隔震结构设计指导手册

建筑结构隔震设计指导宋廷苏、管庆松编写王广宇审核云南震安减震技术有限公司二零一二年四月目录一、前期咨询..........................................................-1-二、建筑结构隔震设计..................................................-2-1隔震设计流程...................................................-2-2确定隔震层位置.................................................-3-2.1隔震层层高...............................................-3-2.2隔震层一般设置位置.......................................-3-2.3人防建筑隔震层设置位置...................................-3-2.4大底盘多塔结构隔震层设置位置.............................-3-2.5其他.....................................................-4-3初定隔震目标...................................................-4-4上部结构设计...................................................-5-4.1隔震设计一般原则.........................................-5-4.2结构模型底层柱下端改为铰接约束...........................-6-4.3竖向地震作用考虑.........................................-7-4.4最小层间剪力............................................-12-4.5底层柱弯矩放大系数......................................-12-4.6抗震措施................................................-12-4.7抗震构造措施............................................-13-5隔震层以下结构设计............................................-14-6基础设计......................................................-14-三、隔震构造措施.....................................................-14-四、鸣谢.............................................................-30-五、参考资料和图集...................................................-30-  一、前期咨询建筑结构隔震设计的前期咨询，就是结合当地抗震设防烈度、场地类别、结构形式、高宽比以及是否有地下室等，评估该项目采用隔震技术的可行性和经济性，指出设计（建筑、结构、水电气等各个专业）要注意的问题，并对隔震构造措施等提出相应的意见和建议（咨询均为免费服务）。咨询主要讨论三方面的问题：隔震层的设置位置、隔震构造措施和隔震目标。，其目的是避免没有做过隔震设计的人员或不熟悉隔震设计的人员在前期方案设计、结构设计、隔震设计出现原则性的错误，从技术上提供支持，形成解决方案，指导设计，确保建筑上部结构的设计、隔震层设计、下部结构设计以及地基基础设计能够顺利进行。在咨询中，常见的问题如下。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。根据我公司大量工程经验，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）隔震技术对低层、多层以及高层建筑均比较合适，但不应仅限于基本自振周期在1s内的结构，因为超过1s的结构采用隔震同样有效，国外大量隔震建筑也验证了这点，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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，并应选用稳定性较好的基础类型。6）对于单栋隔震建筑，其周边水平隔震缝宜留300mm；对于两栋相邻的隔震建筑，两栋隔震建筑之间的隔震缝宜留600mm。隔震构造措施要满足规范要求，隔震沟的处理可以参考标准图集。7）在带有剪力墙的结构体系中，承托剪力墙的梁可定义为转换梁，来考虑剪力墙传至水平构件的内力放大。整个隔震层，无须按照转换层考虑，仅需按转换构件进行设计。（转换梁的抗震等级宜适当提高）二、建筑结构隔震设计1隔震设计流程在隔震前期咨询确定了隔震层的位置和初步确定了隔震目标，下面开始进行隔震设计了。目前，我国隔震设计采用分部隔震设计方法，即整个隔震结构的设计分成四部分：上部结构设计、隔震层设计、下部结构设计和基础设计。通常，上部结构设计、下部结构设计和基础设计由设计院完成，隔震层设计由专门从事隔震分析计算的专业人员完成。设计院人员先根据隔震层的位置和隔震目标等条件，使用PKPM进行上部结构的设计，隔震分析计算的专业人员依据设计院提供的PKPM模型进行隔震层的设计，通常采用ETABS、SAP2000或MIDAS等软件。隔震层设计完毕后，将提供罕遇地震下各个支座的剪力、轴力和位移，向设计院据此进行下部结构设计。最后，进行基础设计。隔震设计流程如图1所示。2确定隔震层位置2.1隔震层层高建筑结构隔震设计的第一步就是初定隔震层位置。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。这样这一层的层高至少为“800+梁高”。2.2隔震层一般设置位置对于有地下室的建筑，可以将隔震层设置在地下室这一层，隔震支座放置位置设置在地下室柱顶、柱中、柱底均可，可以根据地下室实际使用功能来选择支座放置位置。绝大多数情况下放在地下室柱顶，这样可以减少了单独设置隔震造成的费用增加，使得隔震建筑具有良好的经济性。对于地下室层高比较高的建筑，隔震层放置在地下室这一层，由于《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）12.2.9条第一款规定：隔震层支墩、支柱及相连构件，应采用隔震结构罕遇地震下隔震支座的竖向力、水平力和力矩进行承载力验算。如果将隔震支座设置在柱顶，必然导致下支墩高度很高，计算长度很长，这样导致下支墩很肥大，不利于地下室的使用。因此可以将下支墩做成牛腿，也可以在下支墩顶部设置拉梁，还可以单独做一个隔震层。2.3人防建筑隔震层设置位置特别地，对于有人防要求的建筑，其隔震层应设在人防地下室的上面一层。2.4大底盘多塔结构隔震层设置位置大底盘多塔结构，考虑到大底盘可能用做车库或者商场，大底盘层柱距较大，为不影响大底盘层的使用功能，可将隔震层设置在大底盘层上面一层，即在上部结构与大底盘层之间，专门设置层高1.5m～2.0m的隔震层。2.5其他按照《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）12.2.8条规定：隔震支座的相关部位应采用现浇混凝土梁板结构，现浇板厚度不应小于160mm；隔震层顶部梁、板的刚度和承载力，宜大于一般楼盖梁板的刚度和承载力。总之，隔震层的位置要根据具体工程具体分析，要结合结构形式、有无地下室、周边环境来综合确定。3初定隔震目标建筑结构隔震设计的第一步就是初定隔震目标。如果当地的抗震设防烈度为9度（0.4g），考虑到场地条件好（Ｔg小）、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，隔震目标为降一度半，即上部结构设计时，水平地震作用要按照7度（0.15g）进行考虑。通常被大家称之为，上部结构按照降低一度半设计。这里需要强调的是：一、当地的抗震设防烈度并没有降低，仅仅水平地震作用降低；二、整个结构的抗震能力没有降低，相反结构的抗震能力大大提高了；三、降低一度半也仅指降低水平地震作用，竖向地震作用仍保持不变，特别对于高烈度地区，隔震建筑设计中考虑的竖向地震作用比传统抗震建筑大得多。根据以往大量隔震工程项目经验，场地条件较好，属于Ⅰ、Ⅱ类场地，上部结构比较规则、质量和刚度分布均匀。层数6层及以下时，多采用框架结构，可以初步确定隔震目标为降低一度半；6～12层时，位于高烈度区，一般会采用框剪结构或者剪力墙结构，可以确定隔震目标降低一度或者一度以上，比如抗震设防烈度9度，采用隔震技术后多遇地震影响系数可由0.32降至0.14；对于12～22层的隔震建筑，可以确定隔震目标降低一度。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。4上部结构设计依据隔震后的地震作用水平（如7度（0.15g）），进行上部结构设计。这里需要注意几个问题。4.1隔震设计一般原则1）高层建筑多采用剪力墙结构，在开始定方案时，应注意结构的高宽比不宜过大，对于9度地区，一般控制在3以内比较好，不宜超过4。2）剪力墙结构，结构周边要尽量少布置剪力墙，尽量将剪力墙布置在结构内部，剪力墙的布置不宜过于集中，同时在satwe中验算罕遇地震时，尽量避免结构出现拉力。3）剪力墙结构，隔震层可以做成转换，即按照特殊构件“转换梁”来指定，无须按照转换层来定义。隔震层的转换梁柱尺寸会较大，确保隔震层的刚度和承载力，宜大于一般楼盖梁板的刚度和承载力。4）转换层的柱子布置不宜过密，过密导致支座布置密集，隔震层刚度大，减震效果不好，也会导致单个支座的压力变小，在罕遇地震下，支座容易出现拉应力，而隔震结构应尽量避免出现拉力。5）《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中已经取消了剪力墙结构支座布置间距2米的限制。经过近十年的发展，隔震技术应用成熟，隔震产品性能稳定，并且大直径的支座已经能够顺利生产，因此不再受到支座直径小、性能不稳定的限制。6）对于框架结构，应考虑底层柱弯矩放大的正确位置，宜采用定义一层地下室（土体约束为0）的结构模型复核一层柱子的配筋（即相当于隔震层为上部结构的嵌固端），其余构件的配筋按隔震层为上部结构的模型配设。7）罕遇地震下，隔震支座不宜出现拉应力，当少数隔震支座出现拉应力时，其拉应力不应大于1MPa。8）罕遇地震下，隔震支座最大水平变位应小于其有效直径的0.55倍和各橡胶层总厚度3倍二者的较小值。9）考虑到扭转影响，结构周边位移可能会稍大，铅芯隔震支座尽可能布置在周边。天然橡胶支座布置在中间，有铅芯支座和天然支座混用，可以提高隔震效率。4.2结构模型底层柱下端改为铰接约束考虑到隔震橡胶支座的抗扭刚度、抗弯刚度相对混凝土柱非常小，或者说隔震橡胶支座传递弯矩和扭矩的能力弱，因此，为了使模型结构的受力状态与真实结构的受力状态更接近，建筑结构模型的底层柱改为下端铰接约束。PKPM中实现过程如下图所示。①点击SAT-8或SATWE，再选“接PM生成SATWE数据”，再点击“应用”按钮。②在“SATWE前处理――接PM生成SA