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由筑龍結構小編歸納整理

最近一直跟隔震結構打交道,，得空把一些跟結構設計相關的要點寫寫,，不對的地方還忘指正

一般隔震結構設計的流程是根據隔震目標來確定

水平減震系數：

對于隔震結構設計按照現行規(guī)范設計，必然跟水平減震系數相關，這個參數跟隔震設計息息相關,，那就從這個參數說起,。

在抗震規(guī)范12.2.5條規(guī)定，對于多層建筑,，為按彈性計算所得的隔震與非隔震各層層間剪力的最大比值,。對高層建筑結構，尚應計算隔震與非隔震各層傾覆力矩的最大比值,，并與層間剪力的最大比值相比較,，取二者的較大值;

按照該條文計算水平減震系數有以下幾點：

1、通常采用各樓層剪力的比值計算水平減震系數,，當為高層建筑結構時,，應當考慮傾覆力矩的比值；因為,，對于高層結構彎矩的影響較大,，尤其對彎曲型結構

2、隔震結構的模型應該是帶有隔震支座,，非隔震結構則是去掉隔震支座的上部結構,。但也有認為非隔震結構應該是將隔震結構中隔震支座換為同等水平剛度的柱子或剛度較大的柱子；抗震結構是假想結構,，是不存在的,，是為了采用現行規(guī)范的小震設計而人為強制等效出來的結構，事實上其變形和內力跟隔震結構都有較大的區(qū)別,。注意的是,，抗震結構必須保留隔震層，否則在按小震反應譜設計時,，樓體的高度變了導致風荷載等計算不正確。

3,、隔震結構既然是帶隔震支座的,，那計算時應該是非線性的，那計算水平減震系數時應當是采用時程計算方法,；一般對隔震結構為上部彈性,，隔震層為非線性，對抗震結構則為全彈性,。

4,、采用時程計算樓層剪力和樓層傾覆彎矩應當在設防烈度下計算。如果在小震下計算樓層內力,，隔震支座可能還沒有產生非線性反應,，不能反應隔震支座的效果；如果在大震下計算，那么上部結構也有部分區(qū)域進入飛線性,，將這樣的計算結果代入小震設計是不合理的,。只有在中震下，隔震結構的隔震層進入非線性耗能過程,，而上部結構基本保持彈性,，計算得到的減震系數才能用于彈性設計中。此外,，隔震結構的設計目標應當在設防烈度下上部結構基本完好,，這點在水平減震系數的計算上反應；

5,、水平減震系數跟隔震支座的變異系數無關,，只有在計算地震影響系數最大值時，支座的變異系數才有作用,。那么,，按照規(guī)范規(guī)定，水平減震系數跟降度,、抗震等級等相關,，這些參數的選取應當跟支座變異系數無關；

6,、支座變異系數僅在內力計算時考慮,，對作用輸入進行放大；

7,、水平減震系數不區(qū)分X向和Y向,，因此，取值應為兩個方向的包絡值,，這對兩個方向的高寬比相差較大的結構來說,，會導致某個方向過于保守；

8,、水平減震系數是取所有樓層對應剪力比的較大值,，也就是樓層包絡，根據結構的高度,、結構類型的不同會出現在不同的位置,，但總體而言對大部分樓層是偏于保守的；

9,、計算水平減震系數跟選波有關,，盡管規(guī)范給定選波條件，但仍然存在較大的空間,。規(guī)范要求的反應譜上統計意義相符,，如果要求按照隔震周期前三周期選取，那應用在抗震結構上不合理，如果用抗震周期前三周期也不合理,，一般做法分別取前三周期,，即6個周期點選取地震波，但這樣對找天然波是非常麻煩的,，因為隔震周期一般較大,，天然波反應譜在長周期段一般下降較多，而規(guī)范反應譜在長期周期段抬高了,，導致天然波難選,。但總之，無論是三條包絡還是7條平均,，工程師對此的操作空間都非常大,。

等效剛度和等效阻尼：

按照現行規(guī)范的計算分析方法，必須將隔震結構這個非線性結構體系轉換為等效線性化的彈性體系來進行分析計算,，那么對隔震結構的非現行支座必然需要進行等效處理,，將其等效為按照一定剛度和一定附加阻尼的線彈性構件。因此,，需要給每個支座賦予一個等效剛度和等效阻尼,，或者給整體隔震層賦予一個等效剛度和等效阻尼以按照多自由度體系簡化計算。

等效剛度：在現行規(guī)范中規(guī)定,，在多遇地震作用下,，按照剪切變形為50%的水平剛度考慮；在設防烈度地震作用下,，按照剪切變形為100%的水平剛度考慮,；在罕遇地震作用下，按照剪切變形為250%的水平剛度考慮,。按照該定義,，即通過支座的試驗得到的滯回曲線畫割線剛度可獲得，即可得到一個定值,。

等效阻尼：在現行規(guī)范中有類似等效剛度的定義,，通常通過能量計算，即有效阻尼比,，其中為耗能部件在結構預期位移下往復一周所消耗的能量，為設置耗能部件的結構在預期位移下的總應變能,。對于能量的計算可參考相關規(guī)范,。

那么從等效剛度和等效阻尼的計算方法表明，等效線性化的前提是存在預估位移和確定的剪切變形,，那在實際工程中,，多遇地震下是否能夠使得支座的剪切變形達到50%呢？或者設防烈度地震作用下達到100%？或者罕遇地震作用下達到250%,？

顯然不能一一而足,，多遇地震下，往往隔震支座還處于彈性階段,，變形很小,，可能部分支座還處于初始剛度起作用的階段；而設防烈度地震作用下和罕遇地震作用下也可能達不到100%和250%,，或者超過它,。

從滯回曲線可知，如果等效剛度選取的變形偏大,，實際達不到,，那么等效剛度偏小，結構隔震層偏柔,，導致隔震周期偏大,，減震效果過于夸大，而實際未能達到,，從而導致上部結構的設計配筋偏小,，使整體結構偏于不安全；

如果等效剛度選取的變形偏小,，即地震作用水準真實變形超過規(guī)范指定的剪切變形,，仍然取指定剪切變形時對應的剛度，則等效剛度偏大,，則可能導致對應地震作用水準的變形驗算不準確,。

同理，等效阻尼也仍然存在上述的問題,，滯回曲線中能量耗散的面積多少跟實際變形相關,，過大的變形估計會導致多計算了等效阻尼比，使得上部結構配筋偏小而偏于不安全,。

由上可知,，等效剛度和等效阻尼是相關的，不同的等效剛度對應不同等效阻尼,。

因此,，建議在等效線性化處理中，等效剛度和等效阻尼的獲取在非線性計算過程中獲取,，即采用非線性的方法進行時程分析,，根據時程分析得到的滯回曲線求等效剛度，確定等效剛度后,，在根據等效剛度求隔震層等效阻尼比,，以避免每個構件的阻尼比離散導致等效剛度和等效阻尼均無法收斂,。

由于在現行規(guī)范的設計中，仍然以反應譜方法為主導,，因此,，等效剛度和等效阻尼的確定直接影響設計結果。由于非線性時程分析方法復雜,，也可以建議采用反應譜法進行迭代計算等效剛度和等效阻尼,。

流程：先假定一個等效剛度（通常可以選用100%剪切變形時的等效剛度）,，然后進行中震喜愛反應譜計算,，查看支座的變形，如果跟假定的100%剪切變形不一致,，則將實際變形代入支座的滯回曲線中求出新的等效剛度,，再進行二次計算，多次迭代后,，使得等效剛度計算得到的支座剪切變形是吻合的,。同理，可求等效阻尼,，但是由于在反應譜計算方法中,，阻尼的大小僅影響地震影響系數反應譜曲線，因此,，只能求得一個隔震層的等效阻尼比,，并與結構阻尼一起考慮。

豎向地震作用：

在現行抗震規(guī)范中,，明確指出對于8度以上結構應進行豎向地震作用,，并且在隔震結構的章節(jié)中明確規(guī)定，8度和9度時,，豎向地震作用標準值不應小于隔震層以上結構總重力荷載代表值的20%和40%,。也就是說，對于處于8度,、9度的隔震結構不僅要考慮豎向地震的作用,，而且給定了最低限值。

在對支座豎向壓應力和拉應力驗算時,，也明確規(guī)定對需要進行豎向地震作用計算的結構,，尚應包括豎向地震作用效應組合。

當采用簡單的方法進行豎向地震作用時,，通?？芍苯尤≈亓奢d代表值的20%和40%作為豎向地震作用效應。對于復雜的結構,，應進行三向地震作用時程分析,，三向加速度和地震影響系數的比值取為1：0.85：0.65。

在隔震結構設計中,，豎向地震作用不可忽視,，當豎向地震作用較大時，容易導致隔震支座拉壓應力過大,，尤其在三向地震作用時,，豎向作用pdelta效應明顯，因此,，在時程分析中計算豎向作用有重要的參考意義

重力荷載作用下支座豎向變形差：

對于一般混凝土結構,，混凝土構件軸向剛度較大，軸向變形較小,，且與周邊豎向構件的剛度也相差甚少,，與周邊的底部豎向構件的豎向變形差幾乎可以忽略不計。

但是,，隔震支座的豎向剛度一般不大,，比如一個600直徑的鉛芯橡膠支座的豎向剛度為2667KN/mm（某產家參數），而一個600直徑的C40混凝土柱的線剛度為9189KN/mm,，相差達2倍多,。

此外，在隔震支座受水平剪切變形影響,，相應的豎向位移也會增大,，于是，出現一個問題,，在豎向作用下,，支座的豎向變形差是不容忽視的，至少會帶來幾點影響：

1,、與相鄰支座的豎向變形不一致導致豎向變差較大,，導致相鄰豎向構件間相連的水平構件兩端的彎矩、剪力較大,，要嚴格控制節(jié)點域的破壞的可能性,；

2、豎向變形差可能導致局部的傾覆風險加大,，因此在隔震支座設計時,，應盡量保持相鄰支座之間的豎向剛度相差不大和豎向荷載相差不大，應通過簡單的手算控制豎向變形差的影響,。

偏心率：

在規(guī)范中明確規(guī)定,，隔震層的水平剛度中心與上部結構質心應盡量重合，如不重合則應計入扭轉變形的影響,。

在現代計算機技術和有限元法的影響下,，工程師們基本對所有的工程都考慮扭轉變形的影響,，因此該條文的執(zhí)行基本都能實現。

但在實際工程中,，除了要求考慮扭轉變形外,，還要求上部結構的質心與隔震層水平剛度中心偏心率不超過3%，甚至在江蘇,、云南,、新疆等局部地區(qū)要求偏心率不超過1.5%~2%，總體上比較嚴格控制質心剛心偏心率,，以避免結構在地震作用下上部結構發(fā)生過大的扭轉變形,。

由于每一層的質心都是不一樣的，那么上部結構的質心應當統一到一個點,，因此,，在實際操作中，可取1.D+0.5L落到隔震層上的豎向構件底部的軸力來計算上部結構質心,，計算式如下：

通過不斷調整支座的等效剛度來滿足偏心率,。

因此，等效剛度的大小對偏心率的計算影響較大,，一般設計過程中取中震下迭代后等效剛度來計算,，但個人認為這樣處理并不是完全合理。

偏心率的控制目標是控制隔震層扭轉變形過大,，扭轉變形的大小還跟地震作用的大小相關,，一般在設防烈度作用下，結構的扭轉變形引起的破壞可能性較小,，在罕遇地震中下扭轉變形過大容易引起隔震層支座出現破壞,，并導致連續(xù)倒塌，因此,，建議在計算偏心率是應重點考慮在罕遇地震下的等效剛度,。

在實際工程中，偏心對結構的扭轉振動影響很大,，在隔震結構中,，要考慮的偏心主要有：

1、上部結構的偏心：指上部結構中荷載,、質量的分布本身存在偏心,，即質量的拐把模型，每一層的質心并不重合,，從而導致結構扭轉反應,。但是由于隔震層的存在，這種偏心效應影響不大,；

2,、隔震層的偏心：指上部結構的質心與隔震層隔震支座的剛心不重合,，這對隔震層端部的隔震支座的水平變形影響很大，當偏心很大時,，結構角部的隔震支座可能產生較大的水平位移,，甚至超出限位控制，而此時中部某些隔震支座變形很小,，整體隔震不合理。對于相同的偏心矩和偏心率,，由于隔震層平面形狀,、隔震支座位置、非線性特性引起的扭轉振動也不相同,。即使在彈性設計時,，不存在偏心，但在高壓力下,，特別是第二形狀系數較小的小型疊層橡膠支座的剛度會降低,；地震時摩擦支座的摩擦力與軸力相關；鉛芯橡膠支座,、阻尼器等會因為制作安裝上的誤差導致剛度的變化等,，偏心是難以避免的。

3,、下部結構的偏心：由于下部結構的質心剛心可能存在偏心,，導致隔震層和上部結構的扭轉振動，最主要的是下部結構的平面形狀跟上部結構的形狀存在很大的差異,，比如裙房頂隔震時,，裙房的平面形狀跟上部存在很大差別，導致上部結構的質心,、剛心跟下部結構的質心剛心相差較遠,。但是由于，隔震結構設計中要求下部結構的剛度較大,，一般情況下,，下部結構的偏心對隔震層的扭轉振動影響較小。

拉壓應力的控制：

在規(guī)范中明確規(guī)定,，隔震支座在重力荷載代表值的豎向壓應力不應超過表 12. 2. 3 的規(guī)定,。并規(guī)定在罕遇地震作用下，隔震橡膠支座的豎向壓應力不應大于 30MPa,。

也就是說隔震支座需要控制正常使用狀態(tài)下的壓應力,，避免在正常使用狀態(tài)就出現橡膠失去彈性，因此規(guī)定甲類建筑不得超過10MPa,，乙類不得超過12MPa,，丙類建筑不得超過15MPa,。

在規(guī)定中明確規(guī)定重力荷載代表值作用下，即1.0D+0.5L,，且活荷載可根據荷載規(guī)范進行相應的折減,。

但注中又規(guī)定在進行傾覆驗算時應當考慮水平地震作用組合，對需要考慮豎向地震作用的結構,，應同時考慮豎向地震作用,，但在實際操作中，一般僅考慮重力荷載代表值下的壓應力驗算,。

同時要求在罕遇地震作用下的極限承載力狀態(tài)下,，豎向壓應力一律不得超過30MPa，避免支座被壓壞,。

該項要求在罕遇地震下對壓應力做最低要求控制,，注意此時的組合應當為1.0D+0.5L+1.0EX(EY)+1.0EV，應當為三向地震作用下的壓應力控制,。

規(guī)定在罕遇地震作用下,， 隔震橡膠支座的豎向拉應力不應大于 1.0MPa。跟罕遇地震下豎向壓應力驗算一致,，避免支座受拉破壞,，而在往復運動中失效。

當拉應力超過1.0MPa時,，應當考慮支座布置或者結構布置問題,，并采取增加抗拉裝置的措施，且拉應力支座數目不得超過總數量的30%,。

雖然規(guī)范沒有明文規(guī)定風荷載作用下的壓應力驗算,，但是考慮風力為常態(tài)，應當考慮正常使用狀態(tài)下壓應力控制,，不宜超過15MPa,，選用組合為1.0D+0.5L+1.0W

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