高烈度地震区结构隔震和消能减震设计.pdf

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浙江建筑，第33卷，第11期，2016年11月ZhejiangConstruction，Vo1．33，No．11，Nov．2016高烈度地震区结构隔震和消能减震设计DesignoftheStructuralSeismicIsolationandEnergyDissipationfortheHighIntensitySeismicRegion许楚平XUChuping(江苏省建筑设计研究院有限公司，江苏南京210019)摘要：以江苏银行宿迁分行和宿迁市公共卫生服务中心两个建筑实体为例，分析了高烈度地震区结构隔震与消能减震设计的过程。首先进行了高烈度地震区结构采用隔震及消能减震技术的可行性及必要性的分析，其次介绍隔震结构与消能减震结构的设计过程，并对隔震结构及消能减震结构整体抗震性能进行评价。最后，做出对隔震结构与消能减震结构设计方法的对比。分析结果表明：隔震及消能减震结构具有良好的抗震性能，在罕遇地震作用下，抗震性能表现良好。关键词：高烈度地震；隔震；消能减震中图分类号：TU352．1文献标志码：B文章编号：1008—3707(2016)11—0016—05震作用相应加大，结构层间剪力及位移将大幅度增1概述加，且很多构件有超筋现象发生，抗震性能不佳，较世界两大地震带在我国交汇，我国大部分地区难满足规范要求，也会影响建筑的正常使用功能。都是地震区，其中不少地区为高烈度地震区，如江苏《抗规》提供的隔震及消能减震(以下简称减震)抗省宿迁市。根据《建筑抗震设计规范(GB50011-震设计理论，主旨是“柔”——以柔克刚，用隔震减2010)》(以下简称《抗规》)宿迁市抗震设防烈度为震构件的变形来消耗地震作用所产生的能量。这8度(0．30g)，设计地震分组为第一组，水平地震影样，上部结构承受地震作用减小，结构层间剪力及位响系数⋯取值：小震0．24，中震0．68，大震移也相应减少，较易满足现有规范要求，抗震性能得1．20⋯。随着我国国民经济的发展，很多高烈度地到提高，这是抗震设计理论的新发展。目前，隔震与震区兴建了不少高层建筑。由于高烈度地震区高层减震技术已在许多地震频发的国家与地区得到广泛建筑承受的地震作用大，传统的抗震设计理论已不的应用，如日本新建筑几乎都要采用隔减震技术。能满足建筑设计的要求，需采用新的抗震设计方法有关国家对隔减震技术进行了深入的研究，积累了来解决问题。相当多的工程实践经验，并制定了隔减震技术设计指南或设计规程。我国2010版《抗规》也对隔2隔震及消能减震设计可行性及必要性分析减震有关规定进行了修订，为高烈度地震区采用隔通常作为公建的高层建筑一般采用框架剪力墙减震技术提供了更广泛的空间。根据国内外隔减震结构，在高烈度地震区如按传统方法设计，需加大框技术研究和工程实践经验，可认为隔震及减震技术架、剪力墙截面尺寸和数量，来抵抗较大的地震作是减轻建筑物地震灾害的有效技术¨。用。这样的设计，增加了结构本身的质量和刚度，地下面就笔者在高烈度地震区宿迁市采用隔减震收稿日期：2016—08一O2作者简介：许楚平(1964一)，男，江苏南京人，高级工程师，从事建筑结构设计工作。 第11期许楚平：高烈度地震区结构隔震和消能减震设计17技术设计的工程，简要介绍隔减震设计的全过程。3．1建立隔震计算模型该工程隔震分析采用ETABS软件，时程计算所3隔震设计需的地震波根据《抗规》要求选取，利用ETABS软江苏银行宿迁分行主体建筑地上16层，地下1件中的连接单元来模拟隔震支座，建立相应的隔震层，建筑高度61．2in，主要功能为营业、办公及业务用结构计算模型，上部结构计算采用SATWE软件。房等，部分楼层建筑平面见图1、图2，主体结构采用分别采用SATWE软件与ETABS软件对该工程非隔钢筋混凝土框架剪力墙结构。根据初步设计分析，如震结构模型进行分析，两种软件分析结果如质量、自采用传统抗震设计方法，因层间位移较大，需要增设振周期、层间剪力及层间位移角误差率均不大于较多的抗震墙才能满足规范要求；这样势必影响建筑5％，可认为ETABS软件建立的计算模型准确可靠，的正常使用功能，且大部分构件超筋，抗震性能不佳。可采用该模型进行隔震分析。采用隔震技术：在上部结构与地下室之间设置由橡胶3．2隔震支座的布置隔震支座及阻尼器组成的隔震层，以延长主体结构的该工程采用隔震结构后预期抗震目标：自振周期。这样，输入上部结构的地震作用将大幅度1)上部结构按抗震设防烈度降低一度即7度降低，也相应减小了层间剪力及层间位移角，从而可(0．15g)设计；满足规范设计要求，主体结构的抗震性能也得到提高。2)大震时上部结构层间位移角不大于1／100。江苏银行宿迁分行抗震设计概况等详见文献[8]。依据上述目标设置隔震层(层高2m)，并在其中布置橡胶隔震支座、阻尼器。布置要点：对称、控制偏心率，减小扭转效应；各隔震支座下压应力相差：：：⋯置J蹦越【_薪不大，且最大压应力满足《抗规》要求；具有足够的初始刚度，使主体结构在风载、微震等水平荷载作用l』Ti⋯i上_-—一jr_丁■门：lr1一r■下保持稳定；隔震支座屈服后应具有相应的水平刚Ij度，使主体结构在大震作用下具有抵御地震作用的i：{——一J⋯⋯⋯’⋯～_～⋯一‘●卜‘一一--⋯■一一⋯⋯■⋯⋯一⋯⋯一}：能力。为达到预期抗震目标，采用ETABS软件对隔}震结构进行多轮时程分析及优化，最终确定布置隔．⋯⋯，，⋯0二一一⋯⋯’一震支座共38个(铅芯橡胶支座32个、无铅芯橡胶支——吨r⋯-一-‘％~t座6个)，粘滞阻尼器共7组。隔震装置平面见—’n㈨l：⋯,'／Nfl⋯--·一⋯⋯}．图3、图4。10100l6200l2500I,L2fl~2g00l8700ll0100}。图12层平面图r。1LRB900*—．J⋯一苫一LRFITO0lI!l。’8l⋯；日詈一⋯—⋯一一j辞一={~jj：昌RB唁。。一一1'⋯l}·LUli}一m·{}I|一oo茹篇菰．RB0I三一-§l0。。厶，lI一一一⋯一一===一=⋯一8=窖一⋯冲t=一÷曩h●I簧}L—RB700苛一：=摊I⋯l=}霉I一一nl：m一=={}t扣。一j；一：：辱墨n：}n譬。∞bLRBTO0lE”嘈BLR~；LRBl目10：：LRBT00{：L：iD’I一一量一⋯目二：翊=l一，=‘={}一一一j{翌量LRB700委l。日一一1010010100‘图3隔震装置平面3．3隔震结构减震系数确定按设防地震烈度8度(0．30g)，采用ETABS软图2标准层平面图件对该工程非隔震模型和隔震模型进行时程分析。 浙江建筑2016年第33卷3．5隔震结构支墩及地下结构设计按《抗规》要求，将大震作用下各隔震支座的最大内力作用于支墩，用于支墩及地下结构的设计。l1122222333334抒9加2lO3454l7∞39如26"4减震设计宿迁市公共卫生服务中心主楼为地上13层，地下1层，建筑高度为54．9m，主要功能为试验、办公及业务用房等，主体结构采用钢筋混凝土框架剪力墙结构。根据初步设计分析，由于结构层间地震剪力较大，按照现有建筑平面布置剪力墙，层间位移不1ll2222233333能满足规范要求，5且大8部9分7构5件O超9犍筋O醯，抗8震O性3能7不5∞6如2"图4隔震层实景图佳。采用减震技术：在楼层布置软钢阻尼墙(位移结果显示，隔震结构在多遇地震作用下向及l，向相关型)，通过其相对变形给结构提供附加阻尼，以的层间位移角均不大于1／800，满足《抗规》的要求。消耗输入主体结构的地震作用⋯，相应减小结构的该工程采用隔震前后楼层剪力对比见表1。层间剪力，层间位移角可满足规范要求，且构件配筋表1隔震结构和非隔震结构地震楼层剪力对比合理，提高了结构的抗震性能。宿迁市公共卫生服务中心抗震设计概况等详见文献[9]。4．1建立减震计算模型该工程减震分析采用ETABS软件，时程计算所17层10330．24614160．20816层2613O．27137130．223需的地震波根据《抗规》要求选取。建立减震结构和l5层40160．28254800．233非减震结构的有限元模型，并进行结构的静、动力计14层51400．29466930．24913层59730．30874040．268算分析，获取结构在弹性和弹塑性阶段真实的动力响l2层65640．32378630．286应，为减震设计提供依据。分别采用SATWE软件与11层7157O．33382020．303ETABS软件对该工程非减震模型进行分析，两种软件1O层77220．34084750．3169层82990．34085760．330分析结果如质量、自振周期、层间剪力及层间位移角8层88110．338865l0．343误差率均不大于5％，可认为ETABS软件建立的计算7层92980．33394790．329模型准确可靠，因此采用该模型进行减震分析，且6层97530．327l0421O．3145层102160．324113530．300SATWE软件可进行简化的减震结构设计。4层106160．323122170．2874．2减震部件(软钢阻尼墙)的布置3层109970．322128940．2772层117280．3151435l0．254该工程采用减震结构后预期抗震目标：1层125610．308l5438O．2451)在抗震设防烈度8度(0．30g)地震作用下，弹性层间位移角不大于1／800；如表1所示，隔震效果显著，、l，向楼层剪力最2)大震时结构层间位移角明显小于1／100。大比值均小于0．4，水平向减震系数<0．4，按《抗依据上述目标布置软钢阻尼墙，布置要点：规》规定，隔震层以上结构可按设防烈度7度(0．151)双向、对称，使得结构整体在两个方向都有g)进行设计，实现了预期的抗震设计目标。上部结附加阻尼及刚度，并减小扭转效应；构采用SATWE软件进行多遇地震分析时，取⋯=2)在满足建筑使用功能前提下，在变形较大的0．12，也是可行的。部位布置，充分发挥其消能作用⋯。为达到预期抗3．4隔震结构大震弹塑性分析震目标，采用ETABS软件对减震结构进行多轮时程按《抗规》要求对隔震结构进行大震下弹塑性分析及优化，最终确定了软钢阻尼墙数量及位置，见时程分析，结果均满足《抗规》相关要求，且隔震支表2。座也满足产品性能参数要求。 第11期许楚平：高烈度地震区结构隔震和消能减震设计19表2软钢阻尼墙分布数量表4Y向ETABS和SATWE模型减震系数对比4．3减震结构总等效阻尼比的确定按设防地震烈度8度(0．30g)，采用ETABS软件对该工程非减震模型和减震模型进行时程分析。结果显示：减震结构在多遇地震作用下向及y向的层间位移角均不大于1／800，满足《抗规》要求；并可得减震系数卢=减震结构层间地震剪力／非减震结构层问地震剪力，见表3、表4。采用SATWE软件计算非减震结构模型，分别计算阻尼比取12％和5％的层问地震剪力，可得折算减震系数=阻尼比为12％结构层间地震剪力／阻尼比为5％结构层间地震剪力，见表3、表4。5隔震结构和减震结构特点比较如表3、表4所示，减震效果明显，且采用SAT—WE软件进行简化减震结构设计时，取12％阻尼比从以上两个工程实例可以看出，隔震与减震技术都是高烈度地震区减轻建筑物地震灾害的有效技(即结构总等效阻尼比)进行多遇地震分析，是安全术手段，且设计方法与过程大致相同，但这两种技术可靠的。减小地震作用的方法有所不同。4．4减震结构大震分析隔震结构的基本特点是在上部结构与地下室之《抗规》要求：与软钢阻尼墙(消能部件)相连构间设置由橡胶隔震支座及阻尼器组成的隔震层；延件在大震作用下应在弹性范围工作。为此，该工程长主体结构的自振周期，减少结构的水平地震作用，中与软钢阻尼墙相连梁柱均采用钢筋混凝土型钢构可使水平地震作用降低约60％⋯，比减震结构降低件。经采用ETABS软件大震下时程分析，结果均满幅度大；考虑到橡胶隔震支座抗拉强度较差的特性，足《抗规》要求，大震时减震结构的层间位移角明显较适用于高宽比小于4，非地震作用水平荷载较小小于1／100，且软钢阻尼墙也满足产品性能参数要的工程；由于须设置隔震层，且上部结构外围及穿越求，结构抗震性能良好。隔震层的竖向构件如电梯井周边须设置竖向隔离表3X向ETABS和SATWE模型减震系数对比缝，穿越隔震层的设备管线应采用柔性连接等要求，对建筑的立面、地下部分的平面布置等都有不同程度的影响；但隔震层以上建筑平面可按常规建筑设计。减震结构的基本特点是在建筑平面配置一定数量的消能器(本文采用的软钢阻尼墙属于位移相关型，另有速度相关型阻尼器本文暂不论述)，通过其相对变形给结构提供足够的附加阻尼，以消耗地震能量，减少了结构的水平和竖向地震作用。因软钢阻尼墙不改变结构的基本形式，且平面布置灵活，结构高度及类型也不受限制，因而适用范围较广。由于需在原有建筑平面附加软钢阻尼墙，可能会影响建筑的使用功能，且与软钢阻尼墙相连的构件宜采用型钢混凝土，因此会增加建设成本。 2O浙江建筑2016年第33卷(上接第15页)6中震验算8结语基于性能设计要求，对主楼底部加强区的竖向本工程位于6度区Ⅲ类场地，主楼存在超高和抗侧力构件进行中震弹性验算。分别按规范地震反扭转不规则、刚度突变两项不规则，属于超高超限高应谱和《安评报告》建议的地震反应谱，计算了加强层。主要设计方法：区典型楼层的墙柱轴压比和柱子配筋，计算结果显1)结构进行小震弹性时程分析，结构设计依据示主楼底部加强区部位的墙肢轴压比均小于0．60，时程法的包络值和振型分解反应谱法的较大值。在框架柱的轴压比均小于0．70，且配筋较合理。因利用反应谱进行配筋计算时，楼层地震力适当放大。此，结构可以达到中震弹性的性能设计要求。2)对主楼底部加强区的竖向抗侧力构件进行中震弹性验算，确保结构在中震作用下，结构承载力表4时程法好反应谱法基底剪力满足弹性设计要求。3)进行罕遇地震作用下静力弹塑性分析。通过性能点状态下结构的最大层间位移角，判断是否满足“层间弹塑性位移角限值”的要求。经计算分析可知，结构的各项指标均比较理想，整体设计满足规范要求。参考文献7静力弹塑性分析[1]中国建筑科学研究院．JGJ3—20lO高层建筑混凝土结构技术采用中国建筑科学研究院的EPDA程序对结构规程[S]．北京：中国建筑工业出版社，2011．进行罕遇地震下的弹塑性分析计算。计算结果显示[2]中国建筑科学研究院．GB50011—2叭0建筑抗震设计规范性能点最大层间位移角为1／318，对应的顶点位移[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010．最大为493．3iTlm，满足框架一核心筒结构弹塑性层[3]李骏嵘，焦俭．余政储出[2012]47号地块开发项目酒店及办公项目超限高层建筑抗震专项审查报告[R]．杭州：浙江省建间位移角限值1／100的要求。筑设计研究院，2013．