建筑隔震与消能减震知识分享

第十五讲建筑隔震与消能减震设计规定一、隔震与消能减震是减轻建筑结构地震灾害的新技术地震释放的能量以震动波为载体向地球表面传播。

通常的建筑物因和基础牢牢地连接在一起，地震波携带的能量通过基础传递到上部结构，进入到上部结构的能量被转化为结构的动能和变形能。

在此过程中，当结构的总变形能超越了结构自身的某种承受极限时，建筑物便发生损坏甚至倒塌。

1、什么是房屋结构的“隔震设计”《隔震》，即隔离地震。

在建筑物基础与上部结构之间设置由隔震器、阻尼器等组成的隔震层，隔离地震能量向上部结构传递，减少输入到上部结构的地震能量，降低上部结构的地震反应，达到预期的防震要求。

地震时，隔震结构的震动和变形均可只控制在较轻微的水平，从而使建筑物的安全得到更可靠的保证。

表15.1列出了隔震设计和传统设计在设计理念上的区别。

表 15.1 隔震房屋和抗震房屋设计理念对比隔震器的作用是支承建筑物重量、调频滤波，阻尼器的作用是消耗地震能量、控制隔震层变形。

隔震器的类型很多。

目前，在我国比较成熟的是“橡胶隔震支座”。

因此，本《规范》所指隔震器系指橡胶隔震支座（规范12.1.1条注1）。

在隔震设计中采用其他类型隔震器时，应作专门研究。

2、什么是房屋建筑的“消能减震设计”在建筑物的抗侧力结构中设置消能部件（由阻尼器、连接支撑等组成），通过阻尼器局部变形提供附加阻尼，吸收与消耗地震能量。

这样的房屋建筑设计称“消能减震设计”。

采用消能减震设计时，输入到建筑物的地震能量一部分被阻尼器所消耗，其余部分则转换为结构的动能和变形能。

这样，也可以达到降低结构地震反应的目的。

阻尼器有粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、金属阻尼器、电流变、磁流变阻尼器等。

3、隔震和消能减震设计的主要优点隔震体系能够减小结构的水平地震作用，已被理论和国外强震记录所证实。

国内外的大量试验和工程经验表明：“隔震”一般可使结构的水平地震作用降低60％左右，从而消除或有效地减轻结构和非结构的地震损坏，提高建筑物及其内部设施、人员在地震时的安全性，增加震后建筑物继续使用的能力。

采用消能方案可以减少结构在风作用下的位移已是公认的事实，对减少结构水平和竖向地震反应也是有效的。

4、隔震和消能减震设计的适用范围1)、隔震设计的适用范围规范12.1.3条对隔震结构提出了一些使用要求。

根据研究：隔震结构主要用于体型基本规则的低层和多层建筑结构。

日本和美国的经验表明，不隔震时基本周期小于1.0秒的建筑结构减震效果与经济性均最好，对于高层建筑效果较差。

国外对隔震建筑工程的较多考察资料表明：硬土场地较适合于隔震建筑；软弱场地滤掉了地震波的中高频分量，延长结构的周期有可能增大而不是减小其地震反应。

墨西哥地震就是一个典型的例子。

日本“隔震结构设计技术标准”（草案）规定，隔震建筑适用于一、二类场地。

我国Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地的反应谱周期均较小，故都可建造隔震建筑。

隔震设计中对风荷载和其他非地震作用的水平荷载给予一些限制（规范12.1.3条3款）是为了保证隔震结构具有可靠的抗倾覆能力。

就使用功能而论，隔震结构可用于：医院、银行、保险、通讯、警察、消防、电力等重要建筑；首脑机关、指挥中心以及放置贵重设备、物品的房屋；图书馆和纪念性建筑；一般工业与民用建筑；建筑物的抗震加固。

2)、消能设计的适用范围消能部件的置入，不改变主体承载结构的体系，又可减少结构的水平和竖向地震作用，不受结构类型和高度的限制，在新建和建筑抗震加固中均可采用。

二、隔震与消能减震设计要求1、设计方案建筑结构的隔震和消能减震设计，应根据建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求，与建筑抗震设计的设计方案进行技术、经济可行性的对比分析后，确定其设计方案。

隔震与消能减震设计第一次纳入我国《建筑抗震设计规范》，为积极、稳妥起见，应认真做好方案比较、论证工作。

2、设防目标采用隔震和消能减震设计的房屋建筑，其抗震设防目标应高于抗震建筑。

（规范第3.8.2条）。

1)、在水平地震方面，本章表15.2、15.4及规范第12.2.6、12.2.9条等保证了隔震结构具有比抗震结构至少高0.5个设防烈度的抗震安全储备。

2)、规范规定：消能减震结构的层间弹塑性位移角限值宜大于1/80。

提高了对框架及多高层钢结构等的弹塑性层间位移角限值要求。

3、隔震与消能部件设计文件上应注明对隔震部件和消能部件的性能要求；隔震和消能减震部件的设计参数和耐久性应由试验确定；并在安装前对工程中所用各种类型和规格的消能部件原型进行抽样检测，每种类型和每一规格的数量部应少于3 个，抽样检测的合格率应为100%；设置隔震和消能减震部件的部位，除按计算确定外，应采取便于检查和替换的措施。

消能部件应对结构提供足够的附加阻尼，尚应根据其结构类型分别符合本规范相应章节的设计要求。

三、 隔震设计要点本规范隔震设计条文提出了分部设计法和水平向减震系数，在设计方法上建立起了一座联系抗震设计和隔震设计之间的桥梁，力图使设计人员已经熟悉的抗震设计知识、抗震技术在隔震设计中得到应用，这是本规范的重大特色。

1、分部设计方法把整个隔震结构体系分成上部结构（隔震层以上结构）、隔震层、隔震层以下结构和基础四部分，分别进行设计。

2、上部结构设计应用“水平向减震系数”设计上部结构。

1)、水平向减震系数概念公式（15.1）及其符号解释，描述了本《规范》提出的“水平向减震系数”概念。

7.0/)(max i ψψ= （15.1-1）i gi i Q Q /=ψ （15.1-2）其中ψ——水平向减震系数。

max )(i ψ——设防烈度下，相应于结构隔震与非隔震时各层层间剪力比的最大值。

i ψ——设防烈度下，结构隔震时第i 层层间剪力与非隔震时第i 层层间剪力比的最大值。

gi Q ——设防烈度下，结构隔震时第i 层层间剪力。

i Q ——设防烈度下，结构非隔震时第i 层层间剪力。

2)、水平向减震系数计算与取值计算水平向减震系数的结构简图可可采用剪切型结构模型（图15.1）；当上部结构的质心与隔震层刚度中心不重和时，宜计入扭转变形的影响。

分析对比结构隔震与非隔震两种情况下各层最大层间剪力，宜采用多遇地震下的时程分析。

输入地震波的反应谱特性和数量，应符合本规范5.1.2条规定。

计算结果宜取其平均值。

当处于发震断层10km 以内时，若输入地震波未考虑近场影响，对甲乙类建筑，计算结果尚应乘以近场影响系数：5km 以内取1.5，5～10km 取1.25。

砌体结构及基本周期与其相当的结构可按附录L 简化计算。

当结构隔震后各层最大层间剪力与非隔震时对应层最大层间剪力的比值不大于表15.2中第一行各栏的数值时，可按该表确定水平向减震系数。

表 15.2 层间剪力最大比值与水平向减震系数的对应关系减震系数计算和取值涉及上部结构的安全，涉及《规范》规定的隔震结构抗震设防目标的实现。

因此，减震系数不应取得比表15.2列出的值低。

3)、上部结构水平地震作用计算—水平向减震系数应用①、水平地震影响系数的最大值可取本规范 5.1.4条规定的水平地震影响系数最大值（即，非隔震时的值）和水平向减震系数的乘积。

水平向减震系数不宜低于0.25,且隔震后结构的总水平地震作用不得低于非隔震时6度设防的总水平地震作用。

②、隔震后，地震时上部结构基本处于平动状态。

因此，上部结构水平地震作用沿高度可采用矩形分布。

4)、上部结构竖向地震作用计算9度和8度且水平向减震系数为0.25时，上部结构应进行竖向地震作用计算；8度且水平向减震系数不大于0.5时，宜进行竖向地震作用计算。

竖向地震作用标准值F Evk ，8度和9度时分别不应小于隔震层以上结构总重力荷载代表值的20%和40%。

各楼层可视为质点，按本规范（5.3.1-2）式计算其竖向地震作用标准值沿高度的分布。

5)、隔震及构造措施图 15.1 隔震结构计算简ςeq k h m n m n-1①、隔震建筑应采取不阻碍隔震层在罕遇地震下发生大变形的下列措施：上部结构的周边应设置防震缝，缝宽不宜小于各隔震支座在罕遇地震下的最大水平位移值的1.2倍；上部结构（包括与其相连的任何构件）与地面（包括地下室和与其相连的构件）之间，应设置明确的水平隔离缝；当设置水平隔离缝确有困难时，应设置可靠的水平滑移垫层；在走廊、楼梯、电梯等部位，应无任何障碍物。

②、丙类建筑上部结构的抗震措施，当水平向减震系数为0.75时不应降低非隔震时的要求；水平向减震系数不大于0.50时，可适当降低本规范有关章节对非隔震建筑的要求，但与抵抗竖向地震作用有关的抗震构造措施不应降低。

③、砌体结构按本规范附录L采取抗震构造措施。

④、钢筋混凝土结构柱和墙肢的轴压比控制仍应按非隔震的有关规定采用。

其他计算和构造措施要求，可按表15.3划分抗震等级，再按本规范6章的有关规定采用。

3、隔震层设计1)、隔震层布置隔震层设计应根据预期的水平向减震系数和位移控制要求，选择适当的隔震支座、阻尼器以及抵抗地基微震动与风荷载提供初刚度的部件组成隔震层。

隔震层位置宜设置在第一层以下部位。

当位于第一层及以上时，结构体系的特点与普通隔震结构可有较大差异，隔震层以下的结构设计计算也更复杂，需作专门研究。

隔震层的平面布置应力求具有良好的对称性，以提高分析计算结果的可靠性。

2)、隔震支座竖向承载力验算隔震支座应进行竖向承载力验算。

隔震层设计原则是罕遇地震不坏。

橡胶隔震支座平均压应力限值和拉应力规定是隔震层承载力设计的关键。

《规范》规定：隔震支座在永久荷载和可变荷载作用下组合的竖向平均压应力设计值不应超过表15.4列出的限值。

在罕迂地震作用下，不宜出现拉应力。

表15.4 橡胶隔震支座平均压应力限值注：1．对需验算倾覆的结构，平均压应力设计值应包括水平地震作用效应组合；对需进行竖向地震作用计算的结构，平均压应力设计值应包括竖向地震作用效应组合；2．当橡胶支座的第二形状系数小于5.0时，应降低平均压应力限值：不小于4时，降低20%，小于4不小于3时，降低40%；3. 有效直径小于300mm的橡胶支座，其平均压应力限值对丙类建筑为12Mpa。

隔震支座的基本性能之一是“稳定地支承建筑物重力”。

通过规定表15.4列出的平均压应力限值，保证了隔震层在罕遇地震时的强度及稳定性，并以此初步选取隔震支座的直径。

根据Haringx弹性理论，按屈曲要求，以压缩荷载下使叠层橡胶的水平刚度为零的压应力作为屈曲应力σcr，该屈曲应力取决于橡胶的硬度、钢板厚度与橡胶厚度的比值、第一形状系数S1和第二形状系数S2等。

通常，隔震支座中间钢板厚度是单层橡胶厚度之半，比值取为0.5。

对硬度为30～60共七种橡胶，以及s1=11、13、15、17、19、20和s2＝3、4、5、6、7，累计210种组合进行了计算。