隔震设计指导手册.docx

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隔震设计指导手册

隔震设计指导手册（总23页）

建筑结构隔震设计指导手册

二〇一五年七月二日

1.前言

一位做隔震的老工程师写给即将做和正在做隔震同行的话。

亲爱的朋友们，恳请大家不要忘记下面的话。

一、隔震不是万能的

特别是使用隔震橡胶支座的建筑。

一方面，隔震技术的应用受到上部结构高宽比的限制。

通俗地讲，像筷子一样的建筑不适合做隔震。

因为细长的建筑稳定性差。

大家都知道，隔震橡胶支座抗拉能力很弱。

地震时，细长的建筑在底部会产生拉力，如果拉力超过了隔震橡胶支座的承载力，就将导致整栋建筑的倾覆。

因此，细长的结构不适合做隔震。

另一方面，软弱地基场地做隔震应进行专门的研究。

隔震建筑适合建造在坚硬的场地上。

因为，如果场地坚硬，则地震动的高频（短周期）成分显着；如果场地软，则地震动的低频成分（长周期）成分显着。

隔震技术之所以能够减小上部结构地震作用，是因为通过隔震装置延长了整栋建筑结构的自振周期，使之远离地震动的卓越周期，地震反应得以消减。

因此，在坚硬场地上应用隔震技术，隔震效果好。

但是，在Ⅳ类场地上应用隔震技术，上部结构的地震作用是否会减少呢？

这个需要谨慎，要专门研究。

二、千万不要“海选”时程

很多朋友为了追求结构设计的经济性等原因，不惜花大力气“海选”结构隔震分析的地震动输入时程。

为了达到目的，“海选”时程要花费几天的时间，从几百条甚至上千条强震记录中选出几条来，以满足“减震系数”的要求、满足“大震位移”的要求、满足“支座受拉”的要求等。

这样做极其不科学。

第一、地震无法预测。

未来发生什么样的地震，无人知晓。

未来的地震动会像您千挑万选出来的那样吗如果不是那样，减震系数还会达到要求吗隔震支座的位移会超限吗隔震支座会破坏吗我们的上部结构还会安全吗

第二、我国的抗震设防水准，与其他发达国家比要低。

我国《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（以下简称“抗规”）关于场地效应放大系数和场地特征周期的规定均相对较小。

大家知道，规范规定的限值是与我国经济发展水平妥协的产物。

因此，它不是绝对理论的限值，是带有一定的经验性和人为因素的。

“抗规”规定反应谱或地震影响系数曲线的放大倍数为2.25，而规范《InternationalBuildingCode》和《Eurocode8:

Designofstructuresforearthquakeresistance-Part1:

Generalrules,seismicactionsandrulesforbuildings》等规范都是2.5。

我国规范规定的场地特征周期偏小。

小于实际计算结果。

根据工程场地地震安全性评价计算结果，二类场地的场地特征周期可以达到0.65s，甚至更长，而“抗规”规定的最大值只有0.45s；三类场地的场地特征周期可达1s，甚至更长，而“抗规”规定的最大值只有0.65s。

四类场地就更不用说了。

第三、近断层效应考虑不充分。

我国绝大多数的隔震房屋修建在高烈度区（设防烈度在8度0.2g区及以上）。

为什么烈度高呢？

因为，它距离活动断层近。

而距离近断层的地震动又有许多与远场地震动不一样的特征，如速度脉冲和永久位移。

这些特征都会使得隔震结构的地震反应增大。

根据《速度脉冲型地震动对隔震结构减震系数影响研究》研究成果，层间剪力和减震系数，含速度脉冲时程计算结果平均值分别是不含速度脉冲的1.45~1.82倍和1.40倍，层间剪力增大，减震效果降低。

您还认为我们“海选”出来的时程是合适的吗您还认为我们的隔震设计是安全的吗

三、目前隔震支座的质量有待提高

（1）隔震橡胶支座力学性能稳定性还需提高

《橡胶支座第3部分:

建筑隔震橡胶支座》GB20688.3-2006（以下简称“产品标准”）规定，根据隔震橡胶支座的剪切性能稳定性将产品分为S-A和S-B两类。

对于一批产品（可以是一栋建筑的隔震支座），如果产品剪切性能实测试值的平均值与设计偏差小于10%，且最大值与设计值偏差小于15%，则产品为S-A类；如果产品剪切性能实测试值的平均值与设计偏差小于20%，且最大值与设计值偏差小于25%，则产品为S-B类。

厂家提供的产品是S-A类还是S-B类，您清楚吗如果是S-B类，我们的设计还能满足要求吗会对我们的设计产生哪些影响

（2）隔震橡胶支座极限变形能力还需提高

“产品标准”规定根据隔震橡胶支座的极限剪应变，将产品分为6类，如下表所示。

表1产品极限剪切性能分类

极限

剪应变

＞350%

（300%,350%]

（250%,300%]

（250%,200%]

（200%,150%]

＜150%

类别

A

B

C

D

E

F

“抗规”12.2.3中规定，隔震橡胶支座的极限水平位移应大于隔震橡胶支座有效直径0.55倍和橡胶层总厚度3倍二者的较大值。

也即表示隔震橡胶支座的剪应变应大于300%。

这样看来，两本规范并不协调。

产品的生产执行的是产品标准，那么，我们设计时选用的是哪类产品呢施工时所使用的隔震橡胶支座的极限性能是否能够达到设计的要求呢

目前，现在市场上的隔震橡胶支座价格差异大，质量也良莠不齐，如何能选购质量合格的产品呢？

四、施工及后期维护不能忽视

无论多么好的设计，都需要通过施工来实现。

隔震建筑与传统抗震建筑在变形上的最大区别在于，隔震建筑地震时要发生一个很大的水平位移，地震时，隔震建筑的上部结构要无阻碍进行运动。

因此，隔震构造（确保地震时，上部结构无阻碍运动的构造）至关重要。

我国一定数量的隔震建筑的隔震构造做的不合格，存在一定的安全隐患。

这些构造不合格，一部分是在大楼的施工过程中造成的，一部分是后期对房屋使用功能的改变造成的。

但无论是什么原因造成的，如果，地震来临时，隔震建筑的上部结构不能无阻碍运动，隔震建筑还安全吗？

五、责任重于泰山

其实，这才是我想说的，大家永远都不要忘记“责任”二字。

要时刻提醒自己：

高烈度区，地震随时可能发生，我们不能心存侥幸。

且不说，现在的设计是终身负责制的。

我们的作品要对得起我们的“心”。

“责任”是一个工程师的灵魂，也是最重要的品质。

我们的作品涉及几百甚至上千人的安危。

人的生命是无价的，因此，我们每位工程师的作品都是无价之宝。

也许有人会觉得这是不是有些危言耸听了？

我并不是在这里吓唬大家，而是想提醒大家注意。

这里更不是说隔震不好，毋庸置疑，隔震建筑在历次大地震中都表现出了良好的抗震性能，而是想提醒大家把“好事做好”。

也希望通过这本小册子和大家共同分享一些成果和经验。

为了便于大家阅读，较为深入地了解建筑隔震技术，我们对隔震橡胶支座也做了适当介绍。

最后希望大家都设计出精品隔震工程。

限于笔者学识有限，本手册中可能存在不少错漏和不足之处，恳请读者理解，并提出宝贵意见和建议。

2.隔震原理

为什么使用隔震技术，建筑结构的地震作用就变小了呢？

本节叙述什么是隔震技术，并从生活现象谈起，讲述隔震技术的原理。

2.1隔震技术

建筑隔震技术的原理，就是在建筑的某一层，通常在建筑上部结构与基础（或下部）结构之间，设置由隔震橡胶支座和阻尼器组成的隔震层，把建筑物上部结构与地基基础“隔开”，用以改变结构体系振动特性，延长结构周期，增大结构阻尼，通过隔震层的水平大变形消耗掉大部分地震能量，减少地震能量向上部结构输入，有效降低地震引起的上部结构地震反应，减小层间剪力及相应的剪切变形，达到预期防震要求。

1）传统建筑2）隔震建筑

图1.1传统建筑与隔震建筑地震表现

图1.1是传统建筑与隔震建筑地震表现示意图。

通过对比两图发现：

隔震建筑最大的优点在于其“双保护”—保护建筑结构安全，保护建筑附属物的安全，如室内家具仪器设备安全；通过隔震层建筑的运动从剧烈快速的震动，变成缓慢的平动。

2.2隔震原理

（1）从生活现象来认识

18世纪中叶，拿破仑侵略西班牙的部队。

在法国昂热市一座102米长的大桥上有一队士兵经过。

当他们在指挥官的口令下迈着整齐的步伐过桥时,突然惊天动地一声巨响，铁桥从中断裂，226名官兵和行人全部丧生。

原来士兵们整步走的频率与桥的频率一致，引起了桥的共振，导致桥梁坍塌。

在冰山雪峰间，动物的吼叫声引起空气的振动，当频率等于雪层中某一部分的固有振动频率时，会发生共振，形成雪崩，因此，登山队员严禁高声说话。

上面的两个例子都说明一种现象—“共振”，即当结构系统受外界作用的频率与该系统的固有频率相接近时，使系统振幅明显增大的现象。

地震时的地面运动就是外界作用，建筑物就是结构系统。

如果地面震动的频率与建筑物的自振频率相接近时，建筑物的运动程度就会急剧增加，导致建筑物的破坏。

为了减轻地震对房屋的破坏，应使建筑物的自振频率远离地面运动的频率。

建筑隔震就好像汽车的减振一样。

为了避免汽车行驶在路面上时，剧烈的颠簸。

汽车上使用了一些减振措施，主要包括轮胎和在车身与轮轴之间的减振装置（如弹簧），这些减震装置就是使汽车竖向的振动周期延长，远离道路对车体产生的振动周期，达到减振的目的。

（2）从抗震设计思想来认识

按照传统的抗震设计思想，为了把房子盖得更加结实，通常是通过增加梁柱的尺寸、提高混凝土标号、增加钢筋用量来实现的。

简单地说是“硬碰硬”，或说“硬抗”。

这其实有个前提就是已经默认传到建筑结构上的力，或者传输到构件上的力是不可改变的。

在力一定的前提下，工作的重点是如何设计梁柱的材料（规格、标号）和截面尺寸，保证构件及结构不发生破坏。

隔震技术恰恰相反，其思想是“以柔克刚”，或说“软隔”。

它立足于怎样使地震的能量传到地基，但传不到或少部分能量传到上部结构，立足于怎么样减少实际作用到结构或构件上的力。

（3）反应谱（地震影响系数）来认识

对于广大的结构设计人员来讲，反应谱是再也熟悉不过的东西了。

图1.3和图1.4为反应谱。

图1.3延长结构自振周期图1.4增大结构阻尼

图1.3和图1.4直观地说明了延长结构自振周期、增大阻尼可以有效地减低结构的反应。

地震时，隔震结构的变形集中在隔震层，上部结构的相对变形很小，不会造成上部结构的破坏；而传统结构的相对变形很大，造成上部结构的破坏。

地震时，传统结构加速度放大4～8倍，房屋激烈晃动，梁柱损坏，内部装饰、设备破坏；隔震结构加速度减小到传统的1/4～1/8，房屋缓慢平动，变形集中在隔震层，上部结构完好。

通过反应谱可以很直观地看出：

延长结构自振周期和增大结构阻尼可以减少建筑结构的反应。

（4）从结构动力学角度认识

下面从结构力学的角度来认识隔震。

单质点强迫振动的运动方程可表示为：

…

（1）

令

，

，于是

（1）式可化为

（2）式

…

（2）

进一步整理可得到质点运动加速度与地面运动加速度的幅值比Ra

Ra曲线如图5所示。

由该图可以看出两点：

（1）随着阻尼比增加，质点加速度反应减小，

在共振频率范围附近，阻尼增加，反应减小更明显。

（2）当地震动的频率与结构的自振频率之比

大于

时，质点的加速度小于地震动加速度。

其实，Ra是一个传递函数，就是它告诉我们哪些频率的地震动会被放大，哪些频率的地震动会被衰减，也即告诉建筑结构是一个滤波器。

于是发现，为了减小建筑结构的地震反应可以采用两种途径：

延长结构自振周期和增大结构阻尼。

3.隔震橡胶支座

隔震技术是通过核心部件隔震装置实现的。

目前隔震装置可分为变形类和摩擦滑移类两大类。

前者代表就是隔震橡胶支座，后者代表就是摩擦滑移摆。

目前应用最多、最经济的隔震装置是隔震橡胶支座。

3.1支座结构

隔震橡胶支座是由橡胶和钢板多层叠合经高温硫化粘结而成。

隔震橡胶支座通常可分为天然隔震橡胶支座（LNR）、铅芯隔震橡胶支座（LRB）和高阻尼隔震橡胶支座（HDR）三类。

本公司生产天然隔震橡胶支座和铅芯隔震橡胶支座。

就结构角度而言，铅芯橡胶支座仅比天然橡胶支座多了铅芯。

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