，通過耗能材料的摩擦、變形或粘性液體的流動(dòng)等引起的能量耗散來消耗結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量。在風(fēng)載和小震作用下，耗能部件或阻尼器處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)移剛度足以滿足正常使用要求；在強(qiáng)震作用下，耗能部件或阻尼器率先進(jìn)入非彈性狀態(tài)，耗散大部分地面運(yùn)動(dòng)傳遞給結(jié)構(gòu)的能量，同時(shí)對(duì)于耗能支撐，其軟化使結(jié)構(gòu)體系的自振周期加長(zhǎng)，降低了動(dòng)力反應(yīng)，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中免遭破壞或產(chǎn)生較大的變形，通常稱之為耗(消)能減震，也可看作是增加結(jié)構(gòu)阻尼的方法。,粘彈性阻尼器,摩擦阻尼器,彈塑阻尼器,2.減震層的設(shè)置要求： 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。消能部件宜設(shè)置在層間變形較大的位置，其數(shù)量和分布應(yīng)通過綜合分析合理確定，并有利于提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的消能減震能力，形成均勻合理的受力體系。 耗能減震體系按其耗能裝置的不同，可分為兩類： (1)耗能構(gòu)件減震 常見的有耗能支撐和耗能剪力墻； (2)阻尼器耗能減震 常見的有摩擦阻尼器、金屬阻尼器、粘性和粘彈性阻尼器、粘性液體阻尼器。 消能減震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)罕遇地震下的預(yù)期結(jié)構(gòu)位移控制要求,設(shè)置適當(dāng)?shù)南懿考Ｏ懿考捎上芷骷靶睋?、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)型或其他類型。,3.減震體系的計(jì)算方法： (1)計(jì)算原則 消能減震設(shè)計(jì)的計(jì)算分析，應(yīng)符合下列規(guī)定： 一般情況下，宜采用靜力非線性分析方法或非線性時(shí)程分析方法。 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第三章的規(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)可根據(jù)消能減震結(jié)構(gòu)的總阻尼比按第三章的規(guī)定采用。 消能減震結(jié)構(gòu)的總剛度應(yīng)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)的總阻尼比應(yīng)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。 消能減震結(jié)構(gòu)的層間彈塑性位移角限值，框架結(jié)構(gòu)宜采用1/80。,3.減震體系的計(jì)算方法：,(2)有效阻尼比和有效剛度的計(jì)算 消能部件附加的有效阻尼比可按下式估算：,aWc /(4Ws),式中 a消能減震結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比； Wc所有消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期位移下往復(fù)一周所消耗 的能量； Ws設(shè)置消能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能。,不計(jì)及扭轉(zhuǎn)影響時(shí)，消能減震結(jié)構(gòu)在其水平地震作用下的總應(yīng)變能，可按下式估算：,Ws(1/2) Fi ui,式中 Fi質(zhì)點(diǎn)i的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值； ui質(zhì)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的位移。,速度線性相關(guān)型消能器在水平地震作用下所消耗的能量，可按下式估算：,式中 T1消能減震結(jié)構(gòu)的基本自振周期； Cj第j個(gè)消能器由試驗(yàn)確定的線性阻尼系數(shù)； j第j個(gè)消能器的消能方向與水平面的夾角； uj第j個(gè)消能器兩端的相對(duì)水平位移。,位移相關(guān)型、速度非線性相關(guān)型和其他類型消能器在水平地震作用下所消耗的能量，可按下式估算：,WcAj,式中 Aj第j個(gè)消能器的恢復(fù)力滯回環(huán)在相對(duì)水平位移uj 時(shí)的面積。 消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比超過20%時(shí)，宜按20%計(jì)算。,4.結(jié)構(gòu)的減震措施 ：,消能器與斜撐、墻體、梁或節(jié)點(diǎn)等支承構(gòu)件的連接，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。消能器和連接構(gòu)件應(yīng)具有耐久性能和較好的易維護(hù)性。,