论文部分内容阅读
摘要隔震建筑能够有效抵御地震作用，在高烈度地震区采用隔震建筑，设计得当可以降低地震烈度一度，能够有效提高抗震效果又降低结构成本。隔震设计不同于一般的结构设计，本文通过两栋隔震建筑的加固设计，总结归纳了隔震建筑设计的方法、步骤及注意事项，并给出了相应的计算表格。
关键词 隔震建筑 隔震设计方法隔震设计步骤 隔震设计注意事项
中图分类号： S611 文献标识码： A
1隔震建筑涵义与应用范围
隔震结构是指用隔震器将建筑物断为隔震层上下两部分，且隔震层上部能够明显减小地震反应的结构形式。隔震器所在楼层称为隔震层。在地震时隔震器具有吸收地震能量，使隔震层以上建筑在地震作用时仅发生缓慢移动，从而控制地面震动对建筑物的影响，大幅度降低地震对建筑物的震害，一般可降低地震烈度1—1.5度。隔震层以下的结构对地震反应同无隔震措施的结构。
隔震建筑适用于结构高宽比不大于4，结构变形特征接近剪切变形，建筑场地为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，并应选用稳定性较好的基础类型，建筑物的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超过结构总重力荷载的10%的房屋。
2隔震设计步骤
2.1 隔震层设置
隔震层位置一般应设在基础顶部或地下室顶部，当有体量较大的裙房时，也可设在裙房顶部。隔震层设置在基础顶部或地下室顶部时，须在一层地面设置不小于160mm厚的钢筋混凝土地板，以保证隔震层上部楼盖的刚度。此时需要适当提高建筑物一层净空和室内外高差。 隔震层设在房屋上部时，隔震层下部结构需具有较强的抗位移能力，以保证在罕遇地震作用下的位移能够满足规范要求。隔震层设置在上部时，还会影响建筑物的开窗和立面效果，需与建筑设计进行协调。
隔震建筑能够使上部结构的地震作用影响降低一度，因此，隔震层上部结构的层数和高度可按降低设防烈度一度考虑。
若为抗震加固进行隔震设计，隔震层的选择需考虑施工条件等多种因素，隔震层设在基础顶部时，需考虑基础的承受能力与加固方法，以及一层净高是否具备新增钢筋混凝土楼地板的条件；隔震层设在一层顶部圈梁下时，需考虑改变底部结构体系的施工条件。隔震层设置在一层顶部时，需在一层设置较大截面的混凝土柱，以支承隔震支座并满足罕遇地震的抗剪及位移要求，同时还需考虑一层楼梯的隔断问题。当隔震层设在基础顶部时，对一层的建筑影响不大，但需大面积开挖基础，并在基础顶部圈梁位置处增设隔震支座上部的托墙梁和下部地圈梁，托墙梁用以支承上部结构，地圈梁用于承担隔震支座传来的荷载。
2.2隔震支座布置
根据隔震层设置位置，在结构平面上进行隔震支座的初步布置。隔震支座在结构平面上布置的原则宜均匀对称，间距以3米左右为宜。隔震支座应设在框架结构的柱下，或剪力墙下，框架柱或剪力墙间距较大时，可在柱间或墙间设置次梁。隔震支座间距大，竖向轴力大，需要较大直径隔震器，支承隔震器的支座和托梁截面也会随之增大，造成隔震层上下结构笨重，隔震支座间距过大影响整体结构的抗倾覆能力。
积层橡胶隔震器分二种，一种为有铅芯，一种为无铅芯，有铅芯的隔震器水平刚度大，约为无铅芯的2倍左右，有铅芯的隔震器阻尼系数是无铅芯阻尼系数的7倍左右。通常将有铅芯隔震器安放在建筑物周边，将无铅芯隔震器放在次梁和横墙的中部。
2.3隔震层上部结构的荷载及内力计算
利用设计软件计算抗震设防烈度下的竖向荷载及其内力，以及设防烈度下罕遇水平地震作用、罕遇竖向地震作用下的内力。此时可把隔震支座视为底部框架短柱，并求出各短柱上的轴向压力N。
2.4隔震支座承载力验算
根据底层框架短柱上的最大竖向压力N，初步选择隔震器的型号，使隔震器产品的竖向抗压能力大于最大轴向压力值。
2.5隔震层的水平向减震系数计算
根据初步选定的隔震器型号，计算减震系数。
2.5.1按照隔震器100%变形能力下的水平刚度Kj、阻尼系数ζj，计算隔震层水平动刚度kh=∑kj、等效阻尼比ζeq=(∑kjζj)/kh；
2.5.2代入隔震层水平动刚度，计算隔震结构的基本周期
2.5.3计算隔震结构衰减系数
2.5.4计算阻尼调整系数
2.5.5计算减震系数
为了降低地震烈度1度，应使减震系数β≤0.4。当减震系数不满足降低1度的要求时，可通过调整无铅芯减震器的数量增加水平动刚度，达到减小减震系数的目的。
2.6隔震后上部结构地震作用及位移计算
当减震系数0.3≤β≤0.4时，不考虑竖向地震作用，直接按降低地震烈度1度采用计算软件进行抗震计算，当β≤0.3时，考虑竖向地震作用，并按降低地震烈度1度进行抗震计算，保证结构满足抗震设防要求。
2.7隔震层下部结构承载力及位移验算
隔震层下部结构仍然按实际设防要求计算水平和竖向地震作用，验算隔震层位移，使隔震支座最大位移满足使用要求，并要求隔震层下部结构满足抗震设防的各项要求。
隔震层水平剪力FEK=βαmaxGeq
每只隔震支座剪力V1y=(Kj/Kh)×FEK
隔震器位移 U=V1y/Kj
要求隔震器最大位移小于隔震支座直径的0.55倍和支座内部橡胶总厚度的 3.0倍二者中的较小值。
2.8隔震层上部、下部构件加固计算（隔震加固用）
在隔震加固设计中，由于是在原结构中插入隔震器，必须在隔震层上部新增设托墙梁和刚性楼盖，在隔震层下部增设抗压、抗弯能力很强的连梁，因此，需要对原结构进行加固。
2.8.1按降低1度的水平和竖向地震作用以及竖向荷载作用，计算托墙梁的抗弯、抗剪、局部承压；求出所需的截面和配筋。
2.8.2按原设防烈度的水平和竖向地震作用以及竖向荷载作用，计算连梁的抗弯、抗剪、局部承压，求出所需的截面和配筋。
2.8.3按原设防烈度的水平和竖向地震作用以及竖向荷载作用，进行基础验算，当基础不满足设计要求时，应对基础进行增大基础底面积及基础宽度的加固处理。
3隔震设计计算表格
3.1隔震层水平动刚度计算
隔震层水平动刚度计算表
隔震器型号
有铅芯水平刚度kj KN/mm
无铅芯水平刚度kj KN/mm
无铅芯阻尼比ζj %
有铅芯阻尼比ζj %
有铅芯支座数量 个
无铅芯支座数量 个
水平动刚度kh=∑kj KN/mm
等效阻尼比ζeq=(∑kjζj)/kh
3.2 基本周期、减震系数计算表
場地特征周期Tg(s)
隔震方案特征周期Tgm(s)
隔震层特征 等效阻尼比ζeq（%）
等效动刚度Kh(kN/mm)
隔震体系基本周期(s)
衰减系数
阻尼调整系数
水平向减震系数
剪切模量G (Mpa)
隔震后水平地震影响系数最大值 αmaxl=βαmax/ψ
3.3上部结构水平地震作用计算
7度（0.1g）多遇地震 8度(0.2g)多遇地震 8度(0.2g)罕遇地震
αmax αmax αmax
G(KN) G(KN) G(KN)
β
FEK=αmaxGeq FEK=βαmaxGeq FEK=αmaxGeq
3.4水平罕遇地震作用下支座最大剪力及位移
有铅芯隔震支座最大剪力 (KN) V1y=(Kj/Kh)×V1
无铅芯隔震支座最大剪力V (KN) V1w=(Kj/Kh)×V1
有铅芯隔震支座在罕遇地震作用下的位移(mm) U=V1y/K
无铅芯隔震支座在罕遇地震作用下的位移(mm) U=V1y/Kj
4隔震设计注意事项
4.1隔震设计首先要了解隔震器生产厂家的基本信息，获取隔震器基本参数。有条件时应尽可能多采集几个厂家的信息，各厂家参数有时差距较大，选择参数对减震系数和罕遇地震位移计算影响较大，需多做计算进行比较，选择参数合适，价格合适的隔震器。
4.2隔震器的直径大其价格高，选择隔震器型号时需综合设计、施工、造价等多种因素慎重选择。尽可能降低隔震结构的成本。
4.3选择隔震器型号后，应与甲方共同协商选择隔震器生产厂家，并对产品的性能要求，检验方式等予以说明。
4.4隔震层处的水暖电管等应采用橡胶软管，当市场上购买不到时，应向建设单位讲明，可以采用PVC等管线代替。
4.5隔震层应与周边建筑有较大的空间，防止约束隔震器在地震作用下的位移。对电梯、楼梯等竖向交通承重构件应采取隔断措施。电梯可采用垂吊式基坑，或局部双层井道等隔断方式。
4.6隔震器周边要设置防护装置，避免隔震器直接暴露在阳光下或者受热辐射影响。防护板的安装固定部位可设在隔震器的上部，防止约束隔震层的相对位移。
4.7隔震层应设置检查通道，便于对隔震器进行维护和更换。
5隔震加固设计注意事项
5.1进行隔震加固的建筑物，其原有结构的抗震措施一定要满足相应抗震设防所需的措施要求，当上部结构抗震措施不能满足相应抗震设防要求时，其加固成本将会大幅增加，需与建设单位事前进行沟通。
5.2慎重选择隔震层位置，给房屋结构卸载预留空间，防止卸载装置的竖向构件长度过大。
5.3按临时荷载进行卸载刚架计算，卸载刚架间距的确定，应统筹考虑承重墙水平长度及隔震器的间距；刚架间距小不利于施工，刚架间距大截面尺寸大，施工措施费用高。设计单位应提出卸载方案，提供隔震层顶部的荷载计算值，由施工单位根据施工能力确定卸载装置。
5.4采用设计软件进行隔震加固设计，首先要对照《抗震鉴定标准》或《抗震设计规范》逐一检查抗震措施，对不满足抗震措施要求的，应对结构进行调整，采取相应加固措施；在所有抗震措施满足要求的基础上，按原设防烈度要求对调整后的结构进行抗震验算，找出不满足抗震承载力要求的薄弱环节。之后对新结构进行隔震设计，当减震系数满足降低设防烈度一度的要求时，按降低设防一度进行上部结构的抗震验算，并重点核对抗震薄弱环节是否满足要求。最后按设防烈度罕遇地震作用对隔震层下部结构进行承载力和位移驗算，要求后二次计算结果都要满足规范规定的相关要求。
作者简介
高娃女1955年1月出生原内蒙古工业大学土木学院教授 目前受聘于内蒙古泰格尔建筑技术发展有限责任公司任总工目前主要从事混凝土结构加固与改造的设计与施工技术研究。
关键词 隔震建筑 隔震设计方法隔震设计步骤 隔震设计注意事项
中图分类号： S611 文献标识码： A
1隔震建筑涵义与应用范围
隔震结构是指用隔震器将建筑物断为隔震层上下两部分，且隔震层上部能够明显减小地震反应的结构形式。隔震器所在楼层称为隔震层。在地震时隔震器具有吸收地震能量，使隔震层以上建筑在地震作用时仅发生缓慢移动，从而控制地面震动对建筑物的影响，大幅度降低地震对建筑物的震害，一般可降低地震烈度1—1.5度。隔震层以下的结构对地震反应同无隔震措施的结构。
隔震建筑适用于结构高宽比不大于4，结构变形特征接近剪切变形，建筑场地为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，并应选用稳定性较好的基础类型，建筑物的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超过结构总重力荷载的10%的房屋。
2隔震设计步骤
2.1 隔震层设置
隔震层位置一般应设在基础顶部或地下室顶部，当有体量较大的裙房时，也可设在裙房顶部。隔震层设置在基础顶部或地下室顶部时，须在一层地面设置不小于160mm厚的钢筋混凝土地板，以保证隔震层上部楼盖的刚度。此时需要适当提高建筑物一层净空和室内外高差。 隔震层设在房屋上部时，隔震层下部结构需具有较强的抗位移能力，以保证在罕遇地震作用下的位移能够满足规范要求。隔震层设置在上部时，还会影响建筑物的开窗和立面效果，需与建筑设计进行协调。
隔震建筑能够使上部结构的地震作用影响降低一度，因此，隔震层上部结构的层数和高度可按降低设防烈度一度考虑。
若为抗震加固进行隔震设计，隔震层的选择需考虑施工条件等多种因素，隔震层设在基础顶部时，需考虑基础的承受能力与加固方法，以及一层净高是否具备新增钢筋混凝土楼地板的条件；隔震层设在一层顶部圈梁下时，需考虑改变底部结构体系的施工条件。隔震层设置在一层顶部时，需在一层设置较大截面的混凝土柱，以支承隔震支座并满足罕遇地震的抗剪及位移要求，同时还需考虑一层楼梯的隔断问题。当隔震层设在基础顶部时，对一层的建筑影响不大，但需大面积开挖基础，并在基础顶部圈梁位置处增设隔震支座上部的托墙梁和下部地圈梁，托墙梁用以支承上部结构，地圈梁用于承担隔震支座传来的荷载。
2.2隔震支座布置
根据隔震层设置位置，在结构平面上进行隔震支座的初步布置。隔震支座在结构平面上布置的原则宜均匀对称，间距以3米左右为宜。隔震支座应设在框架结构的柱下，或剪力墙下，框架柱或剪力墙间距较大时，可在柱间或墙间设置次梁。隔震支座间距大，竖向轴力大，需要较大直径隔震器，支承隔震器的支座和托梁截面也会随之增大，造成隔震层上下结构笨重，隔震支座间距过大影响整体结构的抗倾覆能力。
积层橡胶隔震器分二种，一种为有铅芯，一种为无铅芯，有铅芯的隔震器水平刚度大，约为无铅芯的2倍左右，有铅芯的隔震器阻尼系数是无铅芯阻尼系数的7倍左右。通常将有铅芯隔震器安放在建筑物周边，将无铅芯隔震器放在次梁和横墙的中部。
2.3隔震层上部结构的荷载及内力计算
利用设计软件计算抗震设防烈度下的竖向荷载及其内力，以及设防烈度下罕遇水平地震作用、罕遇竖向地震作用下的内力。此时可把隔震支座视为底部框架短柱，并求出各短柱上的轴向压力N。
2.4隔震支座承载力验算
根据底层框架短柱上的最大竖向压力N，初步选择隔震器的型号，使隔震器产品的竖向抗压能力大于最大轴向压力值。
2.5隔震层的水平向减震系数计算
根据初步选定的隔震器型号，计算减震系数。
2.5.1按照隔震器100%变形能力下的水平刚度Kj、阻尼系数ζj，计算隔震层水平动刚度kh=∑kj、等效阻尼比ζeq=(∑kjζj)/kh；
2.5.2代入隔震层水平动刚度，计算隔震结构的基本周期
2.5.3计算隔震结构衰减系数
2.5.4计算阻尼调整系数
2.5.5计算减震系数
为了降低地震烈度1度，应使减震系数β≤0.4。当减震系数不满足降低1度的要求时，可通过调整无铅芯减震器的数量增加水平动刚度，达到减小减震系数的目的。
2.6隔震后上部结构地震作用及位移计算
当减震系数0.3≤β≤0.4时，不考虑竖向地震作用，直接按降低地震烈度1度采用计算软件进行抗震计算，当β≤0.3时，考虑竖向地震作用，并按降低地震烈度1度进行抗震计算，保证结构满足抗震设防要求。
2.7隔震层下部结构承载力及位移验算
隔震层下部结构仍然按实际设防要求计算水平和竖向地震作用，验算隔震层位移，使隔震支座最大位移满足使用要求，并要求隔震层下部结构满足抗震设防的各项要求。
隔震层水平剪力FEK=βαmaxGeq
每只隔震支座剪力V1y=(Kj/Kh)×FEK
隔震器位移 U=V1y/Kj
要求隔震器最大位移小于隔震支座直径的0.55倍和支座内部橡胶总厚度的 3.0倍二者中的较小值。
2.8隔震层上部、下部构件加固计算（隔震加固用）
在隔震加固设计中，由于是在原结构中插入隔震器，必须在隔震层上部新增设托墙梁和刚性楼盖，在隔震层下部增设抗压、抗弯能力很强的连梁，因此，需要对原结构进行加固。
2.8.1按降低1度的水平和竖向地震作用以及竖向荷载作用，计算托墙梁的抗弯、抗剪、局部承压；求出所需的截面和配筋。
2.8.2按原设防烈度的水平和竖向地震作用以及竖向荷载作用，计算连梁的抗弯、抗剪、局部承压，求出所需的截面和配筋。
2.8.3按原设防烈度的水平和竖向地震作用以及竖向荷载作用，进行基础验算，当基础不满足设计要求时，应对基础进行增大基础底面积及基础宽度的加固处理。
3隔震设计计算表格
3.1隔震层水平动刚度计算
隔震层水平动刚度计算表
隔震器型号
有铅芯水平刚度kj KN/mm
无铅芯水平刚度kj KN/mm
无铅芯阻尼比ζj %
有铅芯阻尼比ζj %
有铅芯支座数量 个
无铅芯支座数量 个
水平动刚度kh=∑kj KN/mm
等效阻尼比ζeq=(∑kjζj)/kh
3.2 基本周期、减震系数计算表
場地特征周期Tg(s)
隔震方案特征周期Tgm(s)
隔震层特征 等效阻尼比ζeq（%）
等效动刚度Kh(kN/mm)
隔震体系基本周期(s)
衰减系数
阻尼调整系数
水平向减震系数
剪切模量G (Mpa)
隔震后水平地震影响系数最大值 αmaxl=βαmax/ψ
3.3上部结构水平地震作用计算
7度（0.1g）多遇地震 8度(0.2g)多遇地震 8度(0.2g)罕遇地震
αmax αmax αmax
G(KN) G(KN) G(KN)
β
FEK=αmaxGeq FEK=βαmaxGeq FEK=αmaxGeq
3.4水平罕遇地震作用下支座最大剪力及位移
有铅芯隔震支座最大剪力 (KN) V1y=(Kj/Kh)×V1
无铅芯隔震支座最大剪力V (KN) V1w=(Kj/Kh)×V1
有铅芯隔震支座在罕遇地震作用下的位移(mm) U=V1y/K
无铅芯隔震支座在罕遇地震作用下的位移(mm) U=V1y/Kj
4隔震设计注意事项
4.1隔震设计首先要了解隔震器生产厂家的基本信息，获取隔震器基本参数。有条件时应尽可能多采集几个厂家的信息，各厂家参数有时差距较大，选择参数对减震系数和罕遇地震位移计算影响较大，需多做计算进行比较，选择参数合适，价格合适的隔震器。
4.2隔震器的直径大其价格高，选择隔震器型号时需综合设计、施工、造价等多种因素慎重选择。尽可能降低隔震结构的成本。
4.3选择隔震器型号后，应与甲方共同协商选择隔震器生产厂家，并对产品的性能要求，检验方式等予以说明。
4.4隔震层处的水暖电管等应采用橡胶软管，当市场上购买不到时，应向建设单位讲明，可以采用PVC等管线代替。
4.5隔震层应与周边建筑有较大的空间，防止约束隔震器在地震作用下的位移。对电梯、楼梯等竖向交通承重构件应采取隔断措施。电梯可采用垂吊式基坑，或局部双层井道等隔断方式。
4.6隔震器周边要设置防护装置，避免隔震器直接暴露在阳光下或者受热辐射影响。防护板的安装固定部位可设在隔震器的上部，防止约束隔震层的相对位移。
4.7隔震层应设置检查通道，便于对隔震器进行维护和更换。
5隔震加固设计注意事项
5.1进行隔震加固的建筑物，其原有结构的抗震措施一定要满足相应抗震设防所需的措施要求，当上部结构抗震措施不能满足相应抗震设防要求时，其加固成本将会大幅增加，需与建设单位事前进行沟通。
5.2慎重选择隔震层位置，给房屋结构卸载预留空间，防止卸载装置的竖向构件长度过大。
5.3按临时荷载进行卸载刚架计算，卸载刚架间距的确定，应统筹考虑承重墙水平长度及隔震器的间距；刚架间距小不利于施工，刚架间距大截面尺寸大，施工措施费用高。设计单位应提出卸载方案，提供隔震层顶部的荷载计算值，由施工单位根据施工能力确定卸载装置。
5.4采用设计软件进行隔震加固设计，首先要对照《抗震鉴定标准》或《抗震设计规范》逐一检查抗震措施，对不满足抗震措施要求的，应对结构进行调整，采取相应加固措施；在所有抗震措施满足要求的基础上，按原设防烈度要求对调整后的结构进行抗震验算，找出不满足抗震承载力要求的薄弱环节。之后对新结构进行隔震设计，当减震系数满足降低设防烈度一度的要求时，按降低设防一度进行上部结构的抗震验算，并重点核对抗震薄弱环节是否满足要求。最后按设防烈度罕遇地震作用对隔震层下部结构进行承载力和位移驗算，要求后二次计算结果都要满足规范规定的相关要求。
作者简介
高娃女1955年1月出生原内蒙古工业大学土木学院教授 目前受聘于内蒙古泰格尔建筑技术发展有限责任公司任总工目前主要从事混凝土结构加固与改造的设计与施工技术研究。