CN111926935A - 一种Soft-Story隔震结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Soft‑Story隔震结构，包括上部结构和隔震层结构，所述隔震层的刚性比为0～0.6。所述隔震层采用重约束螺旋箍筋圆形框架柱，另外在所述隔震层结构根据需要设置PC钢棒和阻尼器。本发明的Soft‑Story隔震结构在地震时，地震能量集中在隔震层部分吸收，抗震能力极强。地震后，只有该隔震层承重构件柱的柱头和柱脚会发生破坏，但经简单维护补强后即可正常使用，无需推倒重建。对于隔震层来说，该层的建筑空间100％可以完全使用。因为上部结构地震影响较小，建筑物的上部结构完全可以瘦身，并大幅度节约造价。跟现行的隔震结构相比大幅度降低造价。
Description
技术领域
本发明涉及一种建筑结构抗震技术领域，具体是一种新型隔震结构。
背景技术
首先，日本阪神大地震(兵库县南部地震)时，在倒塌的建筑物中，含有相当多的“Piloti”结构建筑物(底层大空间框架结构)。所谓“Piloti”结构建筑物：就是在框架结构的最下一层不布置剪力墙(及或非承重墙)或斜撑等，同时，该层的结构刚度也比上部结构的刚度要小的一种结构形式。由于这种结构的建筑物在大地震时的破坏不良表现，同行们都一度抵制设计“Piloti”结构建筑物。因为这种结构建筑的破坏理由是很明显的，就是在设计上没有给予“Piloti”层的柱子足够的变形能力。
其次，现行建筑抗震设计方法存在的问题。如附图1所示。现行建筑抗震设计规范采用的是全层屈服的设计手法，地震时要求各层梁端均需产生屈服破坏(图中涂红色的部分是设计时要求梁端、柱底部以及剪力墙底部产生的塑性屈服状态，也就是强柱弱梁设计法)。因此，不论哪一层的房间在地震破坏后都需要进行维修和补强(有的甚至无法补强)，并且维修补强的费用极高，同时也引起房屋所有者及居住者的不满。
第三，现行的隔震结构(叠层橡胶隔震支座)设计方法存在的问题。如附图2所示。采用这种隔震结构设计方法的最大缺陷在于：首先，由于受叠层橡胶隔震支座直径和高度的限制，地震能量还不能完全在这一层吸收掉。因此，中国建筑抗震设计规范规定：采用隔震支座的隔震结构，抗震设计时按照降一级地震烈度设防。其次，隔震层的建筑空间无法利用。第三，建筑造价大幅度提高(5％-10％)。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种新型的Soft-Story隔震结构，地震时上部结构不随地面摆动而摆动，地震能量集中在建筑结构底部隔震层全部吸收，抗震能力极强。
为解决上述技术问题，本发明的Soft-Story隔震结构，包括上部结构和隔震层结构，所述隔震层结构为重约束螺旋箍筋圆形柱，所述隔震层的刚性比为0～0.6。
所述隔震结构体系的结构动力分析计算模型采用“一质点系震动模型”。
所述隔震层结构设置PC钢棒。
所述隔震层结构设置阻尼器。
进一步的，所述隔震层结构设在建筑物的底层。
进一步的，所述隔震层结构设在建筑物的地下1～2层。
进一步的，将建筑物地下基础桩设计成所述隔震层结构。
进一步的，所述隔震层结构部分框架柱采用重约束PRC柱。
进一步的，所述隔震层部分框架柱采用重约束RC柱。
进一步的，所述隔震层设定在结构基础底部至软弱地基层和准硬质地基层交汇处之间的地基层。
所述重约束RC柱包括柱主筋，所述柱主筋上设置螺旋箍筋，所述重约束RC柱与顶部梁板结构相连接，所述顶部梁板结构包括梁主筋。
所述梁主筋上设置梁箍筋，所述梁箍筋和螺旋箍筋上固定连接固定吊筋，所述固定吊筋上固定钢筋勾，所述固定钢筋勾上固定连接埋设钢板，所述埋设钢板上固定设置连接钢板，所述连接钢板上通过安装孔安装PC钢棒斜撑。
采用这样的结构后，本发明的Soft-Story隔震结构地震时，上部结构几乎不动，即不随地面摆动而摆动，地震能量集中在建筑结构底部隔震层全部吸收，抗震能力极强。
其有益效果在于：
1)对于隔震层来说，该层的建筑空间100％可以完全使用。
2)建筑物的上部结构完全可以按照抗震构造设防进行设计，即可为所述上部结构瘦身(因为上部结构地震影响较小)。
3)可以大幅度节约造价。比现行的隔震结构(叠层橡胶隔震支座的基础隔震)大幅度降低造价(不需要设置成双层基础)。此外，
4)这个Soft-Story部分，结构体本身具有“阻尼效果”。于是，
5)可以有效地调节这一层建筑物的固有周期，避免同地震动产生共振。
6)如果将柱子做成全预应力PC柱子，那么，震后建筑物几乎可以完全复位。
7)至于易发生海啸的地区，不仅对策地震，还能直接起到对策海啸的作用。
大地震后，对于抗震和减震的建筑物均需要补修，但对于Soft-Story隔震结构工法的建筑物只需要一层的维修就可以了！而基础隔震大楼中，有3成需要更换使用的橡胶支座和阻尼器。
大地震后，对于抗震和减震的建筑物均需要补修，但对于Soft-Story隔震结构工法的建筑物只需要一层的维修就可以了！而基础隔震大楼中，有3成需要更换使用的橡胶支座和阻尼器。
建设费用：
Soft-Story隔震结构建筑比基础隔震建筑的造价更便宜，而且与普通的抗震·减震建筑相比，追加的费用非常少。比如：建设费用10亿日元的建筑的追加费用：按照柱子水平箍筋的增加量翻一倍的话需要追加200万日元左右，加上适当地设置阻尼器的追加费用约1000万日元。追加费用占比仅为1.2％。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是现行建筑抗震规范规定的抗震设计方法。
图2是基础隔震(叠层橡胶隔震支座)动画解析图。
图3是基础隔震(叠层橡胶隔震支座)方案图。
图3-1是一种新型soft-story隔震结构技术方案(原理)。
附图4是建筑物的底层(1～2层)设计成Soft-Story隔震层的技术方案实施例。
附图5是附图4中13的放大图。
附图6是建筑物的地下1～2层设计成Soft-Story隔震层的技术方案实施例。
附图7是附图6中18的放大图。
图7-A是附图7和附图11的7-A索引图。
附图8是建筑物地下桩基础设计成Soft-Story隔震层的技术方案实施例。
附图9是附图8中19的放大图。
附图10是地下隔震层设置保险墙的技术方案实施例。
附图11是附体10地下隔震层放大图。
附图12是隔震结构设计中的弯矩M～变位角R的关系图。
附图13是各输入地震力水准和最大变形角关系图。
附图14是重约束RC柱结构示意图。
附图15是重约束RC柱的柱断面图。
附图中的标号为：1、框架梁端塑性铰区域；2、框架柱柱脚塑性铰区域；3、框架梁；4、框架柱；5、剪力墙；6、底层剪力墙底部塑性铰区域；7、弹性支座；8、叠层橡胶支座；9、基础隔震层预留结构变形缝隙；10、隔震层上部结构基础；11、隔震层下部结构基础；11-1、上部结构；11-2、隔震层柱；11-3、稳定墙机构；7-1、固定吊筋；7-2固定钢筋勾；7-3、埋设钢板(其中，柱子的埋设钢板为圆弧形，梁的埋设钢板为角型)；7-4、连接钢板；7-5梁箍筋；7-6、螺母；7-7、垫片；7-8、PC钢棒斜撑；7-9、PC钢棒连接螺杆；7-10、螺旋箍筋；7-11、固定钢筋与埋设钢板的焊接部位以及外连接钢板同柱梁内埋设钢板的焊接部位；12、上部结构；13、地上隔震层；14、PRC柱；15、简化质点；16、阻尼器；17、弹簧；18、地下隔震层；19、桩基础隔震层；20、地下桩(PRC柱)；21、地下地基软弱层；22、隔震层顶部梁板结构；23、隔震层柱；24、隔震层梁；25、隔震层基础梁板结构；26、PC钢棒斜撑；27、基础；28、基础梁；29、保险墙；30、梁主筋；31、柱主筋；32、顶部梁板；33、重约束RC柱。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限于本发明。
一种新型Soft-Story隔震结构，根据以上介绍的本发明的技术方案(原理)：在结构的底部设置隔震层；其隔震层的刚度要足够小，使得地震时隔震层结构柱构件率先产生偏心位移吸收地震能量；结构计算采用“一质点系震动模型”。据此，该发明的技术实施例有以下几种：
1.将建筑物的底层(1～2层)设计成Soft-Story隔震层。
见附图4和附图5所示。进一步地说，本实施例方案中，隔震层部分框架柱(地上1～2层)采用重约束PRC柱(半预应力钢筋混凝土柱，如上所述，该柱头柱脚塑性铰处箍筋加密)，具有良好的复原性能。隔震层柱子的断面尺寸依据隔震层的刚性比0～0.6而定。结构计算震动模型采用“一质点震动模型”。
2.将建筑物的地下1～2层设计成Soft-Story隔震层。
见图6、图7和图7-A所示。进一步地说，该实施案例中，隔震层部分框架柱(地下1～2层)采用重约束RC柱(如上所述，该柱头柱脚塑性铰处箍筋加密)；隔震层柱子的断面尺寸依据隔震层的刚性比0～0.6而定。地下1～2层各层相邻柱间根据设计计算需要设置的PC斜撑(确保震后结构变位复原)；地下1-2层结构外围设置结构变形缝(1.5m～2.0m)，防止地震时，地下层震动变形同地下挡土墙(保险墙)发生撞击；结构计算震动模型采用“一质点震动模型”。
3.将建筑物地下基础桩设计成Soft-Story隔震层。
见图8和图9所示。进一步地说，该实施案例中，隔震层设定在结构基础底部至软弱地基层(衰弱层)和准硬质地基层交汇处之间的地基层。由于软弱层地基的易变形特性，地震能量易于在这部分层吸收；作为隔震层构件的基础桩，采用圆形螺旋箍筋PC桩(全预应力钢筋混凝土柱)，其断面尺寸根据基础设计计算而定(刚度足够小即可)；结构计算采用“一质点系震动模型”，基础底部以上结构简化成一个质点，基础底部至软弱地基层(衰弱层)和准硬质地基层交汇处为隔震层结构承重桩(弹性桩)，即倒立震子“一质点系振动模型”。
4.Soft-Story隔震结构的定位
如下表所示，将Soft-Story隔震结构定位为刚性比在0.6～≒0范围内，由此，可以使“结构设计的刚性比连续化”。即可以选择任意的刚性比都能设计出来。
重约束RC柱33包括柱主筋31，所述柱主筋31上设置螺旋箍筋7-10，重约束RC柱与顶部梁板32结构相连接，顶部梁板32结构包括梁主筋30。
梁主筋上设置梁箍筋7-5，所述梁箍筋7-5和螺旋箍筋上固定连接固定吊筋7-1，固定吊筋7-1上固定钢筋勾7-2，固定钢筋勾7-2上固定焊接埋设钢板7-3，埋设钢板7-3上焊接连接钢板7-4，连接钢板7-4上通过安装孔安装PC钢棒斜撑7-8，安装孔上安装PC钢棒连接螺杆7-9、螺母7-6和垫片7-7；
表-1.1Soft-Story隔震结构的定位
隔震层结构的竖向承重构件框架柱采用重约束柱，具有大变形能力和变形恢复力。
隔震层结构设置PC钢棒，具有良好的变形恢复能力，使震后所述隔震层结构的变形完全复原。
隔震层结构设置阻尼器，具有良好的减震功效，可以有效地调节所述隔震层结构的固有周期，避免同地震动产生共振。
新型soft-story隔震结构的设计方法
1.总则
适用范围：1)设计对象是首层为“Piloti”结构建筑；2)该层的结构刚性比在0～0.6之间可以连续设计(Soft-Story隔震层)；3)该层采用具有足够变形能力的钢筋混凝土柱；4)建筑结构的层数20层以下。
详细解说如下：
一层“Piloti”部的柱子，要设计成“重约束钢筋混凝土柱”，其最大变形能力为：层间变位角(柱顶端变位值与柱净高的比值)R≒1/20～1/10。为此，
1)隔震层RC柱子原则上柱头柱脚用螺旋箍筋补强(螺旋箍筋间距≤5cm)。箍筋直径
2)为了防止主筋屈曲，主筋尽量使用粗径的(
以上螺纹钢)。
3)在该隔震层根据需要设置耗能阻尼器。
4)如果必须设置保险墙的话，就如附图10和附图11所示，把地下1～2设计成Soft-Story层，将地下一层顶板的梁延伸出去就可以了。地下柱外端与保险墙之间留有一定的缝隙(结构地震变形缝)
2.Soft-Story隔震层部分的使用材料
1)混凝土强度：≥50N/mm2。
2)钢筋：普通钢筋及或高强钢筋。
3)PC钢棒：参考建筑抗震设计规范预应力混凝土结构相关设计标准。
3.结构设计
1)结构计算解析震动体系：一质点系振动模型。弹塑性应答解析为前提。
2)复原力特性：
计算Soft-Story隔震层的复原力特性。
构件的复原力特点：计算Mcr，My，Mk1k3max，ML的各值以及相应的各点的变位(曲率)。
基于以上计算结果就可以求算出层复原力特性。
详见附图12所示。
3)振动解析(弹塑性应答解析)
(1)输入地震波：选定短周期波、共振性波、长周期波等输入波(尽可能选择代表地基特性的记录波)。
(2)输入地震力水准：以水准1、加上水准2、还有水准3作为设计对象。
水准1≒200gal
水准2≒400～500gal(结构构件断面的计算的地震力)
水准3≒400～500gal(根据韧性设计框架的安全性的地震力)
(3)应答最大变形：对于水准3，相当于Lc点的60％-70％的变位。
(4)残留变形：由于根据设计方法的不同而不同，我们的目标残留变形为：1/100层间变位角。
4)针对以上的结构设计原则，详细的说明如下所述：
(1)输入地震波基本上是使用表示地基特性的地震波，但是很多情况下很难选定。因此，我们必须进行：根据对硬地基的记录波、软地基的记录波的解析，同时也要检查确认共振波。
(2)输入地震水准计算及验算到水准3。本设计不但要考虑承载力设计、还要考虑变形能力设计、更要考虑建筑造价不能因此而提高。
(3)应答最大变形：详见附图13所示。
图中Lc点时，如果有充分的变形能力补强的话，层间变位角就有可能达到1/15～1/10；水准3的层间变位角如果定位为1/30～1/20时同样也能够得到足够的安全性。因此，设计时：
水准2地震时的变位角采用R2≒1/100
水准3地震时的变位角采用R3≒1/30
(4)残留变形：不但是“静载的残留变形”，而且能够要通过振动解析获得动态的最终的残留变位值(其值时静载的几分之一)。
(5)其他：
①层的复原性：利用预应力技术。
方法：1)在柱的轴力方向配置预应力钢筋
2)使用PC钢棒。在不影响该层使用功能的前提下使用PC钢棒斜撑。
②阻尼器：市场上已有各种各样的阻尼器，或开发新型的阻尼器。
③制门器(限制器、安全墙)：地下室外周围设置安全
保险墙壁，或者考虑设计新型的安全墙。
④地震时只容许隔震层柱发生屈服破坏(梁不发生屈服破坏)。
⑤振动方程式的特性值(弹塑性应答解析)：
m..x+cx+kx＝f(t)x
m..y+cy+ky＝f(t)y
m：n质点→1质点
c:5～10％的阻尼器
k：地震时最大变位之外，考虑结构的周期影响
⑥上部结构的应答地震力(设计水平力)：按0.2考虑。
Claims (12)
1.一种Soft-Story隔震结构，其特征在于：包括上部结构和隔震层结构，所述隔震层的刚性比为0～0.6。
2.按照权利要求1所述的Soft-Story隔震结构，其特征在于：所述隔震结构体系的结构动力分析计算模型采用“一质点系震动模型”。
3.按照权利要求1所述的Soft-Story隔震结构，其特征在于：所述隔震层结构设置PC钢棒。
4.按照权利要求1所述的Soft-Story隔震结构，其特征在于：所述隔震层结构设置阻尼器。
5.按照权利要求1所述的Soft-Story隔震结构，其特征在于：所述隔震层结构设在建筑物的底层。
6.按照权利要求1所述的Soft-Story隔震结构，其特征在于：所述隔震层结构设在建筑物的地下1～2层。
7.按照权利要求1所述的Soft-Story隔震结构，其特征在于：将建筑物地下基础桩设计成所述隔震层结构。
8.按照权利要求5所述的Soft-Story隔震结构，其特征在于：所述隔震层结构的框架柱采用重约束PRC柱。
9.按照权利要求6所述的Soft-Story隔震结构，其特征在于：所述隔震层结构的框架柱采用重约束RC柱。
10.按照权利要求7所述的Soft-Story隔震结构，其特征在于：所述隔震层设定在结构基础底部至软弱地基层和准硬质地基层交汇处之间的地基层。
11.按照权利要求9所述的Soft-Story隔震结构，其特征在于：所述重约束RC柱包括柱主筋，所述柱主筋上设置螺旋箍筋，所述重约束PRC柱与顶部梁板结构相连接，所述顶部梁板结构包括梁主筋。
12.按照权利要求11所述的Soft-Story隔震结构，其特征在于：所述梁主筋上设置梁箍筋，所述梁箍筋和螺旋箍筋上固定连接固定吊筋，所述固定吊筋上固定钢筋勾，所述固定钢筋勾上固定连接埋设钢板，所述埋设钢板上固定设置连接钢板，所述连接钢板上通过安装孔安装PC钢棒斜撑。
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