隔震結構設計計算方法

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本文以8度區隔震結構設計為例,討論隔震墊型隔震結構的計算方法。

1 減震系數β的計算

(1)隔震結構:基礎隔震結構(base isolatedstructure)由上部結構、隔震層、地下室組成。隔震層的鉛芯橡膠墊通過上、下混凝土支墩分別與上部結構的樓層梁和下部結構的樓層梁相連。

(2)隔震計算模型

1)等效線彈性模型:采用ETABS程序計算,鉛芯橡膠墊用隔震單元和Gap單元模擬。隔震單元具有水平和豎向剛度,相當于一個水平彈簧和一個豎向彈簧。水平彈簧采用等效線彈性模型,剛度為k1;豎向彈簧為彈性模型,剛度為k3。Gap單元為豎向彈簧,采用彈性模型,僅能受壓,不能受拉,取其剛度k2=9k3,即隔震層的豎向受壓剛度為豎向受拉剛度的10倍。隔震計算模型含正負零層梁及隔震墊的上支墩,上支墩與正負零層剛接,與基礎為上述彈簧連接。

2)彈塑性模型:采用ETABS程序計算,鉛芯橡膠墊用隔震單元和Gap單元模擬。隔震單元具有水平和豎向剛度,相當于一個水平彈簧和一個豎向彈簧。水平彈簧采用理想彈塑性模型,初始剛度為k1(k1取隔震墊100%剪切變形時的等效剛度);豎向彈簧為彈性模型,剛度為k3。Gap單元為豎向彈簧,采用彈性模型,僅能受壓,不能受拉,取其剛度k2=9k3,即隔震層的豎向受壓剛度為豎向受拉剛度的10倍。隔震計算模型含正負零層梁及隔震墊的上支墩,上支墩與正負零層剛接,與基礎為上述彈簧連接。

(3)非隔震計算模型:非隔震計算模型含正負零層梁及隔震墊的上支墩,上支墩與正負零層剛接,與基礎鉸接。

(4)減震系數β的計算:采用時程分析法,取7條波(5天然波,2人工波),按8度中震(PGA=200gal),用ETABS軟件計算,結果取7條波平均值。由隔震計算模型得到結構各層的層剪力∑Q和傾覆力矩∑M。由非隔震計算模型得到結構各層的層剪力∑Q′和傾覆力矩∑M′。取∑Q/∑Q′和∑M/∑M′兩者的較大值(一般小于0.4),為減震系數β,即β=max[(∑Q/∑Q′),(∑M/∑M′)],如β<>,可取β=0.4。

(5)計算隔震后結構的αmax1:取β=0.4,αmax=0.16,Ψ=0.8(或0.85),由αmax1=βαmax/Ψ,得αmax1=0.08,相當于降了1度。將此處得出的αmax1=0.08用于下面的上部結構計算,即采用非隔震計算模型計算7度小震反應譜,用于上部結構設計。

2 上部結構計算

采用非隔震計算模型計算7度小震反應譜,用于上部結構設計,從層剪力和傾覆力矩上看,是合適的。但通過計算發現,構件層面可能出現內力的差別較大的現象,尤其對于北京通州中西醫結合醫院病房樓和裙樓相連存在剛心和質心嚴重偏離的情況下,對于這種框架剪力墻結構,會造成混凝土構件由隔震計算模型算出的偏壓構件變成由非隔震計算模型的偏拉構件。分析原因,可能為:1)采用非隔震計算模型用簡化方法計算隔震結構不準確;2)時程分析法和反應譜法計算結果有差別;3)隔震模型的豎向彈簧剛度對減小因水平地震引起的構件軸力反應有幫助。

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