12.2 房屋隔震设计要点

12.2.1 本规范对隔震的基本要求是:通过隔震层的大变形来减少其上部结构的地震作用,从而减少地震破坏。隔震设计需解决的主要问题是:隔震层位置的确定,隔震垫的数量、规格和布置,隔震层在罕遇地震下的承载力和变形控制,隔震层不隔离竖向地震作用的影响,上部结构的水平向减震系数及其与隔震层的连接构造等。
    隔震层的位置通常位于第一层以下。当位于第一层及以上时,隔震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。
    为便于我国设计人员掌握隔震设计方法,本规范提出了“水平向减震系数”的概念。按减震系数进行设计,隔震层以上结构的水平地震作用和抗震验算,构件承载力留有一定的安全储备。对于丙类建筑,相应的构造要求也可有所降低。但必须注意,结构所受的地震作用,既有水平向也有竖向,目前的橡胶隔震支座只具有隔离水平地震的功能,对竖向地震没有隔震效果,隔震后结构的竖向地震力可能大于水平地震力,应予以重视并做相应的验算,采取适当的措施。

12.2.2 本条规定了隔震体系的计算模型,且一般要求采用时程分析法进行设计计算。在附录L中提供了简化计算方法。
    图12.2.2是对应于底部剪力法的等效剪切型结构的示意图;其他情况,质点j可有多个自由度,隔震装置也有相应的多个自由度。
    本次修订,当隔震结构位于发震断裂主断裂带10km以内时,要求各个设防类别的房屋均应计及地震近场效应。

12.2.3、12.2.4 规定了隔震层设计的基本要求。
    1 关于橡胶隔震支座的压应力和最大拉应力限值。
        1)根据Haringx弹性理论,按稳定要求,以压缩荷载下叠层橡胶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、第一形状参数s1(有效直径与中央孔洞直径之差D-D0与橡胶层4倍厚度4tr之比)和第二形状参数s2(有效直径D与橡胶层总厚度ntr之比)等。
        通常,隔震支座中间钢板厚度是单层橡胶厚度的一半,取比值为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。结果表明:满足s1≥15和s2≥5且橡胶硬度不小于40时,最小的屈曲应力值为34.0MPa。
        将橡胶支座在地震下发生剪切变形后上下钢板投影的重叠部分作为有效受压面积,以该有效受压面积得到的平均应力达到最小屈曲应力作为控制橡胶支座稳定的条件,取容许剪切变形为0.55D(D为支座有效直径),则可得本条规定的丙类建筑的压应力限值

        2)规定隔震支座控制拉应力,主要考虑下列三个因素:
            ①橡胶受拉后内部有损伤,降低了支座的弹性性能;
            ②隔震支座出现拉应力,意味着上部结构存在倾覆危险;
            ③规定隔震支座拉应力σt<1MPa理由是:1)广州大学工程抗震研究中心所做的橡胶垫的抗拉试验中,其极限抗拉强度为(2.0~2.5)MPa;2)美国UBC规范采用的容许抗拉强度为1.5MPa。
    2 关于隔震层水平刚度和等效黏滞阻尼比的计算方法,系根据振动方程的复阻尼理论得到的。其实部为水平刚度,虚部为等效黏滞阻尼比。
    本次修订,考虑到随着橡胶隔震支座的制作工艺越来越成熟,隔震支座的直径越来越大,建议在隔震支座选型时尽量选用大直径的支座,对300mm直径的支座,由于其直径小,稳定性差,故将其设计承载力由12MPa降低到10MPa。
    橡胶支座随着水平剪切变形的增大,其容许竖向承载能力将逐渐减小,为防止隔震支座在大变形的情况下失去承载能力,故要求支座的剪切变形应满足σ≤σcr(1-γ/s2),式中,γ为水平剪切变形,s2为支座第二形状系数,σ为支座竖向面压,σcr为支座极限抗压强度。同时支座的竖向压应力不大于30MPa,水平变形不大于0.55D和300%的较小值。
    隔震支座直径较大时,如直径不小于600mm,考虑实际工程隔震后的位移和现有试验设备的条件,对于罕遇地震位移验算时的支座设计参数,可取水平剪切变形100%的刚度和阻尼。
    还需注意,橡胶材料是非线性弹性体,橡胶隔震支座的有效刚度与振动周期有关,动静刚度的差别甚大。因此,为了保证隔震的有效性,最好取相应于隔震体系基本周期的刚度进行计算。本次修订,将2001规范隐含加载频率影响的“动刚度”改为“等效刚度”,用语更明确,方便同国家标准《橡胶支座》接轨;之所以去掉有关频率对刚度影响的语句,因相关的产品标准已有明确的规定。

12.2.5 隔震后,隔震层以上结构的水平地震作用可根据水平向减震系数确定。对于多层结构,层间地震剪力代表了水平地震作用取值及其分布,可用来识别结构的水平向减震系数。
    考虑到隔震层不能隔离结构的竖向地震作用,隔震结构的竖向地震力可能大于其水平地震力,竖向地震的影响不可忽略,故至少要求9度时和8度水平向减震系数为0.30时应进行竖向地震作用验算。
    本次修订,拟对水平向减震系数的概念作某些调整:直接将“隔震结构与非隔震结构最大水平剪力的比值”改称为“水平向减震系数”,采用该概念力图使其意义更明确,以方便设计人员理解和操作(美国、日本等国也同样采用此方法)。
    隔震后上部结构按本规范相关结构的规定进行设计时,地震作用可以降低,降低后的地震影响系数曲线形式参见本规范5.1.5条,仅地震影响系数最大值αmaxl减小。
    2001规范确定隔震后水平地震作用时所考虑的安全系数1.4,对于当时隔震支座的性能是合适的。当前,在国家产品标准《橡胶支座 第3部分:建筑隔震橡胶支座》GB 20688.3-2006中,橡胶支座按剪切性能允许偏差分为S-A和S-B两类,其中S-A类的允许偏差为±15%,S-B类的允许偏差为±25%。因此,随着隔震支座产品性能的提高,该系数可适当减少。本次修订,按照《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068的要求,确定设计用的水平地震作用的降低程度,需根据概率可靠度分析提供一定的概率保证,一般考虑1.645倍变异系数。于是,依据支座剪变刚度与隔震后体系周期及对应地震总剪力的关系,由支座刚度的变异导出地震总剪力的变异,再乘以1.645,则大致得到不同支座的ψ值,S-A类为0.85,S-B类为0.80。当设置阻尼器时还需要附加与阻尼器有关的变异系数,ψ值相应减少,对于S-A类,取0.80,对于S-B类,取0.75。
    隔震后的上部结构用软件计算时,直接取αmaxl进行结构计算分析。从宏观的角度,可以将隔震后结构的水平地震作用大致归纳为比非隔震时降低半度、一度和一度半三个档次,如表7所示(对于一般橡胶支座);而上部结构的抗震构造,只能按降低一度分挡,即以β=0.40分挡。

    本次修订对2001规范的规定,还有下列变化:
        1 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%,大致接近设防地震的变形状态,支座的等效刚度比2001规范减少,计算的隔震的效果更明显。
        2 多层隔震结构的水平地震作用沿高度矩形分布改为按重力荷载代表值分布。还补充了高层隔震建筑确定水平向减震系数的方法。
        3 对8度设防考虑竖向地震的要求有所加严,由“宜”改为“应”。

12.2.7 隔震后上部结构的抗震措施可以适当降低,一般的橡胶支座以水平向减震系数0.40为界划分,并明确降低的要求不得超过一度,对于不同的设防烈度如表8所示:

    需注意,本规范的抗震措施,一般没有8度(0.30g)和7度(0.15g)的具体规定。因此,当β≥0.40时抗震措施不降低,对于7度(0.15g)设防时,即使β<0.40,隔震后的抗震措施基本上不降低。
    砌体结构隔震后的抗震措施,在附录L中有较为具体的规定。对混凝土结构的具体要求,可直接按降低后的烈度确定,本次修订不再给出具体要求。
    考虑到隔震层对竖向地震作用没有隔振效果,隔震层以上结构的抗震构造措施应保留与竖向抗力有关的要求。本次修订,与抵抗竖向地震有关的措施用条注的方式予以明确。

12.2.8 本次修订,删去2001规范关于墙体下隔震支座的间距不宜大于2m的规定,使大直径的隔震支座布置更为合理。
    为了保证隔震层能够整体协调工作,隔震层顶部应设置平面内刚度足够大的梁板体系。当采用装配整体式钢筋混凝土楼盖时,为使纵横梁体系能传递竖向荷载并协调横向剪力在每个隔震支座的分配,支座上方的纵横梁体系应为现浇。为增大隔震层顶部梁板的平面内刚度,需加大梁的截面尺寸和配筋。
    隔震支座附近的梁、柱受力状态复杂,地震时还会受到冲切,应加密箍筋,必要时配置网状钢筋。
    上部结构的底部剪力通过隔震支座传给基础结构。因此,上部结构与隔震支座的连接件、隔震支座与基础的连接件应具有传递上部结构最大底部剪力的能力。

12.2.9 对隔震层以下的结构部分,主要设计要求是:保证隔震设计能在罕遇地震下发挥隔震效果。因此,需进行与设防地震、罕遇地震有关的验算,并适当提高抗液化措施。
    本次修订,增加了隔震层位于下部或大底盘顶部时对隔震层以下结构的规定,进一步明确了按隔震后而不是隔震前的受力和变形状态进行抗震承载力和变形验算的要求。