[浅析框架结构房屋的隔震设计]房屋框架结构

  摘要:本文作者根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)的有关规定,探讨了框架结构房屋的隔震设计方法和步骤。并结合工程实例对隔震技术的设计要点进行了分析。   关键词:框架结构;隔震设计
  中图分类号:TU352 文献标识码:A
  1.概述
  基础隔震技术是一种结构抵抗环境荷载(如风和地震等)的方法,与传统的抗震结构体系相比较,该方法不但能保护建筑结构,还能保护结构内部的重要设备在强震冲击下免遭破坏,其抗震设计的对象也从整体结构转变为隔震装置,大大简化了建筑结构的设计与施工,降低了建设投资,具有广阔的应用前景。
  2.框架结构的隔震设计的基本方法和步骤
  2.1.初步设计
  需要减小地震作用的钢筋混凝土框架等结构类型的房屋,采用隔震设计时应符合下列各项要求:
  2.1.1.结构体型基本规则,不隔震时可在两个主轴方向分别采用底部剪力法计算结构基本周期小于1.0s的钢筋混凝土框架房屋;
  2.1.2.建筑场地宜为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类,并应选用稳定性较好的基础类型;
  2.1.3.风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值不宜超过结构总重力的10%。
  2.2.隔震支座的布置与选型
  隔震层应设置在建筑上部结构与基础之间;有地下室的建筑,其隔震层应设置在地下室的顶部与上部结构之间。橡胶隔震支座设置在受力较大的位置,其规格、数量和分布根a据竖向承载力、侧向刚度和阻尼的要求通过计算确定。隔震层在罕遇地震下应保持稳定,不宜出现不可恢复的变形。隔震层橡胶支座在罕遇地震作用下,不宜出现拉应力。
  2.2.1.隔震支座的布置应遵循下述原则
  对于框架结构,隔震垫放置在柱下即可,可放一个或二三个组合。
  2.2.2.隔震支座的选型原则为
  (a)隔震支座的类型不宜过多;
  (b)由上部结构计算出每个支座上的轴力设计值,对橡胶隔震支座竖向平均压应力限值的规定,确定出每个柱下隔震垫的数量和直径。
  2.3.计算水平减震系数ψ(对应多遇地震的情况,即采用隔震支座剪切变形为50%时对应的水平刚度和等效粘滞阻尼比)
  对于框架结构,其隔震体系的计算简图可采用剪切型结构模型,一般情况下,宜采用时程分析法进行计算;输入地震波的反应谱特性和数量,按建筑场地类别和特征周期分区选用不少于二条的实际强震记录和一条人工模拟的加速度时程曲线,其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符;计算结果宜取平均值;求水平向减震系数时,隔震结构的层间剪力按多遇地震作用下用时程分析法计算求得。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,按表1确定。
  表1 层间剪力最大比值与水平向减震系数的对应关系
  2.4.隔震层水平位移验算(对应罕遇地震的情况,采用隔震支座剪切变形不小于250%时的水平刚度和等效粘滞阻尼比)
  隔震支座对应于罕遇地震水平剪力的水平位移,应符合下列要求:
  式中:ui为罕遇地震作用下,第i个隔震支座考虑扭转的水平位移; [ui]为第i个隔震支座的水平位移限值,对橡胶隔震支座,不应超过该支座有效直径的0.55倍和支座各橡胶总厚度3.0倍二者的较小值。
  隔震支座的位移可用时程分析法求出。
  2.5.隔震层下部结构验算(对应罕遇地震的情况,采用隔震支座剪切变形不小于250%时对应的剪切刚度和等效粘滞阻尼比)
  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、水平力和弯矩进行计算。
  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按各隔震支座的水平刚度分配;当按扭转耦联计算时,尚应计及隔震支座的扭转刚度,从而计算各隔震垫的水平剪力、竖向力等。
  2.6.构造要求
  有关隔震层和上部结构措施可按规范采用。
  3.框架结构隔震算例
  3.1.工程概况
  试点建筑为一住宅楼,其工程概况如下:
  3.1.1.房屋结构型式:钢筋混凝土框架结构(不带地下室,外墙为200mm厚加气混凝土砌块,内墙为120mm厚加气混凝土砌块和60厚轻质隔墙,均用M5混合砂浆砌筑)。
  3.1.2.房屋建筑平面图见图1,主要数据见表2:
  表2
  3.1.3.抗震设防烈度:7度。
  3.1.4.建筑场地类别为Ⅲ类,设计地震分组为一组。
  3.2.初步设计表明,该建筑符合采用隔震方案的基本要求,隔震层设在基础上部,第一层下部。
  3.3.隔震支座的选型、布置由上部结构计算出每个柱下的竖向力,按照表1关于丙类建筑隔震支座平均压应力限值小于等于15MPa的规定(本建筑为丙类建筑),初步确定出每个柱下支座的直径及数量(隔震支座的平面布置图见图1)。
  图1建筑平面及隔震垫布置图
   通过反复计算,择优选取三种类型的隔震支座:GZY500V5A(10个);GZY600V5A(10个);GZY700V5A(7个)。其刚度、阻尼比、总数及橡胶支座的第二形状系数见表3。
  表3
  3.4.隔震的分析方法和原则
  按照对建筑结构隔震设计的计算分析的具体规定,本隔震体系的计算简图采用剪切型结构模型,按抗震设防烈度8度,采用时程分析法对结构的隔震和不隔震状态进行对比分析。
  3.4.1.隔震分析计算简图见图2,在分析模型中考虑了隔震层的扭转影响。
  图2上部结构、隔震层、基础示意图
  3.4.2.地震波的选择
  对于框架结构,采用时程分析法进行计算时,根据对地震波的要求,选取三条大震波: wave中的8l.1,8l.2,8l.3和三条小震波:wave中的8s.1,8s.2,8s.3,其中第3条波为人工地震波,其余二条为天然地震波,所选地震波的反应谱曲线均与《规范》中地震影响曲线比较靠近,可实现三条波的平均地震影响线曲线与规范地震影响线曲线有良好的统计意义上相符。
  3.4.3.水平减震系数ψ的确定
  由前面步骤可知,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确定,表5给出时程分析的结果,其中非隔震的结果是三条波的平均值。
  由表4可知,x方向层间最大剪力比为0.292,按表1可求得x方向水平减震系数为0.423;y方向层间最大剪力比为0.273,按表1插值可求得y方向水平减震系数为0.397。
  根据规范规定,当水平向减震系数不大于0.50时,宜进行竖向地震作用计算。
  3.5.上部结构验算
  在计算上部结构总的地震作用时,最大地震系数的取值应按水平减震系数乘以《规范》第5.1.4条规定的非隔震结构的水平最大地震影响系数,并用此时求得的地震作用按各层重力分配得到各层的地震作用。
  3.6.隔震层水平位移的计算
  水平位移验算(取四个角支座)由公式(1)验算隔震支座对应于罕遇地震水平剪力的水平位移。其中:
  [ui]=min{ 0.55倍有效直径,支座橡胶总厚度的3倍}
  min{0.55×490=269.5mm,133.93×3=401.79mm}=269.5mm
  由时程分析法计算出罕遇地震时四个角隔震支座的水平位移ui,如表5所示
  显然,x方向最不利支座为轴①/C(GZY500V5A),其最大位移是225.325mm,小于隔震支座的水平位移限值(269.5mm);y方向最不利支座为轴①/C(GZY500V5A)和轴⑨/C,其最大位移是235.6mm,小于隔震支座的水平位移限值(269.5mm),故支座布置满足要求。
  3.7.隔震层以下结构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)
  3.7.1.隔震层的总剪力的计算
   隔震层的总剪力按时程分析法计算出的罕遇地震下的水平剪力平均值求得:
  Vcx=(7021.53+6398.09+7781.35)/3= 7066.99kN
  Vcy=(7038.84+6417.06+7801.27)/3= 7085.72kN
  3.7.2.隔震层的总刚度的计算
  Kh=1.37×10+1.52×10+1.57×7=39.89kN/mm
  3.7.3.各隔震支座的受力情况
  各隔震支座的水平剪力按刚度分配,各隔震垫的受力情况见表6。
  隔震基础的受力简图(以轴①/C为例),见图3。
  图3轴①/C隔震基础的受力简图
  3.8.构造要求
  有关隔震层和上部结构措施可按规范规定采用。
  结语
  通过实例说明新规范中关于框架结构隔震设计的基本方法和设计过程,可供设计人员参考。
  参考文献
  [1]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].
  [2]戴国莹,房屋建筑的隔震设计和消能减震设计 GB50011-2001《建筑抗震设计规范》[J].建筑科学,2002(06).
  [3]李韵楠. 钢结构框架抗震和消能问题的探讨[J].陕西建筑,2007,