隔震设计(2015)薛彦涛.pdf

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隔震建筑设计与施工隔震建筑设计与施工薛彦涛研究员中国建筑科学研究院薛彦涛研究员中国建筑科学研究院Tel:

13501034240地震中大量钢筋混凝土结构倒塌地震中大量钢筋混凝土结构倒塌汶川、玉树、芦山地震提出的问题1我国的抗震规范是否经得起考验？

2我国的抗震设防烈度的划分是否正确？

3建筑抗震的出路在哪里？

变被动抗震为主动抗震才是今后建筑抗震的出路!

隔消叠层橡胶支座隔震技术规程建筑抗震设计规范建筑隔震橡胶支座建筑隔震施工验收规范图集建筑结构隔震构造详图（03SG610-1）内容

（1）隔震建筑原理（）隔震建筑原理

（2）地震时隔震建筑表现（）地震时隔震建筑表现（3）隔震层组成（）隔震层组成（4）隔震技术应用范围和适用条件（）隔震技术应用范围和适用条件（5）隔震设计基本要求（）隔震设计基本要求（6）隔震结构的设计（）隔震结构的设计（7）隔震支座检验要求（）隔震支座检验要求（8）施工技术要点（）施工技术要点（9）工程设计设计实列）工程设计设计实列内容

（1）隔震建筑原理）隔震建筑原理

（2）地震时隔震建筑表现（3）隔震层组成（4）隔震技术应用范围和适用条件（5）隔震设计基本要求（6）隔震结构的设计（7）隔震支座检验要求（8）施工技术要点（9）工程设计设计实列隔震建筑动画模拟地震地震基础基础地震波地震波建筑物建筑物建筑隔震示意图建筑隔震示意图隔震沟隔震沟阻尼器阻尼器隔震装置隔震装置隔震建筑隔震建筑就是在建筑物的基础和上部结构之间设置隔震装置（或系统），形成隔震层，以达到阻隔地震时地面振动向上部结构传递地震力（或振动能量），降低结构在地震下的振动反应的目的。

ELcentro加速度反应谱ELcentro位移谱隔震动力学原理隔震动力学原理小结什么是隔震建筑?

在建筑与基础之间设置隔震装置,阻隔地震波向建筑物传递。

建筑隔震的动力原理延长结构原期，降低地震力。

内容

（1）隔震建筑原理）隔震建筑原理

（2）地震时隔震建筑表现）地震时隔震建筑表现（3）隔震层组成（4）隔震技术应用范围和适用条件（5）隔震设计基本要求（6）隔震结构的设计（7）隔震支座检验要求（8）施工技术要点（9）工程设计设计实列南加州大学医院南加州大学医院（隔震结构），8层。

南加州大学医院地震记录基础加速度为0.49g，而顶层加速度只有0.21g。

南加州大学医院医院（隔震）OliveView医院（不隔震）日本WEST大厦（隔震结构），8层。

地震观测位置方向东西南北上下6层103753771层10657193基础300263213日本22层隔震建筑芦山地震芦山芦山县医院甘肃陇南的一幢居民住宅砖混隔震建筑，砖混结构，6层隔震与非隔震结构地震反应对比隔震建筑室内家具完好非隔震建筑室内家具翻倒小结隔震建筑在地震中的表现完美。

隔震不仅能够保证结构不破坏，还保护室内家具和设备。

内容

（1）隔震建筑原理）隔震建筑原理

（2）地震时隔震建筑表现（3）隔震层组成）隔震层组成（4）隔震技术应用范围和适用条件（5）隔震设计基本要求（6）隔震结构的设计（7）隔震支座检验要求（8）施工技术要点（9）工程设计设计实列隔震支座隔震支座支撑建筑物支撑建筑物较小的水平刚度较小的水平刚度自复位自复位消能器（阻尼器）消能器（阻尼器）耗散地震能量耗散地震能量抑制位移。

抑制位移。

常用隔震支座常用隔震支座橡胶隔震支座橡胶隔震支座滑板隔震座滑板隔震座摩擦摆摩擦摆橡胶隔震支座是由多层橡胶和多层钢板或其他材料交替叠置结合而成的隔震装置，又称叠层橡胶隔震支座，目前常用的橡胶隔震支座有两种：

橡胶隔震支座是由多层橡胶和多层钢板或其他材料交替叠置结合而成的隔震装置，又称叠层橡胶隔震支座，目前常用的橡胶隔震支座有两种：

普通橡胶支座铅芯橡胶支座。

普通橡胶支座铅芯橡胶支座。

普通叠层橡胶支座铅芯叠层橡胶支座两种安装方法安装方法1安装方法2安装方法1安装方法2橡胶隔震支座的耐久性1889年在澳大利亚墨尔本市的一座铁路高架桥上安装了天然橡胶垫，这座高架桥至今仍在使用中。

研究人员从使用了100多年的天然橡胶垫上切下一块橡胶试样进行测试，发现虽然橡胶中没有加抗氧化剂，但在表面1.5mm产生老化，以下的橡胶性能未发生任何改变。

这说明在一般情况下，橡胶的天然老化限制在表而区域。

1962建成的英国伦敦至肯特的M2高速公路桥上，使用了叠层橡胶支座，1982年移出两个进行了压缩和剪切刚度试验，并切开一个橡胶支座研究橡胶性能，结论是，支座的压缩及剪切刚度没有明显变化，表面无任何开裂及老化征兆。

1966年建成的伦敦奥尔班6层隔震公寓，采用了叠层橡胶支座。

之后每8年进行一次观测，从外观上未发现老化现象，硬度也无变化。

日本进行的耐久性研究TakenakaCorporation平面2007年的温度记录取出隔震支座1.压缩除变568.0402.0YCr2.竖向刚度3.水平刚度4.剪切性能行业标准规定：

叠层橡胶支座应具有不小于60年的设计工作寿命。

老化性能是指支座在常温下的各项力学性能如：

竖向刚度、水平刚度、等效粘滞阻尼比和水平极限变形能力等保持稳定。

要求变化率不超过20%，且外观无龟裂。

目前老化性能测试采用加热加速试验预测。

橡胶隔震支座技术参数形状系数（第一形状系数，第二形状系数）竖向刚度竖向极限压应力竖向极限拉应力水平变形水平刚度屈服后刚度等效阻尼比形状系数形状系数第一形状系数第一形状系数保证竖向承载力稳定性保证竖向承载力稳定性控制每层橡胶的厚度的形状系数称为第一形状系数，用S1表示，定义如下：

规范规定：

为了保橡胶隔震在竖向荷载作用下的承载力要求第一形状系数S115。

剪切弹性模量0.392N/N/第二形状系数第二形状系数地震作用下，橡胶支座会发生较大的水平变形，这就要求处于大变形的橡胶支座在高压应力下不致失去自身的稳定性，为了控制橡胶支座的稳定性，引入第二形状系数S2，S2定义如下：

规范规定：

规范规定：

1.第二形状系数S25。

2.如果第二形状系数不能满足上述要求时，压应力设计值应适当降低。

当5S24时，降低20%；当4S23时，降低40%。

剪切弹性模量0.392N/N/竖向刚度竖向刚度2121PPKv剪切弹性模量0.392N/N/水平变形水平变形橡胶隔震支座的水平变形指支座上下连接板间的相对位移，通常就是隔震层的变形，用隔震支座的剪应变表示：

%100rt剪切弹性模量0.392N/N/破坏试验规范规定：

规范规定：

橡胶支座在竖向平均压应力设计限值下的极限水平变位，应大于其有效直径的0.55倍（0.55d）和橡胶层总厚度3倍两者的较大值。

水平刚度水平刚度UUQQKh21普通橡胶隔震支座滞回曲线普通橡胶隔震支座滞回曲线铅芯橡胶隔震支座滞回曲线铅芯橡胶隔震支座滞回曲线KpyKsKeqUQQUQQKgygypy21UUQQKh21屈服后刚度屈服后刚度Kpy等效刚度等效刚度剪切弹性模量0.392N/N/剪切弹性模量0.392N/N/竖向极限压应力竖向极限压应力竖向极限压应力指橡胶支座在无任何水平变形的情况下可承受的最大压应力。

规范规定：

规范规定：

max90MPa。

竖向平均压应力设计值竖向平均压应力设计值规范规定：

规范规定：

竖向平均压应力设计值不应超过下表中的规定。

建筑类别甲类建筑乙类建筑丙类建筑平均压应力限值（MPa）101215当隔震支座外径小于300mm时，其平均压应力限值对丙类建筑为12MPa。

当隔震支座外径小于300mm时，其平均压应力限值对丙类建筑为12MPa。

水平位移水平位移0.55D时的竖向压应力时的竖向压应力橡胶支座变形后的受荷面积橡胶支座变形后的受荷面积通过试验知，当橡胶隔震支座的第一形状系数S115，第二形状系S23，橡胶硬度不小于40时，隔震支座的最小屈服应力值=34MPa，行业标准中取30MPa。

竖向拉应力设计值限值竖向拉应力设计值限值竖向拉应力指支座在轴向拉力作用下产生的应力，要求极限拉应力不小于1.5MPa。

设计时应尽量避免橡胶隔震支座受拉，如果不能避免，拉应力1.0MPa。

等效粘滞阻尼等效粘滞阻尼2）（22UKWUQWeqeq2）（22UKWUQWeqeqW-表示滞回环的面积反映阻尼的参数是等效阻尼比eq剪切弹性模量0.392N/N/橡胶隔震支座小结介绍两种橡胶隔震支座：

有铅芯和无铅芯相关技术参数：

）第一形状系数：

保证竖向承载力稳定性）第二形状系数：

保证水平承载力稳定性）竖向刚度）水平刚度：

普通橡胶隔震支座只有一个水平刚度；铅芯支座有等效刚度、初始刚度和屈服后刚度）竖向极限压应力、水平位移0.55D时的竖向压应力和竖向拉应力设计值限值。

）水平位移的表达方式和水平向极限位移）等效阻尼比常用隔震支座常用隔震支座橡胶隔震支座橡胶隔震支座滑板隔震座滑板隔震座摩擦摆摩擦摆滑板隔震支座滑板隔震支座平板式摩擦滑移隔震支座构造图平板式摩擦滑移隔震支座实物平板式摩擦滑移支座的竖向刚度较大，可视为刚性。

竖向承载力取决于聚四氟乙烯（PTFE）的抗压强度，PTFE的极限压应力值可达68MPa，设计值一般取45MPa。

水平方向，在滑移前水平刚度也很大，设计时可取刚性假定。

滑动后，刚度为零，只提供摩擦力：

）sgn（xNF摩擦滑移支座中聚四氟乙烯（PTFE）与不锈钢板之间动摩擦系数的主要影响因素与正压力、滑移速度、环境温度以及润滑剂的使用有关。

采用国内聚四氟乙烯（PTFE）进行的的摩擦系数与压力的试验得到的压力与摩擦系数的关系为：

4268.00588.0常用隔震支座常用隔震支座橡胶隔震支座橡胶隔震支座滑板隔震座滑板隔震座摩擦摆摩擦摆摩擦摆隔震支座（类型I）摩擦摆隔震支座构造图摩擦摆隔震支座试验）sgn（WDRWF摩擦摆的侧向刚度RWK/WgyQ相当于屈服剪力摩擦摆水平力摩擦摆隔震支座（类型II）消能减震装置消能减震装置液体粘滞阻尼器铅棒阻尼器碟形弹簧阻尼器液体粘滞阻尼器粘滞阻尼器剖面粘滞阻尼器原理隔震结构中粘滞阻尼器原理安装方法粘滞消能器力学模型粘滞消能器的恢复力模型可以表示为：

）sgn（DCF消能器的相对速度指数，一般在01之间取值，当取值等于1时，消能器为线性粘滞流体消能器；取小于1时，为非线性阻尼器。

非线性液体粘滞消能器的滞回曲线铅棒阻尼器碟形弹簧阻尼器位移型消能器力学模型）（yyyxxKFFyxx位移型消能器的力学模型为：

xKFsyxx消能器小结三种消能器及其特点）液体粘滞阻尼器）铅棒阻尼器）碟形弹簧阻尼器内容

（1）隔震建筑原理（）隔震建筑原理

（2）地震时隔震建筑表现（）地震时隔震建筑表现（3）隔震层组成）隔震层组成（4）隔震技术应用范围和适用条件）隔震技术应用范围和适用条件（5）隔震设计基本要求（6）隔震结构的设计（7）隔震支座检验要求（8）施工技术要点（9）工程设计设计实列隔震技术适用条件和应用范围隔震技术适用条件和应用范围

（1）结构高宽比宜小于4；且不应大于对非隔震结构高宽比要求。

高宽比大于4或非隔震结构相关规定时，应进行专门研究。

（2）建筑建筑场地宜为、类使用功能有特殊要求的建筑使用功能有特殊要求的建筑如地震时不能中断使用的指挥机关、公安消防部门，地震时不能损坏信息系统和重要设备的银行、通讯部门，不能发生次生灾害的存放有毒、爆炸物品的建筑、高危试验室，地震时要求有更大生安全保障的幼儿园、中小学、医院等建筑小结适用条件高宽比、I、II、III类场地应用范围学校、医院等内容

（1）隔震建筑原理（）隔震建筑原理

（2）地震时隔震建筑表现（）地震时隔震建筑表现（3）隔震层组成（）隔震层组成（4）隔震技术应用范围和适用条件）隔震技术应用范围和适用条件（5）隔震设计基本要求）隔震设计基本要求（6）隔震结构的设计（7）隔震支座检验要求（8）施工技术要点（9）工程设计设计实列.隔震结构高度取同类型结构适用高度随着隔震技术的深入研究，隔震大量用于高层建筑，有些甚至是超高层建筑。

OsakaCity，结构高168.5m，地下1层，地上50层，高宽比：

4.2（长边），5.7（短边）。

四川成都凯德风尚高层住宅区隔震建筑，小区总建筑面积600,000m2，由27栋1820层的高层住宅和2栋低层住宅组成。

（）隔震建筑的体型应基本规则，上部建筑重心尽可能与隔震层的刚度中心接近，保证隔震结构地震时不至因太大的扭转而发生意外的破坏。

（）合理设置隔震结构的基本周期，避开场地周期和上部结构的周期，有效发挥隔震技术的效用。

（）隔震层以上结构按多遇地震进行强度设计和变形验算。

（）隔震层以下结构（包括地下室）支承隔震支座的竖向构件的应验算罕遇地震下抗剪承载力。

其它构件按小震验算。

2.隔震设计基本内容（）隔震层中的隔震支座应进行竖向承载力的验算和罕遇地震下水平位移的验算。

必要时，采用消能减震器减小隔震层的位移。

（）隔震建筑地基基础的抗震验算仍应按小震进行。

（）穿过隔震层的设备配管、配线，应采用柔性连接或其他有效措施适应隔震层的罕遇地震水平位移。

（）体型复杂或有特殊要求的结构采用隔震方案时，宜通过模型试验后确定。

小结适用高度。

设计的条概念性要求。

（1）隔震建筑原理（）隔震建筑原理

（2）地震时隔震建筑表现（）地震时隔震建筑表现（3）隔震层组成（）隔震层组成（4）隔震技术应用范围和适用条件（）隔震技术应用范围和适用条件（5）隔震设计基本要求）隔震设计基本要求（6）隔震结构的设计）隔震结构的设计（7）隔震支座检验要求（8）施工技术要点（9）工程设计设计实列隔震结构的设计隔震结构的设计1.隔震层位置隔震层位置2.隔震结构计算3.隔震层设计4.下部结构及基础设计5.上部结构设计6.隔震结构常用构造图隔震层位置隔震层位置隔震层在基础顶（无地下室）隔震层在基础和地下室之间隔震层设置在地下室内隔震层在地下室与上部结构之间隔震层群房与上部结构之间中间层隔震隔震层位置小结隔震层位置小结种隔震层位置隔震结构的设计隔震结构的设计1.隔震层位置2.隔震结构计算隔震结构计算3.隔震层设计4.下部结构及基础设计5.上部结构设计6.隔震结构常用构造图隔震结构计算分部计算法为了将非隔震结构设计资源用于隔震建筑结构设计，采用分部计算法。

所谓分部设计法，是指将整个隔震结构分为上部结构、隔震层、下部结构及基础等部分，分别进行设计，计算分部进行。

计算过程隔震结构设计计算模型隔震单元隔震结构设计计算模型隔震单元地震波选取地震波选取楼层剪力与倾覆力计算楼层剪力与倾覆力计算水平减震系数水平减震系数按非隔震结构计算按非隔震结构计算上部结构水平地震作用计算最小剪重比要求上部结构水平地震作用计算最小剪重比要求竖向地震作用计算竖向地震作用计算隔震结构设计计算模型隔震结构设计计算模型隔震结构计算模型通常包括隔震层和上部结构，计算软件提供较强功能时，下部结构也可以一并考虑。

由于隔震房屋中隔震层的设置，隔震层以上的结构要求与隔震层以下的结构完全断开，因此隔震层顶部需要设置一层楼板及必要的支撑梁体系，计算隔震结构时，这部分结构也应一并计算。

非隔震SATWE模型隔震ETABS模型减震系数隔震单元隔震单元铅芯支座普通橡胶支座计算时隔震支座的参数选择:

水平减震系数-取剪切变形100%的等效刚度和等效黏滞阻尼比；罕遇地震验算-宜采用剪切变形250%时的等效刚度和等效黏滞阻尼比，当隔震支座直径较大时可采用剪切变形100%时的等效刚度和等效黏滞阻尼比。

时程分析-以实验所得滞回曲线作为计算依据。

地震波选取地震波选取中震地震波7条波取平均3条波取包络Timesec3029282726252423222120191817161514131211109876543210Accelerationg0.30.250.20.150.10.050-0.05-0.1-0.15-0.2-0.25-0.3地震波应同时满足隔震和非隔震结构要求计算楼层地震剪力及弯矩X向地震作用下上部结构剪力对比（kN）楼层隔震结构非隔震结构隔震/非隔震RGB1RGB2RGB1RGB2L0021L0137L0251平均RGB1RGB2RGB1RGB2L0021L0137L0251平均61218.961146.701158.741148.521153.361166.911620.831230.576067.215522.468228.504409.667349.393575.916474.195946.7620.69%52309.131991.062316.722450.062046.952204.152825.602306.2411417.0310012.3715783.887600.2413360.807275.9212482.4611133.2420.71%43076.262996.983413.493626.422896.993162.973843.583288.1016428.8114566.9720917.1810943.0916653.9811006.8716278.6615256.5121.55%33796.193883.564056.694442.073717.104007.484887.134112.8919117.1717696.2824860.5914822.3819086.9314549.1018516.7118378.4522.38%24614.794637.884315.065087.724408.594625.165667.554765.2520217.5819118.6029630.2818006.0320504.0117418.9020031.1320703.7923.02%15880.785588.134621.006543.375179.705379.106471.545666.2321827.7922019.6135386.3120772.6924908.3420221.5823577.7124102.0023.51%X向地震作用下上部倾覆力矩对比（kNm）楼层隔震结构非隔震结构隔震/非隔震RGB1RGB2L0047L0032L0145L0352L0081平均RGB1RGB2L0047L0032L0145L0352L0081平均63559.372995.823383.533353.673367.823407.394732.813542.9217716.2714637.7924027.2312876.2121460.2110441.6518904.6417152.0020.66%510024.928285.329533.2810096.739044.229573.3712644.489886.0548806.7142180.5968222.0933077.2358870.4430469.3453786.2247916.0920.63%418598.2216623.6519091.0520250.7116596.8418100.5922173.8318776.4193193.0582372.98126319.4461599.59103450.1060662.7898568.8389452.3920.99%328771.1627454.1930424.5632680.0126699.6629294.3435175.2630071.31146495.69131543.82192571.5998939.93153246.69100844.84147605.34138749.7021.67%240304.8540416.0242409.6746854.7339020.7342243.1251044.4043184.79202044.71185075.89264634.54148749.61208255.14149291.63196833.71193555.0322.31%161848.4062201.5259912.4671020.7859220.3561961.6276258.3264631.92279344.40262525.32381057.03229763.11285500.64227533.88267888.68276230.4423.40%隔震结构与非隔震结构楼剪力和倾覆力矩比值隔震结构与非隔震结构楼剪力和倾覆力矩比值水平向减震系数水平向减震系数水平向减震系数：

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；按非隔震结构计算隔震层以上结构地震作用计算隔震层以上结构地震作用计算隔震后水平地震作用计算按非隔震结构计算,水平地震影响系数最大值可按下式计算：

max1=max/式中max1隔震后的水平地震影响系数最大值；max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；水平向减震系数；调整系数；一般橡胶支座，取0.80；支座剪切性能偏差为S-A类，取0.85；1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；2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。

（不满足上述要求时，直接调整剪力）（不满足上述要求时，直接调整剪力）最小楼层剪重比要求最小楼层剪重比要求竖向地震作用计算竖向地震作用计算考虑到橡胶隔震支座对竖向地震的隔震效果较差，竖向地震作用验算按下面要求进行：

（1）67度可不进行竖向地震作用的计算；

（2）9度时和8度且水平向减震系数不大于0.3时，隔震层以上的结构应进行竖向地震作用的计算。

（3）竖向地震作用取值：

8度（0.20g）、8度（0.30g）和9度时分别不应小于隔震层以上结构总重力荷载代表值的20%、30%和40%。

计算小结采用分部法计算采用分部法计算分别建隔震和非隔震计算模型分别建隔震和非隔震计算模型时程法计算时程法计算7条波取平均，条波取平均，3条波取包络条波取包络计算楼层剪力和倾覆力矩计算楼层剪力和倾覆力矩水平减震系数水平减震系数按非隔震计算水平地震作用调整，最小剪重比，竖向地震作用按非隔震计算水平地震作用调整，最小剪重比，竖向地震作用隔震结构的设计隔震结构的设计1.隔震层位置2.隔震结构计算3.隔震层设计隔震层设计4.下部结构及基础设计5.上部结构设计6.隔震结构常用构造图隔震层设计包含:

1.隔震支座的布置2.隔震支座承载力验算3.罕遇地震下最大位移4.水平屈服荷载5.弹性水平恢复力验算。

1.隔震支座的布置

（1）隔震装置布置时要同时考虑竖向和水平向的要求。

首先隔震装置要满足竖向荷载的要求，其次是水平荷载。

为了提高上部结构的减震效果，隔震层的总水平刚度应尽量小，同时也要控制隔震层的位移。

（2）一柱一个隔震支座，剪力墙布置在两端。

当柱轴力非常大，一个支座无法满足承载力的要求时，可以采取一柱多个隔震支座的形式。

（3）隔震支座底面宜布置在相同标高位置上，必要时也可布置在不同的标高位置上。

隔震支座放置在不同标高上并不影响隔震效果。

特别注意的是，隔震支座周围须留有足够的变形空间，见图。

（4）同一建筑物中选用多个型号的隔震支座时，一般保证支座的顶标高相同。

（5）隔震支座布置注意以下要求：

）隔震支座布置注意以下要求：

隔震层刚度中心宜与上部结构的质量中心重合。

隔震支座的平面布置宜与上部结构和下部结构中竖向受力构件的平面位置相对应。

同一房屋选用多种规格的隔震支座时，应注意充分发挥每个隔震支座的承载力和水平变形能力。

同一支承处选用多个隔震支座时，隔震支座之间的净距应大于安装和更换时所需的空间尺寸。

隔震层在罕遇地震下应保持稳定，不宜出现不可恢复的变形。

2.隔震支座承载力验算隔震支座承载力验算包括承压验算和受拉验算。

计算平均压应力设计值时，按在重力荷载代表值计算；对需验算倾覆的结构应包括水平地震作用效应组合；对需进行竖向地震作用计算的结构，尚应包括竖向地震作用效应组合。

隔震房屋抗倾覆验算：

隔震房屋的高宽比超过规范