隔震结构设计-文档资料.ppt

Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震结构设计隔震结构设计Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration主要内容主要内容1.隔震隔震原理简介原理简介2.抗震设计抗震设计规范解读规范解读3.隔震设计流程隔震设计流程4.隔震设计软件隔震设计软件5.设计案例设计案例2Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震基本原理隔震基本原理结构自振周期增加，加速度反应减小，位移反应增大结构阻尼增加，加速度反应减小，位移反应减小3Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震基本原理隔震基本原理隔震建筑更适宜建造在坚硬的场地上 隔震结构的设计需要在减小加速度响应和增大位移响应之间找到最佳的平衡点，并考虑不同场地作用的影响。4Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration相关规范相关规范建筑结构荷载规范 GB50009-2012混凝土结构设计规范 GB50010-2010建筑抗震设计规范 GB50011-2010建筑抗震设防分类标注 GB50223-2008橡胶支座第三部分：建筑隔震橡胶支座 GB/T 200688.3-2006建筑工程抗震性态设计通则（试用）CECS 160:2004叠层橡胶支座隔震技术规程 CECS 126:2001叠层橡胶支座基础隔震建筑构造图集 DBJT 25-99-2003 建筑结构隔震构造详图 03SG610-15Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration抗震设计规范抗震设计规范隔震与消能减震设计隔震与消能减震设计6Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration抗震设计规范抗震设计规范隔震与消能减震设计隔震与消能减震设计7Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration抗震设计规范抗震设计规范隔震与消能减震设计隔震与消能减震设计8Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration抗震设计规范抗震设计规范隔震与消能减震设计隔震与消能减震设计9Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration抗震设计规范抗震设计规范隔震与消能减震设计隔震与消能减震设计普通橡胶支座徐变曲线徐变量0.26%10Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration抗震设计规范抗震设计规范隔震与消能减震设计隔震与消能减震设计11Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration抗震设计规范抗震设计规范隔震与消能减震设计隔震与消能减震设计12Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration抗震设计规范抗震设计规范隔震与消能减震设计隔震与消能减震设计抗震设计规范（01版）：当隔震支座直径较大（如600mm）时可采用剪切变形100%时的等效刚度和等效粘滞阻尼比13Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration抗震设计规范抗震设计规范隔震与消能减震设计隔震与消能减震设计14Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration抗震设计规范抗震设计规范隔震与消能减震设计隔震与消能减震设计15Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration抗震设计规范抗震设计规范隔震与消能减震设计隔震与消能减震设计16Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration抗震设计规范抗震设计规范隔震与消能减震设计隔震与消能减震设计17Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration抗震设计规范抗震设计规范隔震与消能减震设计隔震与消能减震设计18Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration抗震设计规范抗震设计规范隔震与消能减震设计隔震与消能减震设计19Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration抗震设计规范抗震设计规范隔震与消能减震设计隔震与消能减震设计20Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration抗震设计规范抗震设计规范隔震与消能减震设计隔震与消能减震设计21Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration设计流程设计流程结构初步设计隔震方案选定隔震性能分析下部结构设计基础设计地震动是否传统抗震设计方法，PKPM确定隔震支座参数，布置方案，附加阻尼器等采用SAP2000、Etabs、Midas等软件，根据上部结构和隔震层参数，进行动力分析，验证方案是否满足预期的设计要求传统抗震设计方法，PKPM传统抗震设计方法，PKPM隔震目标根据建筑功能、场地条件、经济性等初步确定隔震目标22Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震目标确定隔震目标确定1）隔震建筑的经济性：采用隔震技术，增加了隔震支座费用、隔震构造措施费用，但减小了梁柱断面，节约了钢材和混凝土用量。根据工程经验，对于高烈度区，采用隔震技术经济性十分明显，上部结构设计方案比较合理，一般能节约3%20%。2）隔震建筑的高效性：当地抗震设防烈度较高，场地条件好、上部结构规则、质量和刚度分布均匀（包括平面和立面），可以初步确定上部结构水平地震作用按降低一度半考虑，对应水平向减震系数。3）隔震结构的可靠性：隔震建筑的设防目标一般应高于非隔震建筑。通过合理的隔震设计，建筑的设防目标可以达到“小震不坏、中震不坏或轻微破坏、大震不丧失使用功能或可修”，有时甚至超过此目标，实现基于性能的设计思想。23Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration结构初步设计结构初步设计1）上部结构设计根据降低后的水平地震影响系数计算2）国外大量实践验证，隔震技术对与自振周期超过1s的高层结构同样适用，故 2010 版抗规取消了 2001 版结构周期小于 1s 的限制。隔震建筑结构体型宜规则、对称。3）高层建筑一般会采用剪力墙结构、框剪结构或者框架结构，在开始定方案时，应注意结构的高宽比不宜过大，一般控制在 3 以内比较好，不宜超过 4。对高宽比大的结构，需进行整体倾覆验算，防止支座压屈或出现拉应力超过 1MPa。高宽比超过 4，需要做超限审查。4）采用隔震技术，上部结构剪重比依然要满足本地区设防烈度的最小剪重比要求。5）建筑场地宜为、类，并应选用稳定性较好的基础类型。24Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震方案隔震方案隔震层隔震层1）隔震层层高：对于没有地下室的建筑，需要增加一层作为隔震层，这一层层高不宜太高，一般梁底到地面的净高不应小于 600mm，建议不小于 800mm。这一要求主要是为了便于日后的隔震层维护和检修。2）隔震层位置：基础隔震，隔震层位于地下室顶部或单独设置隔震层；柱顶隔震，隔震层布置在一层柱顶；层间隔震3）特殊结构如大底盘多塔结构，其柱距较大，为不影响大底盘层的使用功能，可在上部结构与大底盘层之间，专门设置层高 1.5m2.0m 的隔震层。25Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震方案隔震方案隔震支座隔震支座叠层橡胶支座（天然、铅芯、高阻尼）叠层橡胶支座（天然、铅芯、高阻尼）摩擦摆支座摩擦摆支座弹性滑动支座弹性滑动支座滚珠支座滚珠支座26Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震方案隔震方案支座布置支座布置1）同一隔震层内，各个橡胶隔震支座的竖向压应力宜均匀，且竖向平均应力不应超过丙类建筑的限值15MPa。2）铅芯隔震支座尽可能布置在周边，天然橡胶支座布置在中央3）支座布置：一柱一支座，多柱一支座，墙下支座4）下部结构方案：独立柱，柱加拉梁，柱加短肢剪力墙5）叠层橡胶支座隔震技术规程（CECS 126:2001）：隔震层总受压承载力设计值应大于上部结构总重力代表值的1.1倍。每个隔震支座的受压承载力设计值应大于上部结构传递到隔震支座的重力代表值。需要考虑竖向地震作用时，上部结构传递到隔震支座的重力代表值，8度和9度时可分别取上部结构重力代表值的20%和40%。6）抗规（GB50011-2010）平均压应力设计值应按永久荷载和可变荷载的组合，对需验算倾覆的结构应包括水平地震作用效应组合；对需要进行竖向地震作用计算的结构，尚应包括竖向地震作用效应的组合。27Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计隔震设计原结构隔震结构减震系数罕遇地震结构验算隔震构造及连接满足地震动隔震层大于假设值远小于假设值不满足满足隔震分析报告假设一个减震系数进行上部结构设计布置隔震层，形成隔震结构时程分析，得到水平减震系数支座轴力、剪力、变形验算连接细部设计形成分析报告，供其他部分设计参考28Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震构造隔震构造隔震层隔震层29Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震构造隔震构造隔震层隔震层30Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震构造隔震构造立管立管31Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震构造隔震构造立管立管32Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震构造隔震构造水平管水平管33Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震构造隔震构造水平管水平管34Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震构造隔震构造电缆、电线电缆、电线35Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计软件隔震设计软件总体上分为两类：1）隔震支座与上部结构同时分析计算，不需要考虑“水平向减震系数”，如MIDAS2)上部结构和隔震层分开设计，先按隔震结构进行动力分析，得到“水平向减震系数”，再用常用结构分析软件进行设计。如Sap2000、Etabs等。36Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计软件隔震设计软件Sap2000Sap2000 通用结构有限元分析与设计软件SAP2000软件具有集成化图形用户界面，丰富的模板供用户高效、准确地建立有限元分析模型。SAP2000软件具有框架单元、索单元、板单元、壳单元、平面单元、实体单元、连接单元、铰单元等单元，提供线性和非线性、静力和动力分析，可以进行静力分析、振型分析、反应谱分析、时程分析、屈曲分析、移动荷载分析、稳态分析、功能谱密度分析、静力Pushover分析、施工顺序加载分析等.同时SAP2000是通用有限元分析与设计软件，适用于桥梁、工业建筑、输电塔、设备基础、电力设施、索膜结构、运动场所、演出场所等特种结构。37Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计软件隔震设计软件橡胶隔震单元橡胶隔震单元有效刚度：即隔震支座的等效刚度，可用于计算自振周期刚度：隔震支座初始刚度，抵抗风荷载38Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计软件隔震设计软件摩擦隔震单元摩擦隔震单元剪切变形与摩擦塑性耦合，具有在剪切方向上沿滑移后的滑移后刚度，在轴向上具有缝行为，对于弯矩具有线性有效刚度39Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计软件隔震设计软件摩擦隔震单元摩擦隔震单元在剪切自由度上具有和摩擦摆隔震类似的行为，在轴向上具有缝与钩的行为，不仅可以受拉也可以受压，在三个弯矩变形上也具有非线性行为40Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计软件隔震设计软件Sap2000Sap200041Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计软件隔震设计软件Sap2000Sap200042Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计案例隔震设计案例某变电站工程某变电站工程第一章：工程概况1.1 工程简介1.2 抗震设防要求1.3 场地条件1.4 本报告拟达到目的1.5 分析计算依据第二章：结构分析软件及分析模型2.1分析软件2.2建模策略2.3重力荷载输入第三章：隔震方案分析3.1 隔震支座的平面布置及参数3.3 隔震结构周期3.4 隔震分析地震波3.5 时程分析结果3.6 水平向减震系数确定3.7 结构隔震情况下支座承载力需求3.8 结构隔震情况下支座变形需求3.9 隔震连接方案结论第四章：隔震支座连接验算与初步设计4.1 隔震层竖向承载力验算4.2 隔震层变形能力验算4.3 隔震支座水平屈服荷载验算4.4 隔震支座在罕遇地震下的拉应力验算4.5 隔震层构造要求第五章：附录附录1 加速度、位移时程分析结果附录2 隔震结构时程分析支座内力包络图附录3 隔震结构支座内力组合43Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计案例隔震设计案例工程概况工程概况1.1 1.1 工程简介工程简介 本工程为现浇钢筋混凝土框架结构，地上6层，建筑物高度(室外地面至主要屋面板的板顶)23.8m,采用层间隔震方案，隔震层设置在一层柱顶。1.2 1.2 抗震设防要求抗震设防要求 按建筑抗震设计规范（GB50011-2010），该地区地震基本烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g。本工程按照抗震规范设防地震加速度0.2g地区进行设计,小震、中震和大震下地面加速度峰值（PGA）分别为0.10g、0.20g和0.4g，相应的结构响应加速度为0.16g、0.53g和0.90g。1.3 1.3 场地条件场地条件 本工程拟建站址属于对建筑抗震一般地段，地面20m深度范围内场地土的类型以中软土为主，且覆盖层厚度大于50m，建筑场地类别划分为类，设计地震分组为第二组。特征周期，多遇地震下，地震影响系数 ，罕遇地震下，地震影响系数 。1.4 1.4 本报告拟达到目的本报告拟达到目的 确定合理的隔震层参数，达到70%减震效果，并保证上部结构与支座的连接安全性。44Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计案例隔震设计案例分析模型分析模型 在隔震层的设计中，隔震支座的选用必须满足规范对面压限值的要求，因此需要选用足够大的隔震支座。根据计算得到的支座的竖向承载力需求，本工程选择LRB500、LRB600、LRB800、LRB900、LRB1000、LRB1200五种支座，隔震支座的布置如下图所示，45Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计案例隔震设计案例隔震周期隔震周期 采用隔震方案后，一阶振型为结构y向平动，二阶振型为x向平动，三阶振型为结构扭转，一阶周期由原来的0.64s延长为2.03s，延长到2倍以上振型周期（s）隔震前隔震后10.6394472.03212420.635662.02953330.5449681.77756340.1790310.30260750.1775820.29826660.1541150.26038370.1314970.14629180.1292140.14360590.1254410.133357100.124380.132709110.1208930.127875120.1204180.12758646Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计案例隔震设计案例地震动选取地震动选取 建筑抗震设计规范（GB50011-2001）规定，采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程。本工程选用El-centro波、Taft波两条强震记录和一条人工模拟地震动。根据规范5.1.2规定，遭遇偶遇地震时，时程分析时所用地震动加速度时程最大值为200gal，偏于安全并保证与反应谱的一致性，实际调幅达到240gal，调幅后的时程曲线如图47Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计案例隔震设计案例地震动选取地震动选取 建筑抗震设计规范（GB50011-2001）规定，当结构采用三维空间模型等需要双向地震动（两个水平向）或三向地震动（两个水平向一个竖向）输入时，其加速度最大值通常按1:0.85:0.65取值48Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计案例隔震设计案例基底剪力时程结果基底剪力时程结果 采用隔震可以大幅度降低基底剪力，保证上部结构安全49Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计案例隔震设计案例水平减震系数水平减震系数减震系数基底反力EL-Centro波人工波Taft波平均值中震非隔震结构最大值（kN）392462933530465734343545隔震结构最大值(kN)5049557100806335805156减震系数0.1290.2860.1690.194大震非隔震结构最大值（kN）784925865914971254949671隔震结构最大值(kN)17328828207030919786449减震系数0.2210.3500.1780.250 按规范规定采用设防地震动即中震值作为水平向减震系数，考虑足够的安全储备，水平向减震系数取最大值0.35。上部结构水平地震作用可以降低一度按照抗震设防烈度7度（0.10g）进行设计。50Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计案例隔震设计案例分析模型分析模型 隔震支座通过面压控制，通常控制在68Mpa，本例中最大面压为9.8Mpa51Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计案例隔震设计案例支座性能需求支座性能需求 隔震支座承载力需求竖向最大承载力需求（kN）水平最大承载力需求（kN）LRB500976.8249.3LRB6002143.0457.0LRB8004327.5657.4LRB9005633.1705.4LRB10007539.5828.4LRB120011104.4828.5位置隔震支座最大水平位移(mm)位移限值（mm）ELNSHAEWTANS平均值LRB500172.4203.598.3158.1275LRB600166.7198.395.7153.6330LRB800166.1209.6101.3159.0440LRB900154.9198.795.8149.8495LRB1000166.3209.4101.2159.0549LRB1200165.6209.0101.0158.5660 隔震支座变形需求52Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计案例隔震设计案例风荷载验算风荷载验算53Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计案例隔震设计案例风荷载验算风荷载验算支座类型屈服力Qd（kN）数量水平屈服荷载(kN)总和（KN）LRB5005384245400.2LRB60079.12158.2LRB800128.26769.2LRB900147.16882.6LRB1000167.481339.2LRB1200261.07182754Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration隔震设计案例隔震设计案例支座内力组合支座内力组合支座遍号轴力（kN）X向剪力（kN）Y向剪力（kN）支座编号轴力（kN）X向剪力（kN）Y向剪力（kN）17881.1779.4735.1205621.9789.7729.722629.6612.0574.8213759.5614.8574.335426.8694.6628.0224492.0650.1631.745510.4698.0608.0234408.2652.3613.455633.1701.7587.7244104.3705.4586.467539.5786.0631.6253241.6627.8501.172143.0457.0362.5262008.4456.4352.484256.0625.5489.127296.5249.0188.096875.3806.7613.528731.3248.7190.210254.0249.3185.129932.3247.8197.4117087.1828.4609.230941.1246.6204.5123776.6657.4491.231976.8245.2211.4135034.4826.9625.932649.3243.6219.2147542.8828.5656.9334327.5618.5563.8159143.8827.8680.53411104.4804.3704.8169321.6826.9703.53510722.4805.3681.5177083.5813.5716.3369222.6805.5658.2184777.1812.0723.5375946.3805.4629.419135.9243.1222.355Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration谢谢！敬请各位同行批评指正56