12.3 房屋消能减震设计要点

12.3.1

本规范对消能减震的基本要求是:通过消能器的设置来控制预期的结构变形,从而使主体结构构件在罕遇地震下不发生严重破坏。消能减震设计需解决的主要问题是:消能器和消能部件的选型,消能部件在结构中的分布和数量,消能器附加给结构的阻尼比估算,消能减震体系在罕遇地震下的位移计算,以及消能部件与主体结构的连接构造和其附加的作用等等。

罕遇地震下预期结构位移的控制值,取决于使用要求,本规范第5.5节的限值是针对非消能减震结构”r;大震不倒”的规定。采用消能减震技术后,结构位移的控制应明显小于第5.5节的规定。

消能器的类型甚多,按ATC—33.03的划分,主要分为位移相关型、速度相关型和其他类型。金属屈服型和摩擦型属于位移相关型,当位移达到预定的起动限才能发挥消能作用,有些摩擦型消能器的性能有时不够稳定。粘滞型和粘弹性型属于速度相关型。消能器的性能主要用恢复力模型表示,应通过试验确定,并需根据结构预期位移控制等因素合理选用。位移要求愈严,附加阻尼愈大,消能部件的要求愈高。

 

12.3.2

消能部件的布置需经分析确定。设置在结构的两个主轴方向,可使两方向均有附加阻尼和刚度;设置于结构变形较大的部位,可更好发挥消耗地震能量的作用。

 

12.3.3

消能减震设计计算的基本内容是:预估结构的位移,并与未采用消能减震结构的位移相比,求出所需的附加阻尼,选择消能部件的数量、布置和所能提供的阻尼大小,设计相应的消能部件,然后对消能减震体系进行整体分析,确认其是否满足位移控制要求。

消能减震结构的计算方法,与消能部件的类型、数量、布置及所提供的阻尼大小有关。理论上,大阻尼比的阻尼矩阵不满足振型分解的正交性条件,需直接采用恢复力模型进行非线性静力分析或非线性时程分析计算。从实用的角度,ATC—33建议适当简化,特别是主体结构基本控制在弹性工作范围内时,可采用线性计算方法估计。

 

12.3.4

采用底部剪力法或振型分解反应谱法计算消能减震结构时,需要通过强行解耦,然后计算消能减震结构的自振周期、振型和阻尼比。此时,消能部件附加给结构的阻尼,参照ATC—33,用消能部件本身在地震下变形所吸收的能量与设置消能器后结构总地震变形能的比值来表征。

消能减震结构的总刚度取为结构刚度和消能部件刚度之和,消能减震结构的阻尼比按下列公式近似估算:

 

 

 

式中

:分别为消能减震结构的j振型阻尼比、原结构的j振型阻尼比和消能器附加的j振型阻尼比;

    

:分别为消能减震结构第j自振周期、振型和广义质量;

    

:消能器产生的结构附加阻尼矩阵。

国内外的一些研究表明,当消能部件较均匀分布且阻尼比不大于0.20时,强行解耦与精确解的误差,大多数可控制在5%以内。

 

附录L 结构隔震设计简化计算和砌体结构隔震措施

1. 对于剪切型结构,可根据基本周期和规范的地震影响系数曲线估计其隔震和不隔震的水平地震作用。此时,分别考虑结构基本周期不大于设计特征周期和大于设计特征周期两种情况,在每一种情况中又以5倍特征周期为界加以区分。

(1)不隔震结构的基本周期不大于设计特征周期Tg的情况:

设,隔震结构的地震影响系数为α,不隔震结构的地震影响系数为α',则

对隔震结构,整个体系的基本周期为T1,当不大于5Tg时地震影响系数

 

         (L.1.1-1)

不隔震结构的基本周期小于或等于设计特征周期时,地震影响系数

 

         (L.1.1-2)

 

式中

:阻尼比0.05的不隔震结构的水平地震影响系数最大值;

    

:分别为与阻尼比有关的最大值调整系数和曲线下降段衰减指数,见第5.1节条文说明。

按照减震系数的定义,若水平向减震系数为ψ,则隔震后结的总水平地震作用为不隔震结构总水平地震作用的ψ倍乘以70%,即

 

于是

 

近似取

 

         (L.1.1-3)

 

当隔震后结构基本周期T1>5Tg时,地震影响系数为倾斜下降段且要求不小于0.2αmax,确定水平向减震系数需专门研究,往往不易实现。例如要使水平向减震系数为0.25,需有:

 

 

对Ⅱ类场地Tg=0.35s,阻尼比0.05和0.10,相应的T1分别为4.7s和2.9s

但此时 α=0.175αmax,不满足α≥0.2αmax的要求。

(2)结构基本周期大于设计特征周期的情况:

不隔震结构的基本周期T0大于设计特征周期Tg时,地震影响系数为

 

         (L.1.1-4)

 

为使隔震结构的水平向减震系数达到ψ,需有

 

         (L.1.1-5)

 

当隔震后结构基本周期T1>5Tg时,也需专门研究。

注意,若在T0≤Tg时,取T0=Tg,则式(L.1.1-5)可转化为式(L.1.1-3),意味着也适用于结构基本周期不大于设计特征周期的情况。

多层砌体结构的自振周期较短,对多层砌体结构及与其基本周期相当的结构,本规范按不隔震时基本周期不大于0.4s考虑。于是,在上述公式中引入”r;不隔震结构的计算周期T0”表示不隔震的基本周期,并规定多层砌体取0.4s和设计特征周期二者的较大值,其他结构取计算基本周期和设计特征周期的较大值,即得到规范条文中的公式:砌体结构用式(L.1.1-3)表达;与砌体周期相当的结构用式(L.1.1-5)表达。

2. 本条提出的隔震层扭转影响系数是简化计算。在隔震层顶板为刚性的假定下,由几何关系,第i支座的水平位移可写为:

 

略去高阶量,可得:

 

 

 

另一方面,在水平地震下i支座的附加位移可根据楼层的扭转角与支座至隔震层刚度中心的距离得到,

 

 

 

如果将隔震层平移刚度和扭转刚度用隔震层平面的几何尺寸表述,并设隔震层平面为矩形且隔震支座均匀布置,可得

 

 

 

于是                                                                     

 

对于同时考虑双向水平地震作用的扭转影响的情况,由于隔震层在两个水平方向的刚度和阻尼特性相同,若两方向隔震层顶部的水平力近似认为相等,均取为FEK,可有地震扭矩

 

同时作用的地震扭矩取下列二者的较大值:

 

 

记为                                                                     

 

其中,偏心距e为下列二式的较大值:

 

 

考虑到施工的误差,地震剪力的偏心距e宜计入偶然偏心距的影响,与本规范第5.2节的规定相同,隔震层也采用限制扭转影响系数最小值的方法处理。

3. 对于砌体结构,其竖向抗震验算可简化为墙体抗震承载力验算时在墙体的平均正应力σ0计入竖向地震应力的不利影响。

4. 考虑到隔震层对竖向地震作用没有隔振效果,上部砌体结构的构造应保留与竖向抗力有关的要求。对砌体结构的局部尺寸、圈梁配筋和构造柱、芯柱的最大间距作了原则规定。