基础隔震结构设计技术分析

摘要：在国内外有关基础隔震与基于性能的设计方法研究的基础上, 提出了基于性能的基础隔震结构设计的方法 并给出了设计过程中基础隔震结构设计的主要原则、上下部结构的概念设计、基础隔震结构性能及社会效益做了分析探讨。

关键词：建筑基础；隔震结构；设计分析

Abstract: In the domestic and foreign related base isolation and performance based design method on the basis of the study, put out base isolation structure design method based on the properties, and gives the design process of base isolation structure design of the main principles, upper and lower structure concept design, base isolation structure performance and social benefit to do an analysis to discuss.

Key words: building base isolated structure; design and analysis;

中图分类号：[TU13] 文献标识码：A文章编号

隔震设计的主要原则和分析方法

结构的隔震设计分析主要通过概念设计和理论分析两个阶段来完成。隔震结构概念设计主要通过对结构的整体特性、结构刚度分布等的合理设置，控制结构在地震发生时的反应性能。达到减小地震反映的目的。主要包括：

（1）控制结构的高宽比。以保证隔震结构的抗倾覆能力。及地震时有效防止上部结构与隔ζ震层之间的提离。

（2）控制隔震器的布置及结构刚度分布。控制结构的刚度较为均匀，橡胶垫的布置均匀。尽量使结构的刚度中心与上部结构质量中心的偏移小一些。这样做可以保证结构不至于因太大的扭转作用而发生意外破坏。

（3）控制隔震结构的节点构造，保证隔震层在地震是有效发挥作用。

（4）合理设置隔震结构的基本周期。避开场地周期和上部结构的周期，有效的发挥隔震效用。

二、 基础隔震结构的设计技术分析

基于性能的结构抗震设计方法主要有直接基于位移的设计方法、位移影响系数设计法和能力谱方法等几种方法。基于位移的设计方法偏重于结构的设计, 而对所设计结构的实际抗震性能没有其评价方法; 能力谱方法偏向于结构的抗震性能评估, 而对结构的抗震设计方法体现得不是十分明确; 位移影响系数方法采用过多的简化参数得到结构的目标位移, 其有效性则需要更进一步的研究。

本文对基础隔震结构的设计方法采用直接基于位移的设计方法。直接基于位移设计的基本思路是：对于多自由度体系，先假定一个合理的位移模式，将原体系转化为等效单自由度体系， 确定等效阻尼比, 有了等效阻尼比和事先设定的目标位移（依性能目标或期望的破损程度而定），由位移反应谱就可以定出等效周期，从而得出体系的等效刚度，接着就可以进行刚度设计和承载力设计。所谓刚度设计, 就是确定结构构件的尺寸, 使得结构刚度分布合理, 与等效刚度基本吻合。承载力设计是指由目标位移和相应的等效刚度得到极限状态下作用在结构上的力, 据此进行构件的配筋。为了使结构具有达到目标位移的能力, 还要将结构的目标位移转化为各构件的变形要求, 并对构件关键部位的约束箍筋进行设计, 使其具有相应的变形能力。直接基于位移的基础隔震的设计主要步骤如下:

1 隔震结构时程分析

隔震结构的第二阶段设计是通过时程分析计算结构的地震需求和能力, 对隔震装置的布置和装置参数的选取进行优化配置, 进而设计出满足不同设防水平下结构预期性能目标合理的、经济的结构。隔震结构计算模型, 按《抗规》 规定, 包括隔震支座、隔震层顶板的梁板结构及上部框架结构, 简化为多个集中质点的剪切形结构, 示意图如图1 所示。隔震层水平刚度和等效粘滞阻尼比可根据隔震支座的性能参数K j ,ζj 按下列公式计算:

（1）

（2）

其中, ζeq为隔震层等效粘滞阻尼比; K h 为隔震层水平动刚度;ζj 为j 隔震支座由试验确定的等效粘滞阻尼比; K j 为j 隔震支座( 含阻尼器) 由试验确定的水平动刚度。

图1 隔震体系多质点模型

隔震结构水平向减震系数, 应根据结构隔震与非隔震两种情况下各层层间剪力的最大比值, 按《抗规》表12. 2. 5 确定。同时还要验算隔震结构在罕遇地震作用下, 隔震层的最大位移是否满足最大位移要求。另外, 隔震结构体系进行时程分析时, 输入加速度波形应符合抗震规范对地震波选取的标准要求。

2. 2 上部结构分析

和传统抗震房屋相比, 隔震结构如果不设地下室, 为了保证隔震层能够整体协调工作, 隔震层顶部应设置平面内刚度足够大的梁板体系。《抗规》要求, 隔震层顶部的梁板结构, 对钢筋混凝土结构应作为其上部结构的一部分进行计算和分析。因此在采用PKPM 等结构设计软件进行上部结构设计时, 隔震层顶部梁板的作用不能忽略, 所采用的计算简图也与传统的抗震结构有所不同。

隔震结构设置了隔震层, 从隔震层支座的受力来分析, 隔震支座能传递上部结构的轴力和水平向剪力, 但不能承担上部结构传来的弯矩。因为设计时取隔震层顶部梁板的刚度大于一般楼层梁板, 目的就是使底层柱弯矩基本由隔震层顶部梁来分担。从支座变形来分析, 隔震支座竖向变形很小, 可以忽略不计, 但在水平方向可发生较大位移, 但位移值有一定的限制。因此, 可以将隔震支座简化为一个铰支座和水平弹簧的组合, 但考虑到PKPM等结构设计软件中没有相应的支座形式。当隔震层顶部梁板刚度较大, 且嵌固形式可假设成无限刚性时, 将隔震支座近似简化为铰支座进行设计计算。

隔震层顶部梁板平面内刚度很大, 而柱的刚度较小, 柱底的变形可以忽略不计。因此, 可以将隔震建筑上部结构柱底进一步简化为固定端, 与传统的抗震结构相比, 该简化模型的底层层高从隔震层顶部梁板顶标高算起。

2. 3 下部结构设计

下部结构通常是指隔震层以下的部分, 不包括基础。《抗规》中规定的隔震层以下结构( 包括地下室) 的地震作用和抗震验算,应采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力, 水平力和力矩进行计算, 并且应该考虑隔震层水平位移产生的附加影响, 受力如图2所示。要精确计算罕遇地震下的下部结构的竖向力, 需要对隔震结构进行弹塑性时程分析, 但计算非常复杂, 时间周期较长, 不利于隔震结构的推广应用。因此, 在设计计算中, 假设隔震结构在罕遇地震下, 其上部结构仍保持弹性, 取罕遇地震下的等效水平刚度和等效阻尼比, 对隔震结构进行罕遇地震下的时程分析, 可以求得罕遇地震下隔震层水平位移、隔震层剪力、隔震层倾

覆力矩。

图2 下部结构的受力

其中, N 为罕遇地震作用下上部结构隔震后的柱底或墙底轴力; V 为隔震支座罕遇地震下的剪力; M 为罕遇地震下下部构件上作用的弯矩。《抗规》隔震支座的水平剪力应根据隔震层在罕遇地震下的水平剪力中各隔震支座的水平刚度分配, 如下式所示:

其中, ∑V 为罕遇地震作用下隔震层的水平剪力; K hi ,∑Khi 分别为罕遇地震下的隔震支座水平刚度、隔震层水平总刚度。

三、基础隔震结构的抗震性能评估

在获得结构非线性反应特性之后, 必须对结构的抗震安全性进行评估, 以证实符合所选定的性能目标, 评估方法可以采用能力谱方法。能力谱方法的基本思路是运用图形对比结构的抗震能力和地震地面运动对结构的需求, 直观地评价结构在地震作用下的整体表现。对于评估结果不符合设计预定的抗震目标性能水准时, 要修改设计参数或采用其他的抗震设防措施, 重新设计, 直到分析的结果满足抗震设防目标性能水准为止。对所设计出的隔震结构进行非线性分析, 进而评估其抗震性能, 是隔震结构的抗震等级满足结构性能目标等级要求的重要保证, 是基于性能的基础隔震设计的重要步骤。

四、 基础隔震结构抗震性能的社会经济综合评价

基础隔震结构抗震性能的经济效应和社会效应一直为人们所关注。较传统的抗震方法, 基础隔震结构具有减震原理简单、减震效果显著、降低造价、对上部结构的建筑设计限制小等优点。尤其是对于重要性建筑物、生命线工程结构物采用基础隔震结构后能很好保证结构的安全。基础隔震技术的应用代表了社会的发展、科技的进步。

五、 结语

基础隔震技术是一种具有广泛应用前景的技术, 采用基于性能的设计方法对基础隔震结构进行设计可满足业主预定的隔震性能目标要求, 是隔震设计的一种趋势。本文提出基于性能的基础隔震设计的基本框架,同时, 对其中关键的基于性能的基础隔震结构的性能目标、基础隔震结构设计方法做了重点的介绍, 可为以后的研究工作指明方向。