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隔震结构设计计算方法

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本文以8度区隔震结构设计为例,讨论隔震垫型隔震结构的计算方法。

1 减震系数β的计算

(1)隔震结构:基础隔震结构(base isolatedstructure)由上部结构、隔震层、地下室组成。隔震层的铅芯橡胶垫通过上、下混凝土支墩分别与上部结构的楼层梁和下部结构的楼层梁相连。

(2)隔震计算模型

1)等效线弹性模型:采用ETABS程序计算,铅芯橡胶垫用隔震单元和Gap单元模拟。隔震单元具有水平和竖向刚度,相当于一个水平弹簧和一个竖向弹簧。水平弹簧采用等效线弹性模型,刚度为k1;竖向弹簧为弹性模型,刚度为k3。Gap单元为竖向弹簧,采用弹性模型,仅能受压,不能受拉,取其刚度k2=9k3,即隔震层的竖向受压刚度为竖向受拉刚度的10倍。隔震计算模型含正负零层梁及隔震垫的上支墩,上支墩与正负零层刚接,与基础为上述弹簧连接。

2)弹塑性模型:采用ETABS程序计算,铅芯橡胶垫用隔震单元和Gap单元模拟。隔震单元具有水平和竖向刚度,相当于一个水平弹簧和一个竖向弹簧。水平弹簧采用理想弹塑性模型,初始刚度为k1(k1取隔震垫100%剪切变形时的等效刚度);竖向弹簧为弹性模型,刚度为k3。Gap单元为竖向弹簧,采用弹性模型,仅能受压,不能受拉,取其刚度k2=9k3,即隔震层的竖向受压刚度为竖向受拉刚度的10倍。隔震计算模型含正负零层梁及隔震垫的上支墩,上支墩与正负零层刚接,与基础为上述弹簧连接。

(3)非隔震计算模型:非隔震计算模型含正负零层梁及隔震垫的上支墩,上支墩与正负零层刚接,与基础铰接。

(4)减震系数β的计算:采用时程分析法,取7条波(5天然波,2人工波),按8度中震(PGA=200gal),用ETABS软件计算,结果取7条波平均值。由隔震计算模型得到结构各层的层剪力∑Q和倾覆力矩∑M。由非隔震计算模型得到结构各层的层剪力∑Q′和倾覆力矩∑M′。取∑Q/∑Q′和∑M/∑M′两者的较大值(一般小于0.4),为减震系数β,即β=max[(∑Q/∑Q′),(∑M/∑M′)],如β<>,可取β=0.4。

(5)计算隔震后结构的αmax1:取β=0.4,αmax=0.16,Ψ=0.8(或0.85),由αmax1=βαmax/Ψ,得αmax1=0.08,相当于降了1度。将此处得出的αmax1=0.08用于下面的上部结构计算,即采用非隔震计算模型计算7度小震反应谱,用于上部结构设计。

2 上部结构计算

采用非隔震计算模型计算7度小震反应谱,用于上部结构设计,从层剪力和倾覆力矩上看,是合适的。但通过计算发现,构件层面可能出现内力的差别较大的现象,尤其对于北京通州中西医结合医院病房楼和裙楼相连存在刚心和质心严重偏离的情况下,对于这种框架剪力墙结构,会造成混凝土构件由隔震计算模型算出的偏压构件变成由非隔震计算模型的偏拉构件。分析原因,可能为:1)采用非隔震计算模型用简化方法计算隔震结构不准确;2)时程分析法和反应谱法计算结果有差别;3)隔震模型的竖向弹簧刚度对减小因水平地震引起的构件轴力反应有帮助。

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