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泰州科德橡胶机械-密炼机:建筑隔震结构设计及橡胶隔震支座

发布时间:2018-08-08 21:25:00 点击:    关键词:密炼机,捏炼机,开炼机,橡胶机械

隔震设计原理


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结构模型参数的设置


泰州科德橡胶机械-密炼机厂家2018年8月8日讯  在前期调隔震模型中有以下几点注意的:

1、一般隔震层层高至少为800+梁高,在建模的时候建至上支墩即可;

2、为保证隔震层整体性,隔震层顶板板厚至少设置为160mm。隔震层顶部梁、板刚度和承载力,宜大于一般楼盖的刚度和承载力;

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3、SATWE参数设置可参考下图:

地下室设置层数为0,嵌固端所在层号为1。

考虑到底层柱弯矩放大的正确位置,地下室设置层数为1,嵌固端所在层号为2.

宜采用定义一层地下室(土体约束为0)的结构模型复核一层柱子配筋。

例如:8度(0.20g)小于24m的乙类建筑。

设防目标:水平地震影响系数最大值按照降低一度取值—7(0.10g),修改如下图所示:

抗震等级:按照降低一度7度选取,轴压比按照没有降低(8度)对应的抗震等级控制。可以在计算结果分析里面人为核对。

水平地震影响系数最大值及薄弱层验算的地震影响系数最大值:取7(0.10g)所对应的值。

需要考虑竖向地震作用时(抗规12.2.5-4规定)要把隔震后对应的竖向地震作用放大到不隔震的水平,具体可参考《竖向地震作用系数推导》文件。

4、考虑到隔震支座的抗扭转抗弯刚度相对于混凝土非常小,传递弯矩扭矩能力弱,为使模型结构受力接近真实,建筑结构模型底层柱下端改为铰接约束。

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5、其余参数按照传统结构设计设置,各计算参数满足后即可进入隔震分析设计阶段。在隔震分析完后报告中提供罕遇地震支座的剪力、轴力和位移进行下部结构设计。

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一般隔震结构设计的流程是根据隔震目标来确定


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水平减震系数:


对于隔震结构设计按照现行规范设计,必然跟水平减震系数相关,这个参数跟隔震设计息息相关,那就从这个参数说起。


在抗震规范12.2.5条规定,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;


按照该条文计算水平减震系数有以下几点:


1、通常采用各楼层剪力的比值计算水平减震系数,当为高层建筑结构时,应当考虑倾覆力矩的比值;因为,对于高层结构弯矩的影响较大,尤其对弯曲型结构


2、隔震结构的模型应该是带有隔震支座,非隔震结构则是去掉隔震支座的上部结构。但也有认为非隔震结构应该是将隔震结构中隔震支座换为同等水平刚度的柱子或刚度较大的柱子;抗震结构是假想结构,是不存在的,是为了采用现行规范的小震设计而人为强制等效出来的结构,事实上其变形和内力跟隔震结构都有较大的区别。注意的是,抗震结构必须保留隔震层,否则在按小震反应谱设计时,楼体的高度变了导致风荷载等计算不正确。


3、隔震结构既然是带隔震支座的,那计算时应该是非线性的,那计算水平减震系数时应当是采用时程计算方法;一般对隔震结构为上部弹性,隔震层为非线性,对抗震结构则为全弹性。


4、采用时程计算楼层剪力和楼层倾覆弯矩应当在设防烈度下计算。如果在小震下计算楼层内力,隔震支座可能还没有产生非线性反应,不能反应隔震支座的效果;如果在大震下计算,那么上部结构也有部分区域进入飞线性,将这样的计算结果代入小震设计是不合理的。只有在中震下,隔震结构的隔震层进入非线性耗能过程,而上部结构基本保持弹性,计算得到的减震系数才能用于弹性设计中。此外,隔震结构的设计目标应当在设防烈度下上部结构基本完好,这点在水平减震系数的计算上反应;


5、水平减震系数跟隔震支座的变异系数无关,只有在计算地震影响系数最大值时,支座的变异系数才有作用。那么,按照规范规定,水平减震系数跟降度、抗震等级等相关,这些参数的选取应当跟支座变异系数无关;


6、支座变异系数仅在内力计算时考虑,对作用输入进行放大;


7、水平减震系数不区分X向和Y向,因此,取值应为两个方向的包络值,这对两个方向的高宽比相差较大的结构来说,会导致某个方向过于保守;


8、水平减震系数是取所有楼层对应剪力比的较大值,也就是楼层包络,根据结构的高度、结构类型的不同会出现在不同的位置,但总体而言对大部分楼层是偏于保守的;


9、计算水平减震系数跟选波有关,尽管规范给定选波条件,但仍然存在较大的空间。规范要求的反应谱上统计意义相符,如果要求按照隔震周期前三周期选取,那应用在抗震结构上不合理,如果用抗震周期前三周期也不合理,一般做法分别取前三周期,即6个周期点选取地震波,但这样对找天然波是非常麻烦的,因为隔震周期一般较大,天然波反应谱在长周期段一般下降较多,而规范反应谱在长期周期段抬高了,导致天然波难选。但总之,无论是三条包络还是7条平均,工程师对此的操作空间都非常大。


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等效刚度和等效阻尼:


按照现行规范的计算分析方法,必须将隔震结构这个非线性结构体系转换为等效线性化的弹性体系来进行分析计算,那么对隔震结构的非现行支座必然需要进行等效处理,将其等效为按照一定刚度和一定附加阻尼的线弹性构件。因此,需要给每个支座赋予一个等效刚度和等效阻尼,或者给整体隔震层赋予一个等效刚度和等效阻尼以按照多自由度体系简化计算。

等效刚度:在现行规范中规定,在多遇地震作用下,按照剪切变形为50%的水平刚度考虑;在设防烈度地震作用下,按照剪切变形为100%的水平刚度考虑;在罕遇地震作用下,按照剪切变形为250%的水平刚度考虑。按照该定义,即通过支座的试验得到的滞回曲线画割线刚度可获得,即可得到一个定值。

等效阻尼:在现行规范中有类似等效刚度的定义,通常通过能量计算,即有效阻尼比,其中为耗能部件在结构预期位移下往复一周所消耗的能量,为设置耗能部件的结构在预期位移下的总应变能。对于能量的计算可参考相关规范。

那么从等效刚度和等效阻尼的计算方法表明,等效线性化的前提是存在预估位移和确定的剪切变形,那在实际工程中,多遇地震下是否能够使得支座的剪切变形达到50%呢?或者设防烈度地震作用下达到100%?或者罕遇地震作用下达到250%?

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显然不能一一而足,多遇地震下,往往隔震支座还处于弹性阶段,变形很小,可能部分支座还处于初始刚度起作用的阶段;而设防烈度地震作用下和罕遇地震作用下也可能达不到100%和250%,或者超过它。

从滞回曲线可知,如果等效刚度选取的变形偏大,实际达不到,那么等效刚度偏小,结构隔震层偏柔,导致隔震周期偏大,减震效果过于夸大,而实际未能达到,从而导致上部结构的设计配筋偏小,使整体结构偏于不安全;

如果等效刚度选取的变形偏小,即地震作用水准真实变形超过规范指定的剪切变形,仍然取指定剪切变形时对应的刚度,则等效刚度偏大,则可能导致对应地震作用水准的变形验算不准确。

同理,等效阻尼也仍然存在上述的问题,滞回曲线中能量耗散的面积多少跟实际变形相关,过大的变形估计会导致多计算了等效阻尼比,使得上部结构配筋偏小而偏于不安全。

由上可知,等效刚度和等效阻尼是相关的,不同的等效刚度对应不同等效阻尼。

因此,建议在等效线性化处理中,等效刚度和等效阻尼的获取在非线性计算过程中获取,即采用非线性的方法进行时程分析,根据时程分析得到的滞回曲线求等效刚度,确定等效刚度后,在根据等效刚度求隔震层等效阻尼比,以避免每个构件的阻尼比离散导致等效刚度和等效阻尼均无法收敛。

由于在现行规范的设计中,仍然以反应谱方法为主导,因此,等效刚度和等效阻尼的确定直接影响设计结果。由于非线性时程分析方法复杂,也可以建议采用反应谱法进行迭代计算等效刚度和等效阻尼。

流程:先假定一个等效刚度(通常可以选用100%剪切变形时的等效刚度),然后进行中震喜爱反应谱计算,查看支座的变形,如果跟假定的100%剪切变形不一致,则将实际变形代入支座的滞回曲线中求出新的等效刚度,再进行二次计算,多次迭代后,使得等效刚度计算得到的支座剪切变形是吻合的。同理,可求等效阻尼,但是由于在反应谱计算方法中,阻尼的大小仅影响地震影响系数反应谱曲线,因此,只能求得一个隔震层的等效阻尼比,并与结构阻尼一起考虑。


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竖向地震作用:


在现行抗震规范中,明确指出对于8度以上结构应进行竖向地震作用,并且在隔震结构的章节中明确规定,8度和9度时,竖向地震作用标准值不应小于隔震层以上结构总重力荷载代表值的20%和40%。也就是说,对于处于8度、9度的隔震结构不仅要考虑竖向地震的作用,而且给定了最低限值。

在对支座竖向压应力和拉应力验算时,也明确规定对需要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。

当采用简单的方法进行竖向地震作用时,通常可直接取重力荷载代表值的20%和40%作为竖向地震作用效应。对于复杂的结构,应进行三向地震作用时程分析,三向加速度和地震影响系数的比值取为1:0.85:0.65。

在隔震结构设计中,竖向地震作用不可忽视,当竖向地震作用较大时,容易导致隔震支座拉压应力过大,尤其在三向地震作用时,竖向作用pdelta效应明显,因此,在时程分析中计算竖向作用有重要的参考意义

重力荷载作用下支座竖向变形差:

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对于一般混凝土结构,混凝土构件轴向刚度较大,轴向变形较小,且与周边竖向构件的刚度也相差甚少,与周边的底部竖向构件的竖向变形差几乎可以忽略不计。

但是,隔震支座的竖向刚度一般不大,比如一个600直径的铅芯橡胶支座的竖向刚度为2667KN/mm(某产家参数),而一个600直径的C40混凝土柱的线刚度为9189KN/mm,相差达2倍多。

此外,在隔震支座受水平剪切变形影响,相应的竖向位移也会增大,于是,出现一个问题,在竖向作用下,支座的竖向变形差是不容忽视的,至少会带来几点影响:

1、与相邻支座的竖向变形不一致导致竖向变差较大,导致相邻竖向构件间相连的水平构件两端的弯矩、剪力较大,要严格控制节点域的破坏的可能性;

2、竖向变形差可能导致局部的倾覆风险加大,因此在隔震支座设计时,应尽量保持相邻支座之间的竖向刚度相差不大和竖向荷载相差不大,应通过简单的手算控制竖向变形差的影响。

偏心率:    

在规范中明确规定,隔震层的水平刚度中心与上部结构质心应尽量重合,如不重合则应计入扭转变形的影响。

在现代计算机技术和有限元法的影响下,工程师们基本对所有的工程都考虑扭转变形的影响,因此该条文的执行基本都能实现。

但在实际工程中,除了要求考虑扭转变形外,还要求上部结构的质心与隔震层水平刚度中心偏心率不超过3%,甚至在江苏、云南、新疆等局部地区要求偏心率不超过1.5%~2%,总体上比较严格控制质心刚心偏心率,以避免结构在地震作用下上部结构发生过大的扭转变形。

由于每一层的质心都是不一样的,那么上部结构的质心应当统一到一个点,因此,在实际操作中,可取1.D+0.5L落到隔震层上的竖向构件底部的轴力来计算上部结构质心,计算式如下:

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通过不断调整支座的等效刚度来满足偏心率。

因此,等效刚度的大小对偏心率的计算影响较大,一般设计过程中取中震下迭代后等效刚度来计算,但个人认为这样处理并不是完全合理。

偏心率的控制目标是控制隔震层扭转变形过大,扭转变形的大小还跟地震作用的大小相关,一般在设防烈度作用下,结构的扭转变形引起的破坏可能性较小,在罕遇地震中下扭转变形过大容易引起隔震层支座出现破坏,并导致连续倒塌,因此,建议在计算偏心率是应重点考虑在罕遇地震下的等效刚度。

在实际工程中,偏心对结构的扭转振动影响很大,在隔震结构中,要考虑的偏心主要有:

1、上部结构的偏心:指上部结构中荷载、质量的分布本身存在偏心,即质量的拐把模型,每一层的质心并不重合,从而导致结构扭转反应。但是由于隔震层的存在,这种偏心效应影响不大;

2、隔震层的偏心:指上部结构的质心与隔震层隔震支座的刚心不重合,这对隔震层端部的隔震支座的水平变形影响很大,当偏心很大时,结构角部的隔震支座可能产生较大的水平位移,甚至超出限位控制,而此时中部某些隔震支座变形很小,整体隔震不合理。对于相同的偏心矩和偏心率,由于隔震层平面形状、隔震支座位置、非线性特性引起的扭转振动也不相同。即使在弹性设计时,不存在偏心,但在高压力下,特别是第二形状系数较小的小型叠层橡胶支座的刚度会降低;地震时摩擦支座的摩擦力与轴力相关;铅芯橡胶支座、阻尼器等会因为制作安装上的误差导致刚度的变化等,偏心是难以避免的。

3、下部结构的偏心:由于下部结构的质心刚心可能存在偏心,导致隔震层和上部结构的扭转振动,最主要的是下部结构的平面形状跟上部结构的形状存在很大的差异,比如裙房顶隔震时,裙房的平面形状跟上部存在很大差别,导致上部结构的质心、刚心跟下部结构的质心刚心相差较远。但是由于,隔震结构设计中要求下部结构的刚度较大,一般情况下,下部结构的偏心对隔震层的扭转振动影响较小。

拉压应力的控制:


在规范中明确规定,隔震支座在重力荷载代表值的竖向压应力不应超过表 12. 2. 3 的规定。并规定在罕遇地震作用下,隔震橡胶支座的竖向压应力不应大于 30MPa。

也就是说隔震支座需要控制正常使用状态下的压应力,避免在正常使用状态就出现橡胶失去弹性,因此规定甲类建筑不得超过10MPa,乙类不得超过12MPa,丙类建筑不得超过15MPa。

在规定中明确规定重力荷载代表值作用下,即1.0D+0.5L,且活荷载可根据荷载规范进行相应的折减。

但注中又规定在进行倾覆验算时应当考虑水平地震作用组合,对需要考虑竖向地震作用的结构,应同时考虑竖向地震作用,但在实际操作中,一般仅考虑重力荷载代表值下的压应力验算。

同时要求在罕遇地震作用下的极限承载力状态下,竖向压应力一律不得超过30MPa,避免支座被压坏。

该项要求在罕遇地震下对压应力做最低要求控制,注意此时的组合应当为1.0D+0.5L+1.0EX(EY)+1.0EV,应当为三向地震作用下的压应力控制。

规定在罕遇地震作用下, 隔震橡胶支座的竖向拉应力不应大于 1.0MPa。跟罕遇地震下竖向压应力验算一致,避免支座受拉破坏,而在往复运动中失效。

当拉应力超过1.0MPa时,应当考虑支座布置或者结构布置问题,并采取增加抗拉装置的措施,且拉应力支座数目不得超过总数量的30%。

虽然规范没有明文规定风荷载作用下的压应力验算,但是考虑风力为常态,应当考虑正常使用状态下压应力控制,不宜超过15MPa,选用组合为1.0D+0.5L+1.0W。

隔震橡胶支座

      橡胶支座隔震的基本原理是通过增设橡胶支座 , 使整个建筑的自振周期得以延长 , 以减轻上部结构的地震反应 。其一般做法是在建筑物底部设置橡胶支座 , 利用橡胶支座的水平柔性形成一道柔性隔震层 , 通过柔性隔震层吸收和耗散地震能量 , 阻止并减轻地震能量向上部结构的传递 , 最终达到减轻上部结构地震破坏的目的 。这种隔震技术不仅可以保证结构的整体安全 , 并且能够防止非结构部件的破坏 ,避免建筑物内部装修 、室内设备的损坏以及由此引起的次生灾害 。就目前情况而言 , 橡胶支座隔震系技术应用方便 、隔震效果明显的抗震新技术 。 该技术对国计民生具有重要的意义 ,具有广阔的发展前景和广泛的市场 。

      

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