服务与支持

Service and support

`

04YJK隔震结构设计 应用手册-2016.5

发布时间:2016-05-27  


该手册介绍了如何用澳门威尼人斯软件实现隔震结构设计过程。

 录
        第一节  隔震设计流程
              一、基本概念
                    1、抗震结构
                   2、隔震结构
              二、隔震体系的组成
                   (一)一般构造
                   (二)隔震结构按复杂程度分类
              三、隔震设计方法及软件实现流程
              四、上部结构设计
                   (一)相关规范
                   (二)建立隔震模型与非隔震模型
                   (三)用中震计算水平向减震系数β流程
                   (四)非隔震模型和隔震模型的中震反应谱计算
                   (五)非隔震模型进行中震下的弹性时程计算
                   (六)隔震模型进行设防地震下的弹性时程计算
                   (七)人工对比两个模型时程分析结果得出β
                   (八)非隔震模型输入αmaxl的反应谱法计算
              五、隔震层设计- FNA法
                   (一)隔震支座验算
                   (二)支墩设计
              六、隔震层设计-直接积分法
                   (一)隔震支座验算
                   (二)隔震层支墩、支柱的计算
              七、下部结构设计
                   (一)相关规范
                   (二)下部结构设计过程—隔震模型
                   (三)下部结构设计过程—非隔震模型
                   (四)大震弹塑性计算分析
              八、基础设计-非隔震模型
              九、隔震支座参数属性及设置方式详解
              十、时程分析法计算计算隔震结构技术原理
              十一、非隔震结构的上部结构分析计算要点

 


 第一节 震设计流程

一、基本概念

1、抗震结构

现在各国普遍采用的是抗震设计理论。地震时建筑受到的地震作用由底向上逐渐放大,从而引起结构构件的破坏。抗震设计思想是抵御地震作用立足于,即依靠建筑物本身的结构构件的强度和塑性变形能力,来抵抗地震作用和吸收地震能量。

特点:在强震作用下,会产生很大的变形,造成各种破坏,甚至倒塌。所以这种依靠结构构件发生弹塑性变形来消耗地震能量保证结构大震安全的延性结构体系,已不能满足实际需要。

为了保证建筑物的安全,必然加大结构构件的设计强度,耗材多,而地震力是一种惯性力,建筑物的构件断面大,所用材料多,质量大,其受到的地震作用也相应增大,想要在经济和安全之间找到一个平衡点往往比较困难。

2、隔震结构

是在建筑的某一层(基础顶、地下室顶或裙房顶部)增设由隔震橡胶支座和阻尼器等组成的隔震层,用以改变结构体系的振动特性,延长结构自振周期,增大结构阻尼,通过隔震层的大变形耗散掉输入结构的大部分地震作用,有效地降低了上部结构的地震反应,大大地减小了层间剪力与层间相对变形,从而达到预期防震要求。

隔震技术的重点是隔离地震

震设计的目的是提高结构的安全富裕度,尤其在遭遇大震或超大震时保护结构不至于破坏。

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。

二、隔震体系的组成

(一)一般构造

目前工程界最常用的叠层橡胶支座隔震系统一般是在基础和上部结构之间来设置隔震支座和耗能元件,也有在裙房和塔楼处设置隔震层的

通过在建筑物的基础或地下室和上部结构之间设置隔震层,将建筑物分为上部结构、隔震层和下部结构三部分。地震能量经由下部结构传到隔震层,大部分被隔震层的隔震装置吸收,仅有少部分传到上部结构,从而大大减轻地震作用,提高隔震建筑的安全性。

震结构体系

http://www.lanto.com.cn/asp_bin/Webeditor/UploadFile/2008124142327777.jpg

隔震层上的隔震支座

有些隔震层各隔震支墩之间用连梁连接,主要为了增加整体性,防止个别支墩位移过大。

(二)隔震结构按复杂程度分类

工程中的隔震结构可结构复杂程度区分为一般隔震结构与复杂隔震结构。

1一般隔震结构

一般隔震结构是:较规则的多层结构的基础隔震或地下室顶板(非悬臂柱顶部)处隔震的结构;

1)基础隔震

基础隔震结构示例

隔震支座参数设置

2)地下室顶板隔震

地下室顶板隔震结构

隔震支座设置

多层隔震结构二

隔震支座设置

2.      复杂隔震结构

复杂隔震结构是指结构类型稍复杂或隔震位置特殊的建筑,据常见类型可分为:

1)不规则结构隔震;

2)地下室悬臂柱或倒悬臂柱隔震;

3)高层结构隔震;

4)层间隔震;

5多塔隔震

6)连体隔震;

7)超长结构隔震。

复杂隔震结构需要进行若干补充分析和采取必要的加强措施。

高层隔震结构

高层隔震结构隔震支座

多塔隔震结构

单点约束方式隔震支座设置

震结构示例三

、隔震设计方法及软件实现流程

隔震结构设计一般采用分部设计方法。即将整个隔震结构分为上部结构、隔震层和下部结构及基础,分别进行设计。

概括来说:

上部结构:沿用一般抗震结构的设计方法,水平地震作用采用隔震以后的地震作用标准值。隔震支座不能隔离竖向地震作用,所以与竖向地震作用相关的不降低(如轴压比等)。

隔震层:在满足长期荷载下压应力要求外,除了满足减震目标后,还得满足短期荷载下的压应力、拉应力以及隔震支座的位移。

隔震层以下结构:地震作用计算、抗震验算和抗震措施,应进行设防地震(中震)的抗震承载力验算,并按罕遇地震(大震)进行抗剪承载力验算。隔震层以下地面以上的结构在罕遇地震(大震)下的层间位移角控制。

基础:地基基础的抗震验算不考虑隔震产生的减震效应,按本地区设防烈度进行设计。

软件解决了几个应用难点:

1)非线性结构,需按动力时程分析计算,对隔震支座还需按照可进行大震和竖向地震计算的直接积分法;

2)不同部位须分别采用小震、中震、大震计算;

3)非隔震模型的考虑地震力的水平向减震系数的反应谱计算不可或缺;

软件输出隔震支座内力、位移、应力计算结果,给出图形和文本两种表达;

隔震垫上的短柱一般称为上柱或上墩,隔震垫下的柱子一般称为下支柱下支或者支墩,本文统一为支墩。支墩一般较矮,建模可以不建立。

以下以某工程为例进行说明。

本工程某地小学教室,8度设防,1层地下室,地上4层,地下室顶隔震,进行隔震设计;

建立上部结构(3-6层)、隔震层中隔震垫高度不考虑,第2层为隔震垫上墩层,此处称为隔震层;隔震垫位于二层柱底的位置。有些工程师建模时不建支墩层,则此时支墩的配筋需要单独建悬臂柱来计算。

上部结构3-6层)、隔震层(2层)、下部结构标准层(1层),如下图。

进行楼层组装

全楼模型

以下是各部分设计软件实现的流程:

上部结构设计

(一)相关规范

《抗规》12.2.5条:

隔震层以上结构的地震作用计算,应符合下列规定:

1.对多层结构,水平地震作用沿高度可按重力荷载代表值分布;

2.隔震后水平地震作用计算的水平地震影响系数可按本规范5.1.4、第5.1.5条确定。其中水平地震影响系数最大值可按下式计算:

αmaxl=βαmax/ψ

αmaxl——隔震后的水平地震影响系数最大值;

αmax——非隔震的水平地震影响系数最大值,按本规范第5.1.4条采用;

β——水平向减震系数;对于多层建筑,为按弹性计算所得的隔震与非隔震各层层间剪力的最大比值。对高层建筑结构,尚应计算隔震与非隔震各层倾覆力矩的最大比值,并与层间剪力的最大比值相比较,取二者的较大值

Ψ——调整系数;一般橡胶支座,取0.80;支座剪切性能偏差S-A类,取0.85;隔震装置带有阻尼器时,相应减小0.05;

:1弹性计算时,简化计算和反应谱分析时宜按隔震支座水平剪切应变为100%时的性能参数进行计算;当采用时程分析法时设计基本地震加速度输入进行计算。

3.隔震层以上结构的总水平地震作用不得低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用,并应进行抗震验算;各楼层的水平地震剪力尚应符合本规范第5.2.5条对本地区设防烈度的最小地震剪力系数的规定。

(二)建立隔震模型与非隔震模型

软件实现流程:

1、建立结构模型:建立上部结构、隔震层、下部结构都包括的整体模型

2、将模型文件复制两份

将模型文件复制两份,一个布置上隔震支座属性,此时叫隔震模型

另一个不布置隔震支座属性,隔震支柱底端设铰,此时模型叫非隔震模型

隔震模型

将一个模型在前处理用单点约束菜单,选择隔震支座,将各属性参数输入后,布置在第二标准层即隔震层的柱节点上,实现的是第2层柱底位置为隔震支座。此模型即为隔震模型。

非隔震模型:

将复制的另一份模型打开,在前处理将隔震层柱底全部设置铰接属性。此即为非隔震模型。

(三)用中震计算水平向减震系数β流程

《建筑抗震设计规范理解与应用》419页关于减震系数的计算方法说明:计算隔震与非隔震两种情况的层间剪力,宜采用基本设防水准下地震作用进行时程分析。

《抗震规范统一培训教材》P176计算水平减震系数的隔震支座参数,橡胶支座的水平剪切应变由50%改为100%,即可近似认为从对应小震的变形状态放宽到中震的变形状态,支座的等效刚度比2001规范减少,计算的隔震效果将更明显。

《乌鲁木齐建筑隔震技术应用规定》第2.2.4条:确定减震系数时按中震计算;需考虑近场影响时地震波输入应考虑近场影响系数(确定减震系数时与之对比的非隔震模型亦应按中震并乘以近场影响系数计算)。

因此,以下为计算β对非隔震模型和隔震模型的时程分析计算应采用设防地震即中震的地震影响系数。

1非隔震模型进行震下的计算(一般弹性时程法

在这里选择地震波;

2隔震模型进行震下的计算(可用一般弹性时程中的FNA法,也直接积分法

3)人工对比21的各层剪力值(一般为多条波包络值),取较大值,作为水平向减震系数β按规范公式12.2.5求出αmaxl

(四)非隔震模型和隔震模型的中震反应谱计算

为了计算出水平向减震系数β,需要分别对非隔震模型和隔震模型进行时程分析计算,但是在YJK中,弹性时程分析是需要接力反应谱计算的,因此对两个模型的反应谱计算除了基本的设计参数设置外,还应在地震计算参数中,按照中震计算的要求设置地震影响系数最大值。

按照《高规》4.3.7-1,在下图的地震计算参数中,修改地震影响系数最大值参数值,填入8度的值0.45

非隔震模型进行震下的弹性时程计算

非隔震模型完成上部结构的生成数据+全部计算,此为中间结果,不是最终结果,即(四)。然后进入弹性时程菜单,在这里选择地震波并进行震下的弹性时程计算。

注意要把在弹性时程参数主方向峰值加速度中输入中震下的峰值加速度。

用非隔震模型选波还需要满足隔震模型统计意义上相符的要求,选波在另一个章节中详细介绍。本工程选3条波,

2条天然波

Chi-Chi, Taiwan-05_NO_2182,Tg(0.41)      简称CCT

Chalfant Valley-04_NO_563,Tg(0.38)             简称CV

1条人工波:

ArtWave-RH4TG040,Tg(0.40)             简称AWR

计算完成后,可以在时程结果中查看每条波0度和90度中的楼层剪力,下图是天然波Chi-Chi, Taiwan-05_NO_2182,Tg(0.41)算的时程剪力和弯矩。

(六)隔震模型进行设防地震下的弹性时程计算

对隔震模型也进行弹性时程(FNA)的计算,使用在非隔震模型中同样的地震波,使用中震下的峰值加速度,操作过程同如上非隔震模型,得到隔震模型的楼层剪力,如下图:

(七)人工对比两个模型时程分析结果得出β

人工对比每条波隔震和非隔震的上部结构各楼层剪力值,所有比值中取最大值作为水平地震减震系数,如下图:

1)天然波:Chi-Chi, Taiwan-02_NO_2182,Tg(0.41)简称:CCT

当前主方向0.0

层号

楼层剪力kN

楼层剪力比

非隔震模型

隔震模型

隔震/非隔震

6

6555.288

1744.651

0.27

5

11110.047

2924.361

0.26

4

12290.896

3342.227

0.27

3

15269.851

4023.703

0.26

2隔震层

17582.054

1688.17

-

当前主方向90.0

层号

楼层剪力kN

楼层剪力比

非隔震模型

隔震模型

隔震/非隔震

6

6684.008

1798.027

0.27

5

11228.263

2968.468

0.26

4

12375.283

3349.828

0.27

3

15339.265

4045.249

0.26

2隔震层

17859.293

1669.237

-

 

2)天然波:Chalfant Valley-04_NO_563,Tg(0.38)  简称: CV

当前主方向0.0

层号

楼层剪力kN

楼层剪力比

非隔震模型

隔震模型

隔震/非隔震

6

9847.658

1711.802

0.17

5

15504.391

2766.268

0.18

4

20995.889

3099.694

0.15

3

22669.051

3611.124

0.16

2隔震层

22565.769

1424.231

-

当前主方向90.0

层号

楼层剪力kN

楼层剪力比

非隔震模型

隔震模型

隔震/非隔震

6

10086.779

1752.846

0.17

5

15666.655

2793.445

0.18

4

21208.261

3202.089

0.15

3

22827.451

3653.105

0.16

2隔震层

22731.245

1425.772

-

 

3)人工波:ArtWave-RH4TG040,Tg(0.40)  简称: AWR

当前主方向0.0

层号

楼层剪力kN

楼层剪力比

非隔震模型

隔震模型

隔震/非隔震

6

6544.907

1666.539

0.25

5

11413.587

2780.527

0.24

4

15751.904

3175.955

0.20

3

20600.353

4252.748

0.21

2隔震层

23564.246

3811.613

-

当前主方向90.0

层号

楼层剪力kN

楼层剪力比

非隔震模型

隔震模型

隔震/非隔震

6

6672.645

1694.851

0.25

5

11373.862

2798.712

0.25

4

15735.702

3221.778

0.20

3

20542.399

4292.091

0.21

2隔震层

23877.394

3810.896

-

1

24299.857

3809.981

-

 

(4)得出β

各楼层剪力比取较大值0.27作为水平向减震系数β,各楼层剪力比值如下表,

层号

0.0度

90.0度

 

CCT

CV

AWR

CCT

CV

AWR

6

0.27

0.17

0.25

0.27

0.17

0.25

5

0.26

0.18

0.24

0.26

0.18

0.25

4

0.27

0.15

0.20

0.27

0.15

0.20

3

0.26

0.16

0.21

0.26

0.16

0.21

按规范公式12.2.5求出αmaxl8度小震αmax=0.16 β=0.27

调整后的水平向减震系数β/ψ=0.27/0.8=0.338

求出隔震后的多遇地震水平地震影响系数最大值αmaxl=αmax/ψ=0.27*0.16/0.8=0.054

按照《抗规》12.2.5条文说明中表7对比,此模型设置隔震垫后结构能达到降一度的目标,即从80.2g降低到70.1g

抗震构造和抗震措施按照12.2.512.2.7条文说明,β=0.27小于0.4,按降低1度,即80.2g降低到70.1g。抗震等级按照降低1度后的烈度取值。

注意:1、按规范要求,β小于0.3应考虑竖向地震,此例暂不考虑竖向地震,如果要考虑可参见十所述。

2、有些专家更加认可时程分析的直接积分方法,此时也可采用直接积分法,YJK同时提供此种算法,详细过程此处不再赘述。

)非隔震模型输入αmaxl反应谱法计算

在非隔震模型中输入αmaxl并进行反应谱法计算,得到上部结构的配筋结果。

由于计算β值时采用的是中震计算,而这里采用的是小震的大量变动的参数,可把非隔震模型再复制一份,在新复制的非隔震模型上完成这里的设计。

打开非隔震模型,在上部结构计算参数中设置