GET!零基礎學隔震結構設計

一、隔震概念

通過在建築物上部結構與基礎之間或者在上部結構與下部結構之間設置隔震層，地震產生能量在向上部結構傳遞過程中，大部分被柔性隔震層吸收，

僅有少部分傳遞到上部結構。

隔震技術跨越了以往「硬碰硬」的傳統抗震理念，採取了一種「以柔克剛」的新型設計理念，通過在結構體系中設置的隔震層來「軟化」整個結構體系，增加結構體系的自振周期、增大阻尼，從而降低地震作用向上部結構的傳遞。

結構自振周期增加，加速度反應減小，位移反應增大；結構阻尼增加，加速反應減小，位移反應減小。

隔震結構體系主要是由以下三部分組成：上部結構、隔震層、下部結構和基礎，如下圖所示：

隔震結構設計一般採用分部設計方法。即將整個隔震結構分為上部結構、隔震層和下部結構及基礎，分別進行設計。

一、確定隔震目標

根據以往大量隔震工程項目經驗： 1～15層的建築結構，可以初步確定隔震目標為降低一度半至一度；15～30層的結構，初步確定隔震目標為降低一度至半度。

隔震建築的設防目標一般應高於非隔震建築。通過合理的隔震設計，建築的設防目標可以達到「小震不壞、設防地震不壞或輕微破壞、大震不喪失使用功能或可修」，有時甚至超過此目標，實現基於性能的設計思想。

二、確定隔震層位置

三、上部結構計算

1、上支墩層改為下端鉸接約束

考慮到隔震橡膠支座的抗扭剛度、抗彎剛度相對混凝土柱非常小，或者說隔震橡膠支座傳遞彎矩和扭矩的能力弱，因此，為了使模型結構的受力狀態與真實結構的受力狀態更接近， 建築結構模型的底層柱改為下端鉸接約束。

注意：如果輸入上支墩層，則層底設鉸；否則不設鉸。

2、考慮豎向地震作用

考慮到目前橡膠隔震支座，對減小水平向地震作用非常明顯，對減小豎向地震作用不明顯，隔震後，結構的豎向地震力可能大於水平地震力，應予以重視並做相應的驗算，採取適當的措施。因此，《建築抗震設計規範》（GB50011-2010）第12.2.1條中規定： 隔震層以上結構的水平地震作用應根據水平向減震係數確定；其豎向地震作用標準值，8 度（0.2g）、8 度（0.3g）和 9 度（0.4g）時分別不應小於隔震層以上結構總重力荷載代表值的20%、30%和40%。

《建築抗震設計規範》（GB50011-2010）第12.2.5條第4款：9度時和8度且水平向減震係數不大於0.3時，隔震層以上結構應進行豎向地震作用計算。因此，對於8度時水平向減震係數大於0.3時，可以不考慮豎向地震作用，當水平向減震係數不大於0.3時，應考慮豎向地震作用。對於9度區，保守考慮，依然要考慮豎向地震作用。

注意：豎向地震有關的參數不能降低

3、模型計算

1）將模型文件複製兩份，一個布置上隔震支座屬性，此時叫隔震模型；另一個不布置隔震支座屬性，隔震支柱底端設鉸，此時模型叫非隔震模型；

2）對隔震模型和非隔震模型分別進行中震時程分析計算；

3）人工對比兩個模型時程分析結果得出水平向減震係數β；

4）非隔震模型輸入水平減震係數的反應譜法計算。

5）隔震層的兩種建模方法

四、隔震支座設計

規範規定：

為了確保橡膠隔震支座在豎向荷載作用下的承載力，要求第一形狀係數

地震作用下，橡膠支座會發生較大的水平變形，這就要求處於大變形的橡膠支座，在高壓應力下不致失去自身的穩定性，為了控制橡膠支座的穩定性，引入第二形狀係數S2

S2定義如下：

規範規定：

第二形狀係數S2≥5，但如果第二形狀係數不能滿足上述要求時，壓應力設計值應適當降低。

當5>S2≥4時，降低20%

當4>S2≥3時，降低40%

橡膠隔震支座的水平變形指指支座上下連接板間的相對位移，通常就是隔震層的變形，用隔震支座的剪應變表示：

規範規定：

隔震支座在表12.2.3所列的壓應力下的極限水平變位，應大於其有效直徑的0.55倍和支座內部橡膠總厚度3倍二者的較大值。

豎向極限壓應力指向橡膠支座在無任何水平變形的情況下可承受的最大壓應力。規範規定：

橡膠隔震支座在重力荷載代表值的豎向壓應力不應超過表12.2.3的規定。

水平位移0.55D時的豎向壓應力

通過實驗得知，當橡膠隔震支座的第一形狀係數S1≥15，第二形狀形狀S2≥3，橡膠硬度不小於40時，隔震支座的最小屈服應力值等於30MPa，行業標準中取30MPa。

豎向拉應力是指支座在軸向拉力作用下產生的應力，要求極限拉應力不小於1.5兆帕，可以看出，橡膠隔震支座的豎向極限拉應力遠小於豎向極限壓應力，這是因為受拉承載力是由鋼板與橡膠之間的粘接來保證的，因此設計時應盡量避免橡膠隔震支座受拉，如果不能避免，拉應力應小於等於1MPa！

普通橡膠隔震支座的滯迴環很窄，消耗的能量較小，等效阻尼比為1%~2%。鉛芯橡膠隔震支座的滯迴環比較豐滿，消耗能量較多，等效阻尼比可達15%~25%。

二）模型計算

1、複製一份隔震模型，對此模型進行在罕遇地震（大震）的時程（FNA法或直接積分法）計算；

2、選用計算水平向減震係數β時同樣的地震波；

3、 在彈性時程參數「主方向峰值加速度」中輸入大震下的峰值加速度。

計算後查看支座的豎向壓應力、極限水平變形、拉應力

五、支墩設計

《抗規》12.2.9 -1：隔震層支墩、支柱及相連構件，應採用隔震結構罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和力矩進行承載力驗算。可根據支座高度參數，在軟體中建立獨立柱層，施加節點荷載進行設計計算，得到支墩的配筋結果。

常規澆築法、先澆後放法、二次澆築法、倒置澆築法

9mm後火克板

3mm厚不鏽鋼內填120kg/m3洛克威岩棉

砂加氣混凝土板材粘接

六、下部結構設計

1）按照《建築抗震設計規範》（GB50011-2010）12.2.9條第1、2款：隔震層支墩、支柱及相連構件，應採用隔震結構罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和力矩進行承載力驗算。

2）隔震層以下的結構（包括地下室和隔震塔樓下的底盤）中直接支承隔震層以上結構的相關構件，應滿足嵌固剛度比和隔震後設防地震的抗震承載力要求，並按罕遇地震進行抗剪承載力驗算。隔震層以下地面以上的結構在罕遇地震下的層間位移角限值應滿足表12.2.9要求。

3）這裡嵌固剛度比，對於基礎隔震無須考慮，對於層間隔震，即隔震層以下一層的層剛度比上隔震層以上一層的層剛度，不小於2即滿足嵌固剛度比的要求。

4）層間隔震建築，隔震層以下結構宜採用整體建模分析，將隔震支座建入模型，計算分析來得到下部結構內力，以設計下部結構。層間隔震，整體建模得到內力，結果比較準確。

七、基礎設計

按照《建築抗震設計規範》（GB50011-2010）12.2.9條第3款：隔震建築地基基礎的抗震驗算和地基處理仍應按本地區抗震設防烈度進行，甲、乙類建築的抗液化措施應按提高一個液化等級確定，直至全部消除液化沉陷。

將非隔震模型按本地區設防烈度（不降低設防烈度的）進行小震計算，然後到基礎模塊中進行基礎建模及設計。

註：本文參考了一些公開發表的相關論文，在此表示感謝！