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基于建筑正常使用功能的减隔震设计探讨
教务部 2022-01-22


《建设工程抗震管理条例》(第744号国务院令)(下文简称《条例》)颁布以来在国内建筑行业引起了强烈的反响,以及激烈的争论。《条例》中指出:“位于高烈度设防地区、地震重点监视防御区的新建学校、幼儿园、医院、养老机构、儿童福利机构、应急指挥中心、应急避难场所、广播电视等建筑应当按照国家有关规定采用隔震减震等技术,保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求。”

建筑正常使用对于国内建筑行业人员而言是一个较为新鲜的名词,其含义可大致理解为:“保证结构和非结构构件基本完好、建筑附属机电设备和仪器正常使用”。如何根据该要求进行设计,也是给广大设计从业人员带来较大困惑。基于此小编整理了一些资料,供大家分享。


日本作为世界上减隔震技术应用最为成熟的国家之一,其在做结构设计时是否有关于该方面的要求或建议?小编带着期待的心情查阅了一些资料。



1参考书籍

《建筑物隔震·减震设计手册》(日本免震构造协会编,季小莲译,中国建筑工业出版社)一书中指出进行抗震设计的目的是保证建筑物在地震作用下的安全性能,这里所指的安全性能既包括地震发生时不发生人员伤亡,保证建筑物本身及其内部财产的安全,也包括建筑物的各项功能可以继续正常发挥作用等。然后在现实中这些目标并不一定都能实现,也没有必要全部都实现


《建筑结构损伤控制设计》和田章 等著 曲哲 等译 中国建筑工业出版社)一书中指出:《建筑基准法部分修订法案大纲》于1998317日经过内阁会议通过并提交国会。这一修订法案的关键在于将建筑基准法体系向性能化方向转变。根据修订后的法律,设计者有义务与业主共同确定建筑性能目标并明确说明建筑结构的性能。性能化设计要求设计者在设计阶段与业主共同确定建筑性能目标。性能目标应针对不同的建筑类别给出各个设计水准下的具体要求。确定建筑类别时应综合考虑建筑用途、建筑功能的重要性、建筑损伤后加固补强及其功能中断带来的经济损失、作为历史文化遗产的潜在重要性等各方面引述。性能目标规定了建筑在某一等级设计地震动或设计风荷载作用下的预期损伤程度,其中不但要考虑结构构件和非结构构件,还要考虑电力、燃气等设施


1对不同类别的建筑给出了地震动烈度等级下的性能目标。建筑类别从高到低分为SABC等四类,分别对应于不同的抗震性能目标。


1性能目标


C类

人员生命安全

B类

人员生命安全

建筑可修复

A类

人员生命安全

建筑可修复

建筑主要功能不中断

S类

人员生命安全

建筑可修复

建筑功能不中断

性能目标

不发生危害人员生命安全的建筑物倒塌

可作为安全避难场所,震后建筑结构可以修复,装修、设备、管线等可修复或更换

建筑结构、装修、设备、管线等经简单修复可继续正常使用

建筑结构、装修、设备、管线基本没有损伤,可直接继续使用

主体结构

有可能发生较大的变形与损伤

允许出现一定的变形与损伤,但经修复可继续使用

允许出现混凝土开裂,部分剥离等对主体结构影响较小的轻微损伤,简单修复后可继续使用

主体结构基本没有损伤

非结构构件

可能出现诸如内外装修材料剥落、门无法打开等影响建筑功能的损伤。应避免出现诸如避难逃生通道受阻等影响人员生命安全的损伤

某些部位会出现一定程度的损伤,但装修等非结构构件等经修复或更换后可继续使用

某些部位会出现轻微损伤,经简单修复后继续使用

基本上没有损伤,或只出现不需要修复即可技术使用的非常轻微损伤

建筑设备

建筑设备可能出现损伤并停止工作,但其损伤程度应控制在不引发危机人员生命安全的次生灾害的范围之内

某些部位会发生损伤,但应尽量将分散设备功能以尽可能降低风险

建筑正常使用所必须的基本功能不丧失,其他的一般建筑功能应在周边基础设施修复时及时修复

周边基础设施一旦回复,建筑功能也能同时恢复

层间位移角

小于1/300

小于1/250

小于1/200



被动减震结构设计施工手册》(日本隔震协会编写,蒋通翻译,中国建筑工业出版社出版)指出在设计以控制或风引起的振动反应为目的的被动减震结构时,应考虑频率和建筑物的使用年限,确保两个阶段的地震输入水准并对每个阶段设定需求性能。建筑物在水准1输入下不出现损伤并能维持功能。表2为书中给出的性能设计实例。


2地震外部扰动水准和减震目标性能的实例

外部扰动水准

建筑物使用期间可能遭遇几次的水准

极为罕遇的大规模输入水准

性能目标

主体结构

损伤极限以下

安全极限以下

减震构件

损伤极限以下

安全极限以下

楼面加速度反应

5m/s2

10m/s2

层间位移角

1/200

1/100

层间速度

0.1m/s

0.2m/s

顶部位移角

1/250

1/150


 《隔震•减震结构设计》(竹内 彻等人著,陈星辰译,冯德民校)一书中出给了郡山站西口再开发项目德性能目标,见表3


3抗震设计目标值

地震规模

水准1地震

水准2地震

建筑物使用期间可能遭遇几次的水准

过去发生德或预计将来会发生的最大级地震

25cm/s

50cm/s

性能目标

上部结构

梁、柱、斜撑保持弹性

梁、柱、斜撑保持弹性

地下、基础

弹性

安全极限以下

层间位移角

1/200以下

10m/s2

层塑性率

1.0以下

1/100

滞回型阻尼器

塑性化区域的轴向应变不超过1.0%

性化区域的轴向应变不超过2.0%

黏弹性阻尼器

黏弹性体的剪应变不超过125%

黏弹性体的剪应变不超过125%

注:日本在水准1和水准2设计时采用的方法为时程分析法,性能目标中的弹性和我国的反应谱弹性设计有区别。


2011年东日本地震中,该建筑的地表加速度达到1069cm/s2,但主体结构丝毫无损。根据地震时位于第5层的累积位移测定装置的记录、以及输入记录波的时程分析结果给出:5层滞回型阻尼器的屈服位移为4.2mm,该层x方向经历的最大变形约为9mmy方向约为16mm,残余变形几乎为零,地震后可继续使用


另外《基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则》(征求意见稿)以及尚庆学博士的博士论文中也给出了医疗设备发生移动、产生晃动以及倾覆的加速度限值、非结构构件和附属机电设备加速度容许限值,可知,当加速度不超过0.3g时,除个别类型设备外,相关设备不会发生倾覆,当加速度不超过0.5g时,除个别情况外,结构的非结构构件的可以正常使用要求。


由上述可知,日本根据结构的性能目标选取的位移角限值在1/200~1/300,加速度限值为0.5m/s2,为发挥阻尼器的耗能作用,分析时建议采用弹塑性时程分析。


来源:蓝科减震;作者:陈云。