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[概念] 结构概念设计之隔震概念设计

一、抗震与隔震概述
       在地震过程中,造成人员伤亡和财产损失的主要原因是建筑结构的破坏和倒塌(楼板落地是倒塌的标志)。因此,要减少或避免地震灾害的重要途径是增加建筑结构的抗震能力,使建筑结构在地震作用下少倒塌或是不倒塌。为了实现这一目标,传统的抗震理论是通过增加建筑结构刚度和强度,并保障结构延性储备,依靠自身强度和塑性变形吸收地震能量,使建筑结构在大震作用下不倒塌
     可见传统的抗震结构是通过结构和结构构件来抵抗并消耗地震能量的,设计时将地震作用作为一种外加荷载,与作用在结构上的其他荷载进行组合来设计和验算结构是否满足设计和使用要求。
结构概念设计文章可看:

【JY|理念】结构概念设计之(结构体系概念)

【JY|理念】结构概念设计之(设计理念进展)

      然而,在烈度较高地区或是安全级别较高的建筑物,采用传统的抗震方法较难满足要求,即便满足安全要求,也会牺牲建筑功能或是其他要求(如传统结构设计的医院,在大震后几乎丧失了救助能力)。
      而隔震和消能减震技术则提供一条新的抗震途径。尤其是隔震技术,经历过实际地震检验,可以有效的减轻地震作用,提升工程抗震能力,对保护人民生命财产安全、减轻震害具有明显的经济效益和社会效益。隔震结构则增加了专门的变形和耗能装置:橡胶隔震支座和阻尼器(如铅阻尼器、油阻尼器、钢棒阻尼器、粘弹性阻尼器、滑板支座等),橡胶隔震支座具有提供竖向承载能力、弹性复位能力、良好的变形能力等特性,此外铅芯橡胶隔震支座同时还具有消耗地震能量的耗能特性。
     此外,传统的抗震结构体系中,低层建筑物的基本自振周期与地震动的卓越周期接近,而隔震结构体系通过隔震层的设计,使隔震结构的周期延长到2~5秒,能够有效地降低了结构的地震加速度反应。
     隔震技术的被动控制中最为成熟和应用广泛的就是基础隔震技术。与传统抗震技术不同,基础隔震技术的设防策略立足于“隔”,采用“拒敌于门外”的防御战术,“以柔克刚”,利用专门的隔震元件在建筑物和基础之间设置隔震层,将输入地震波中与结构发生共振的频率段过滤掉,以集中发生在隔震层的较大相对位移为代价,阻隔地震能量向上部结构的传递,大大提高建筑物的可靠性和安全性。可以说,从“抗”到“隔”,是建筑抗震设防策略的一次的重大改变和飞跃。目前大部分采用的隔震支座通常是橡胶隔震支座或是摩擦型隔震支座。

橡胶支座模拟与概述可看:

【JY】橡胶支座精细化模拟与有限元分析注意要点

【JY】橡胶支座的简述和其力学性能计算

简而言之,隔震技术的核心问题是寻找柔性层的构件,根据隔震体系的原理可知,柔性层构件需要满足以下要求:
  • (1)具有足够的竖向刚度和竖向承载力,能够稳定地支承建筑物。
  • (2)具有足够柔的水平刚度。
  • (3)具有足够大的水平变形能力储备,以确保在强震作用下不会出现失稳现象。
  • (4)水平刚度受垂直压缩荷载的影响较小。
  • (5)具有足够的耐久性,至少大于建筑物的设计基准期。

     由于减隔震的优势,中华人民共和国国务院令第744号文件,公布《建设工程抗震管理条例》(2021年5月12日版)自2021年9月1日实行,强制高烈度地震区学校、医院等人员密集公共建筑采用减隔震技术进行设计,强制要求使用减隔震技术进行结构设计。这些措施使得减隔震技术得到了进一步的推广和应用。
http://www.gov.cn/zhengce/content/2021-08/04/content_5629341.htm
此外,住房和城乡建设部于20210528也发布公告批准《建筑隔震设计标准》为国家标准,自2021年9月1日起实施。
     住房和城乡建设部明确,除特殊规定外,隔震建筑的基本设防目标是:当遭受相当于本地区基本烈度的设防地震时,主体结构基本不受损坏或不需修理即可继续使用;当遭受罕遇地震时,结构可能发生损坏,经修复后可继续使用;特殊设防类建筑遭受极罕遇地震时,不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。
此次新颁布的《新隔标》对隔震结构设计提出的应对方案有:
  • (1)设计阶段分析以CCQC复振型分解反应谱法为主;
  • (2)通过刚度、阻尼比迭代实施局部非线性的等效线性化;
  • (3)以局部非线性时程分析为中震设计阶段提供包络补充;
  • (4)罕遇、极罕遇地震整体弹塑性动力时程评估验算分析。

此外,《隔标》还提出了对隔震结构的地震作用计算及对隔震结构验算的相关细节、隔震支座及隔震构造细节;对多层与高层结构、大跨结构、砌体结构、底框抗震墙结构、核电厂结构的隔震设计要点做了详细要求等
二、橡胶隔震支座的源起
      1969年南斯拉夫震灾后重建,柏斯坦劳奇(Skopje)小学工程中首先使用了纯橡胶隔震支座,这是现代最早的隔震建筑。1975年,新西兰学者Robinson通过在天然橡胶隔震支座中设置铅芯的做法,研制出铅芯橡胶隔震支座,解决了天然橡胶隔震支座阻尼小、耗能能力差以及初始刚度过小的的问题,极大地推动了隔震技术的实用化进程。铅芯橡胶隔震支座问世几年后。于80年代初,在新西兰建成的William Clayton办公楼是世界上首个采用铅芯橡胶隔震支座的隔震建筑,因而此建筑在隔震技术的发展史上具有里程碑意义。
新西兰建成的William Clayton办公楼
     在国内,上个世纪80年代末到90年代初期,我国许多学者开始重视起隔震思路的必要性。在橡胶隔震元件研发上最具有代表性的两位专家分别是:华中科技大学的唐家祥教授和广州大学的周福霖院士。
     唐家祥教授对橡胶支座隔震元件和体系进行了系统的理论、试验和应用研究,并率先自主开发了橡胶支座产品。1993年,编著出版了国内第一部建筑隔震专著《建筑结构基础隔震》。1995年,首次对橡胶支座的耐久性机理进行了试验对比研究,提出了科学解释。并对竖向隔震进行了系统研究,提出了一些有价值的成果。
    同期,周福霖院士等对橡胶支座隔震技术在国内的应用进行了探索,特别是在工程应用和标准编制方面,对于推动我国隔震技术应用起了较大的积极作用,并指导建成国内第一家专业的橡胶隔震支座生产厂家(汕头和泰隔震器材有限公司)。1995~1997年,作了橡胶支座隔震框架的振动台试验和大量的常用的橡胶隔震支座的性能试验研究。1997年,周福霖院士编著出版了《工程结构减震控制》一书。在1999~2000年,周福霖院士团队对大直径橡胶支座的力学性能进行了足尺试验,也对橡胶支座的耐久和耐火性能进行了试验研究。直至现在他们的成果也影响这后辈对减隔震技术的发展与探究。
全国第一栋隔震建筑(汕头凌海居民楼)
“世界建筑隔震技术发展的第三个里程碑”
三、《隔震标准》与《抗规》做法差异和提升
1、基本设计目标的不同
    《隔标》明确了隔震建筑的基本设防目标,可以概括为:“中震不坏、大震可修、巨震不倒”,而《抗规》的基本设计目标为:“小震不坏,中震可修,大震不倒”。因此在设防目标提高了一个等级。从而也决定了按照新隔标进行隔震结构设计不再是小震设计,而是中震设计。
2、设计方法的不同
     在《抗规》中对于隔震结构设计方法采用的是水平减震系数法,即分步设计法,将隔震层上下结构进行分开设计,采用该方法进行隔震结构设计时,需要根据设置隔震层以后的隔震模型人为生成一个假定的非隔震模型,并以该非隔震模型为基础进行设计。但隔震结构分步设计法中,按照降度的思想将隔震结构转换为传统抗震结构进行受力分析,其与隔震结构实际受力结果有较大的差别,这种差别导致隔震结构的破坏模式与设计者预期的破坏模式不一致,进而导致结构存在安全隐患,而且也不利于结构设计经济性原则。
     《隔标》不再采用分步设计法,而是将上部结构与隔震层作为一个整体进行中震设计,更能体现隔震结构真实的地震响应和受力状态。因此对于《隔标》,不再通过隔震层上部按照小震,控制结构小震下层间位移角,而是对上部结构直接按照中震设计,控制结构中震下的层间位移角
3、分析方法差异
     《隔标》中隔震结构分析方法在原来的基础上,增加了复振型分解反应谱方法。由于将上部结构和隔震层作为整体进行分析设计时,上部楼层与隔震层阻尼比存在明显差异导致振型对于阻尼矩阵不再满足正交条件动力方程式无法直接进行解耦求解,如果强行解耦(舍弃阻尼矩阵的非对角线元素),则会导致计算结果产生较大误差,复模态分析方法的引入可以较好的去解决这个问题。
4、反应谱差异
     《隔标》和《抗规》地震作用计算时,采用的反应谱不同,分别采用三段式反应谱、四段反应谱。由于隔震结构通常有结构系统有较高的阻尼比,若等效线性后,采用反应谱分析,《抗规》反应谱会带来长周期段反翘的不合理问题,并且在转换为速度反应谱时,在长周期段《抗规》的速度存在不合理递增。因此目前《隔标》采用的三段式反应谱对于《抗规》在隔震结构设计中更加合理。
5、橡胶支座等效方式不同
     《抗规》采用反应谱设计时,支座的等效刚度及等效阻尼比按照中震剪切变形100%,罕遇地震250%剪切变形进行等效取值。这对于隔震结构的位移预测是拍脑袋不合理的,对于《隔标》进行了改进采用隔震支座的等效刚度及等效阻尼比采用的是迭代的方式求解,获取合理的支座剪切变形,从而得到较为合理的支座等效刚度及等效阻尼比。
6、高宽比差异
     为了防止隔震结构摇摆倾覆问题,《抗规》做了限制隔震结构高宽比的限制,并同时限制了隔震支座拉应力小于1Mpa。随着我们对于橡胶支座的力学性能的认知提升,《隔标》中不再限制隔震结构的高宽比限制但依然需限制橡胶隔震支座拉应力1Mpa。
四、隔震技术的部分问题讨论
1、隔震结构设计方法总结
综上可知,现阶段隔震设计方法的研究和应用情况,可归纳为以下三种方法:
  • (a)以反应谱和地震动输入为基础,以静力弹性和动力弹塑性分析方法为计算工具的分步设计法;(《抗规》做法)

  • (b)以反应谱为基础,以迭代等效线性化分析方法为计算工具,采用复振型分解反应谱法的整体设计法。(《隔标》做法)

  • (c)以地震动输入为基础,以动力弹塑性分析方法为计算工具的整体设计法;(《抗规》/《隔标》做法)
      虽然上述(2)对隔震结构设计已经有较好的提升,但对于该做法而已而言,尽管有学者提出调整我国规范反应谱长周期段的表达,来提高分析精度,但是这些方法均是降低长周期段的强度,而降低长周期段强度同时也降低了现有规范设计结果的安全储备,也有学者提出了各种等效参数计算方法来提高其计算精度(包括《隔标》的迭代法)。但是这里所说的精度较高,大多是通过对比非线性时程分析结果与其等效线性体系时程分析结果来体现,而与基于反应谱分析结果对比精度却并不一定高。由于地震的离散性,仍旧需要结构工程师在隔震结构设计上采用概念设计判断。
     概念设计是运用人的思维和判断力,从宏观上决定结构设计中的基本问题。要做好这项工作的首要条件,是对结构的功能要有比较透彻的了解。掌握了隔震结构受力的规律和真实情况,用正确的概念指导工作,就能掌握重点,冲破由于对问题的错觉或狭隘经验所产生的障碍和束缚;同时,才能使结构设计更好的符合客观实际,创造出优秀的设计成果,避免在设计中发生原则性的错误。
隔震建筑——汕头博物馆
2、隔震结构的框架填充墙考虑依我之见
     在传统抗震设计中,因为考虑框架填充墙对结构抗侧刚度的影响,所以对结构自振周期进行折减,进而实现对地震作用的放大。对于传统框架结构,填充墙确实可以提高整个结构的抗侧刚度,但是,对隔震结构而言,由于隔震层刚度非常小,对整个隔震体系的刚度起着控制作用,填充墙仅能提高上部结构的刚度,而对隔震结构体系的刚度影响较小。因此,填充墙对隔震体系刚度的影响并不会使隔震体系地震作用发生明显的变化。如果按照传统的抗震设计方法对隔震体系的上部结构进行设计,在考虑折减时,会增加上部结构地震力,加大上部结构的截面尺寸及配筋,增加建造费用,不能较好体现隔震体系的优越性。
3、橡胶隔震支座的耐腐蚀耐久性
      很多人担心橡胶支座的耐腐蚀耐久性,但是尽管橡胶片的劣化现象很剧烈,但叠层橡胶隔震支座中的橡胶片的劣化速度却很缓慢,没有造成叠层橡胶隔震支座水平刚度的明显改变,从而保证了其可靠的隔震性能。叠层橡胶支座中由于钢板使橡胶大面积与空气隔离,提高了橡胶的耐久性。试验结果表明叠层橡胶隔震支座的水平刚度在80年内能保持基本稳定,且通常橡胶支座会有橡胶保护层进行防腐保护,此时其使用年限还会更长些。
4、现有的基础隔震技术的局限性
    任何一项技术的优缺点都不应当被刻意的放大,目前任何一项抗震隔震技术都存在进步空间,也存在一些局限性,而需要通过结构工程的能力进行概念设计,扬长避短。
(a)基础隔震层属于水平柔性层,在地震作用下,隔震层变形较大,容易造成隔震层和周边结构构件的破坏,且支座方向可能会存在提离摇摆的问题,需要结构工程师注意。
(b)由于基础隔震层的存在,建筑结构自振周期增大,而地震作用存在较强的不确定性,需要注意近断层地震对隔震支座的大变形冲击作用,注意远场地震的长周期成分会对隔震结构造成较大的地震响应。
(c)常见通过在隔震装置周边增设被动式粘滞阻尼器来控制隔震层的位移,形成混合式隔震体系,此种方式虽然能有效控制隔震层的位移,但由于粘滞阻尼器较大的阻尼力,以及不可调性,反而会增大上部结构的地震响应,需要对隔震设计配合恰到好处。
(d)现有成熟的基础隔震技术属于结构被动控制的领域,是一种窄域控制,无法根据结构自身的响应来对自身的动力特性进行实时调节,其控制效果容易受到外部扰动变化的影响。(目前主动/半主动控制应用较少)

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JY】建筑结构施加地震波的方法与理论机理

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