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采用隔标进行隔震设计的完整流程

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《建筑隔震设计标准》GBT51408-2021(以下简称“隔标”)对隔震结构设计提出了一套不同于《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(2016版)(以下简称“抗规”)对隔震结构设计的方法。隔震结构的设计由原来的分部设计方法变成了由包含隔震层的一体化直接设计方法。按照隔标要求,隔震结构设计流程更趋向于类似传统抗震结构的设计方法,使得隔震结构的设计流程更加简洁,地震作用分布更趋合理。

一、采用隔标设计的完整流程

相比抗规对隔震结构设计的要求,隔标对隔震结构的设计采用上下部结构、 隔震层一体化分析设计,并顺接基础的设计分析方法,其完整设计流程如下:

1.确定隔震目标。

2.建立有限元模型,根据竖向荷载选取支座,并确定隔震支座布置方案。

3.建立隔震有限元模型,利用迭代方法对隔震结构进行等效线性化,求取支座等效参数,计算结构等效刚度及等效阻尼比。

4.进行一体化设计分析,判断隔震结构有没有达到中震弹性层间位移角要求,指定构件的性能目标,并进行构件性能化配筋计算。

5.对隔震结构直接选波,验算支座在大震和巨震下是否符合规范要求。

6.直接接入中震下隔震结构计算的地震作用,进行隔震结构基础的设计。

7.整理隔震设计报告。

采用隔标进行隔震设计的完整流程

图1 隔震结构按照隔标设计的流程

二、PKPM-GZ软件对隔标的实现

PKPM-GZ软件全面深入实现隔标要求,同时支持按现行抗规方法设计,助力设计师专业、准确、高效地完成隔震结构的设计。针对隔震结构的特点,软件提供了以下专业、丰富的分析及设计功能,希望设计师能够能像设计传统抗震结构一样设计隔震结构。

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图2 隔震结构设计方法可选择按抗规或隔标设计

三、采用PKPM-GZ软件实现隔震结构设计的完整流程

采用PKPM-GZ软件进行隔震结构的设计,其详细完整设计流程如下。

01

按照减震目标,初步确定结构方案

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图3 初步确定结构方案

02

根据竖向荷载及长期面压要求,初选支座布置方案,建立有限元模型

图4新建隔震支座层及下支墩层

上部结构、隔震支座层及下支墩层,组装以后形成隔震结构整体三维模型。

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图5 包含隔震层及下支墩的整体隔震模型

然后把隔震支座层的柱子指定为隔震支座柱,并按照隔标对支座长期面压的要求,初步选择隔震支座,也可以直接采用软件智能优选的方式自动选择隔震支座。

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图6 在隔震层下进行隔震支座柱的指定,定义隔震支座

03

进行隔震结构分析,选择相应的计算参数。

建立隔震有限元模型,选择相应的设计参数,需要通过迭代的方法对隔震结构进行等效线性化,求取支座等效参数,同时对于结构地震作用计算采用“复振型分解法(CCQC组合)”。同时一次性形成“中震隔震模型”、“中震非隔震模型”及“大震隔震模型”。

注意:由于设计中让软件自动形成中震模型,因此,在进行整体模型计算时,地震影响系数最大值还是要填写本地区的小震对应的结果。

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图7 隔震结构设计选择相应参数

04

对隔震构件的性能指定及隔震构件类型等特殊属性指定

根据隔标的要求,隔震设计时需要进行结构性能化设计,PKPM-GZ软件给出默认的性能设计属性,通常需要设计人员确认修改,程序提供交互修改界面。

软件默认所有的梁构件属于普通水平、柱构件属于普通竖向构件,设计中需要指定隔震层的上下支墩为关键构件,同时与上支墩相连的隔震层的主梁构件也要指定为关键构件。对于层间隔震结构及剪力墙隔震结构,需要按照规范的相关要求,进行关键构件、普通竖向构件及普通水平构件的属性指定。

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图8 隔震结构性能设计时构件性能属性指定

指定隔震结构的性能属性后,程序会按照隔标的要求,自动对指定的构件采取相应的性能目标进行构件配筋设计,最终结果中展示性能设计的结果。

同时隔标要求,在进行上下支墩设计时,需要考虑由橡胶支座水平变形引起的附加弯矩,因此,需要进行隔震构件的定义,分别定义上、下支墩属于“支墩、支柱及相连构件”。对与上支墩层的梁构件也要定义为梁构件属性为“支墩、支柱及相连构件”。

05

结构构件抗震等级的指定

对于非层间隔震结构,隔震层上部的结构构件抗震等级的确定与传统抗震结构的确定方式一致,可按照抗规的要求,根据结构所在地的烈度、结构高度、结构抗震设防类别及结构体系等因素综合确定,同时需要考虑隔标的特殊要求。

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图9 构件抗震等级的单独指定

06

隔震支座的验算结果查看

隔震结构设计的一项关键工作是确定隔震支座的布置能否满足规范的各项要求。隔标要求隔震支座的布置至少需要满足对支座长期面压的要求、短期面压的要求、隔震支座拉应力的要求、隔震支座变形的要求及上部结构质量中心和隔震层刚度中心偏心率的要求等,同时还需要满足减震目标的要求。

隔标4.6.2条要求,隔震层的刚度中心与质量中心宜重合,设防地震作用下的偏心率不大于3%。

在PKPM-GZ软件中,选择自动生成“中震隔震模型”、“中震非隔震模型”及“大震隔震模型”,计算完毕之后,直接查看“中震隔震模型”下的隔震层的刚度中心与质量中心的偏心率,查看偏心率是否超过规范要求的偏心率不大于3%的限值。同时直接查看“大震隔震模型”的隔震支座信息,软件已经自动按照隔标的要求,对隔震支座进行了各项指标的验算,并根据结构的建筑设防类别自动确定相应的限值。注意,这里的大震模型下的计算是假定上部结构始终保持弹性状态的,考虑隔震支座的局部非线性。

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图10 隔震支座的各项验算结果及限值输出

也可以通过文本查看,进一步查看该支座的详细计算结果。其中T1为隔震支座在重力荷载代表值作用下的压应力;T2为隔震支座在罕遇地震下的最大压应力;T3为隔震支座在罕遇地震下的最大拉应力;T4为隔震支座在罕遇地震下的最大水平位移。每一个输出的验算结果后面对应的是各项验算结果的限值。如果输出的四项限值有超限,则程序会显红提示超限,此时就需要返回模型调整支座,直到各项结果满足要求。

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图11 隔震支座的各项验算结果的文本信息详细输出

按照隔标要求,隔震层还需要进行抗风验算,软件在生成的隔震计算书中已经进行了自动验算,并输出了验算结果。

图12 隔震层X方向顺风向风荷载验算

07

隔震结构整体指标的查看

对于隔震结构,隔震层上部结构的设计需要满足中震下的各项整体指标的要求,比如中震下结构的层间位移角、中震下结构的刚重比、楼层剪重比、除隔震层及下支墩层以外的楼层位移比、刚度比等楼层指标。各项指标均应满足规范的要求。

注意:隔标对于隔震结构剪重比控制按小震下对应的限值控制,在查看中震隔震模型时,剪重比的限值软件已经自动按照小震对应地震影响系数最大值进行了限值输出,并对不满足要求的楼层做自动的调整。

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图13中震隔震模型下X、Y方向地震下的层间位移角

08

构件性能化设计配筋及结果查看

对于隔震结构,隔标对全楼各个部位的构件提出了各自不同的性能要求,根据定义的构件性能属性,最终主模型显示的配筋结果已经按照隔标性能化设计的要求自动进行了正截面及斜截面的设计。其中上支墩、下支墩属于关键构件;其他的柱都属于普通竖向构件;与上支墩相连的梁构件属于重要水平构件;其他的梁构件属于普通水平构件。

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图14 主模型下的配筋结果

按照隔标对上下支墩的设计要求,还需要考虑由隔震支座的水平变形产生的附加内力,查看上下支墩的详细计算结果,可以看到软件中新增了四种工况考虑隔震支座水平变形产生的附加内力,该附加内力仅仅考虑与地震作用一起组合,组合系数及分项系数均为1.0。

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图15 隔震支座水平变形产生的四个工况对上下支墩的附加内力

09

隔震效果的评价

对于隔震结构,按隔标的要求,已经无减震效果的概念,仅仅借助非隔震模型计算的楼层剪力与中震隔震模型的底部楼层剪力比,判断隔震结构能否按照降低一度确定抗震措施。当然也可以适当参考抗震规范,通过减震系数法方式求的地震作用影响系数最大值,进而来评价隔震的效果。

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图16 隔震结构楼层剪力比的输出

隔标要求隔震结构按照中震进行设计,因此不仅仅关注中震中震下的承载力及变形,同时还要查看结构在中震下的等效阻尼比及等效刚度。在PKPM-GZ软件计算完毕,查看“中震隔震模型”下“结构周期及振型方向”输出的隔震结构在中震下的周期及等效阻尼比。

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图17 隔震结构中震下的周期及阻尼比输出

10

隔震结构中震时程分析

隔标要求,对于隔震结构的等效刚度及等效阻尼比的计算可以采用反应谱迭代计算,也可以采用时程分析方法确定。对于一般的多高层隔震结构(高度不高于60m),时程分析不是必须要做的。对于高层隔震结构及复杂的隔震结构,必须按照时程分析进行补充分析。

中震下时程分析完毕后,选择出满足规范要求的地震波,然后选择“隔震信息”菜单中的相关参数。隔震支座的等效刚度和等效阻尼比要“采用输入的等效线性属性”,同时为了实现时程分析计算的楼层剪力与反应谱方法计算的楼层剪力进行包络设计,需选择参数“时程分析结果校准楼层地震剪力”,软件自动计算出各楼层地震内力放大系数,构件内力按照该放大系数进行放大,并按照放大后的内力进行构件配筋设计。

时程分析的相关参数选择后,可直接实现对“中震隔震模型”、“中震非隔震模型”的时程分析。

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图18 多模型直接时程分析的参数选择

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图19 隔震结构两个方向的楼层位移及位移角

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图20 隔震结构与非隔震结构中震下时程分析的剪力比

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图21 中震下每条地震波的能量图

每个支座的滞回曲线可以在弹性时程菜单中查看。切换到中震隔震模型目录下,选择滞回曲线选项,先在左侧对话框中选择横纵坐标的变量,再在右侧空间模型图中选择要显示滞回曲线的支座。

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图22 隔震结构中隔震支座的滞回曲线

11

隔震结构大震弹性时程分析

由于规范要求进行大震分析时,特征周期要增加0.05,因此,对大震弹性时程分析时应该重新按照特征周期增加0.05重新选波计算,然后按照上述的同样的流程,生成“中震隔震模型”、“中震非隔震模型”及“大震隔震模型”,然后查看隔震计算书,查看大震隔震模型下时程分析验算的支座的短期面压、支座的拉应力及支座的变形等。

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图23 罕遇地震下隔震支座的短期面压及拉应力验算结果

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隔震结构大震弹塑性时程分析

如果需要考虑上部结构在大震下有可能进入弹塑性,就需要对结构就行大震弹塑性分析,进一步验证在罕遇地震下结构的性能,可进入EPDA进行弹塑性动力时程分析。

经过SATWE反应谱分析后需要点击“接力数据”按钮完成SATWE数据向EPDA数据的转化,其中包括结构的几何信息、构件信息、设计结果、配筋信息、荷载数据等。接力数据的时候可选择是否保留以前在EPDA中定义过的钢筋、塑性铰、隔震支座、阻尼器信息等。

图24 动力弹塑性分析前处理菜单

注意:当选择地震波较多时,由于每条波的持续时间并不相同,地震波终止计算时刻需要按照持续时间最长的地震波来填写,才能保证每条波数据的完整性。

模型数据和参数都定义好之后即可进行动力弹塑性时程分析,计算完毕,在在后处理菜单中即可查看各项计算结果。可以进行图形展示结果,还生成了详细的计算书。

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图25 动力弹塑性分析模型

计算书中输出了结构两个方向各层层间位移角图,可根据规范的要求进行对比查看,判断计算结果是否满足规范要求。

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图26 主方向0度时主方向各层层间位移角图

图27 主方向0度时次方向各层层间位移角图

对于隔震支座的各项结果,均可在“隔震支座”的菜单下查看,可以选择指定位置的隔震柱查看单个结果,也可以一次查看所有隔震支座的统计结果。点击单个支座的文本结果,软件输出单根支座的验算结果。

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图28 弹塑性分析隔震支座文本结果

在“关键构件内力历程”菜单中选择支座后可以查看每个支座的滞回曲线,如果想查看滞回曲线的具体数值可通过“提取历程文本”按钮查看。

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图29 隔震支座力-位移滞回曲线

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隔震结构抗倾覆验算

隔标4.6.9条对隔震建筑的抗倾覆验算提出了相关的要求,要求整个结构在重力代表值下的抗倾覆力力矩大于结构在罕遇地震作用下倾覆力矩的1.1倍。软件在“大震隔震模型”下输出了对应的结构整体抗倾覆验算的结果,设计师可直接根据输出的倾覆力矩比值判断能否满足规范要求。

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图30 软件输出的大震下结构的抗倾覆验算

软件输出结构在大震下的抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值Mr/Mov,两个方向的值均大于1.1,该隔震结构的抗倾覆验算满足隔标的要求。

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下支墩的设计

隔标对隔震支墩的设计不仅仅要按照关键构件进行中震弹性正截面及斜截面的承载力设计,同时隔标4.7.2条还要求,隔震层下部结构要进行罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩进行承载力验算,并且要满足大震不屈服,斜截面大震弹性验算。

PKPM-GZ软件中,采用增加一组概念荷载工况的方式来考虑部分的影响,即作用在支座顶底结点上的一组弯矩。

对这一工况进行整体分析后,将这组荷载下的结构构件内力与重力荷载和地震作用下的内力进行组合,再进行配筋设计,即使上下部结构和支墩的承载力均考虑了附加弯矩的影响。参数设置如下,选择计算大震模型,并勾选考虑附加弯矩影响。

主模型下查看所有支墩的配筋结果。主模型下显示的是程序按照中震弹性性能设计和大震模型进行自动包络的结果。

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图31 主模型下显示隔震结构下支墩中震与大震包络的配筋结果

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隔震专项报告书的撰写

对于隔震结构,计算书的整理工作量也比较大,尤其对结构进行了时程分析,需要整理的数据量非常大,PKPM-GZ软件在建模输入整体模型后,软件可以根据小震模型,自动生成“中震隔震模型”、“中震非隔震模型”及“大震隔震模型”,然后根据各个模型的计算结果,在“主模型”下可以一键自动生成“隔震计算书”,大大减少了设计师整理隔震计算书的工作,大幅度提升了设计效率。

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图32 主模型下一键生成隔震结构的计算书

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图33 自动生成的隔震结构计算书的目录

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