隔震支座面压计算如何确定?PKPM软件这样处理

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《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(2016版)(后续简称“抗规”)及《建筑隔震设计标准》GB/T51408-2021(后续简称“隔标”)对隔震支座的验算均提出了相关的要求,隔震支座需要满足长期面压、罕遇地震作用下最大的压应力、罕遇地震下的拉应力及罕遇地震下的变形等验算。抗规和隔标对具体的验算要求不尽然完全一致,比如,抗规对罕遇地震下的最大压应力没有要,隔标有相应的要求。按照隔标提取数据手工计算隔震支座的面压计算结果与软件输出的长期面压结果不一致,是否软件计算结果有误?

1.抗规对隔震支座的各项验算要求

抗规12.2.3条对隔震支座在重力荷载代表值下的压应力限值提出了相关的要求,同时对压应力的计算要求按永久荷载和可变荷载的组合计算。

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图1 抗规对隔震支座压应力的限值要求

抗规12.2.4条对隔震支座在罕遇地震下的拉应力限值提出了相关的要求,要求橡胶支座在罕遇地震下的拉应力不大于1MPa。

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图2 抗规对隔震支座在罕遇地震下的拉应力限值要求

抗规12.2.6条对隔震支座在罕遇地震下的变形限值提出了相关的要求,隔震支座的水平位移限值与支座有效直径及内部橡胶总厚度有关。

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图3 抗规对隔震支座在罕遇地震下的水平变形限值要求

抗规对隔震支座在罕遇地震下的最大压应力未给出相关的要求,但是相关地方标准对支座在罕遇地震下的最大压应力给出了限值要求。比如,《乌鲁木齐建筑隔震技术应用规定》第2.4.2 条:隔震支座在罕遇地震作用下的最大压应力不宜大于30MPa。

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图4 乌鲁木齐建筑隔震技术应用规定第2.4.2条

对支座罕遇地震下最大压应力要求

2.隔标对隔震支座的各项验算要求

隔标4.6.3条对隔震支座在重力荷载代表值下的压应力限值提出了相关的要求,不同的隔震支座类型,不同的建筑抗震设防类别对应不同的限值。

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图5 隔标对隔震支座压应力的限值要求

隔标6.2.1条对隔震支座在罕遇地震下的最大压应力给出了相关的要求,橡胶支座按照建筑的抗震设防类别分别对应各自不同的最大竖向压应力限值。

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图6 隔标对支座罕遇地震下最大压应力限值的要求

隔标6.2.1条对隔震支座在罕遇地震下的拉应力限值提出了相关的要求,要求橡胶支座在罕遇地震下的拉应力限值对于重点设防类建筑及标准设防类建筑不大于1MPa,特殊设防类建筑支座不允许出现拉应力。

图7 隔标对支座罕遇地震下拉应力限值的要求

隔标4.6.6条对隔震支座在罕遇地震下的变形限值提出了相关的要求,隔震支座的水平位移限值与支座有效直径及内部橡胶总厚度有关。对支座在罕遇地震作用下的水平位移限值的要求,隔标与抗规的要求是一致的。

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图8 隔标对隔震支座在罕遇地震下的水平变形限值要求

3.隔震结构中隔震支座的各项结果输出

某框架结构,采用底部隔震,采用新隔标进行整体设计,使用PKPM-GZ软件,计算完毕后,形成中震隔震模型、中震非隔震模型及大震隔震模型。由于隔震支座需要验算长期面压、在罕遇地震下的压应力、罕遇地震下的拉应力及罕遇地震下的支座变形。直接切换到“大震隔震模型”下,查看某支座的输出结果,软件中对应的支座四项验算结果分别如下图所示。

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图9 框架结构底部隔震模型

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图10 大震隔震模型下隔震支座验算结果输出

该结构中隔震支座的相关参数信息如下图11所示。该隔震支座对应上支墩柱的截面为900mm*1000mm,该柱在罕遇地震下的单工况内力如图13所示。

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图11 结构中隔震支座的相关参数信息

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图12 隔震支座上支墩柱的截面参数

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图13 隔震支座上支墩柱的单工况内力

4.隔震结构中隔震支座的各项结果手工校核

4.1隔震支座长期面压手工校核

该隔震支座上支墩柱恒载下的轴力N=-2621.94kN,活载下的轴力N=-587.79kN,按照隔震标准的要求,支座在重力荷载代表值作用下的设计轴力为:

该隔震支座的有效面积为2820cm2;

对应该支座的长期面压为:

软件输出的隔震支座在重力荷载代表值作用下的面压T1=10.34Mpa,与手算结果不符。

由于软件在进行隔震支座长期面压计算时,按照重力荷载代表值的标准值进行验算,并没有按照隔标的要求进行长期面压计算。

按照重力荷载代表值,不考虑其荷载分项系数进行该支座长期面压的校核,该支座的长期面压为:

手工校核结果与软件输出结果完全一致。

在标准院工程技术所发出的《建筑隔震设计标准》的若干关注点中,目前已经明确要求在进行长期面压计算时,荷载组合为准永久组合,重力荷载代表值不考虑荷载分项系数。

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由于该结构属于重点设防类建筑,建筑设防类别为乙类,按照隔标对于橡胶支座的长期面压限值为12MPa。软件输出T1的限值与规范要求一致,程序自动根据隔标要求确定支座长期面压的限值。

4.2隔震支座罕遇地震下最大压应力手工校核

隔震支座在罕遇地震下短期面压的验算组合轴力为:

最大压力=1.0恒载+0.5*活载+1.0*罕遇地震作用产生的最大轴力+0.4*竖向地震作用产生的轴力。

隔震支座上支墩柱恒载下的轴力N=-2621.94kN,活载下的轴力N=-587.79kN,罕遇地震下的最大轴力为EXY对应N=-595.7kN。

该结构没有计算竖向地震作用,因此,罕遇地震下最大组合轴力:

对应支座在罕遇地震下最大的压应力为:

手工校核结果与软件输出结果一致。

支座罕遇地震下的最大压应力验算时,水平地震和竖向地震作用产生的效应取标准值。

该结构属于重点设防类建筑,建筑设防类别为乙类,按照隔标对于橡胶支座在罕遇地震下最大压应力限值为12MPa。软件输出T2的限值与规范要求一致,程序自动根据隔标要求确定支座在罕遇地震下最大压应力的限值。

4.3隔震支座罕遇地震下最大拉应力手工校核

隔震支座在罕遇地震作用下拉应力的验算组合轴力:

最大拉力=1.0恒载-1.0*罕遇地震作用产生的最大轴力-0.5*竖向地震作用产生的轴力

隔震支座上支墩柱恒载下的轴力N=-2621.94kN,活载下的轴力N=-587.79kN,罕遇地震下的最大轴力为EXY对应N=-595.7kN。

该结构没有计算竖向地震作用,因此,罕遇地震下最大组合拉力:

N=-2621.94+595.7 = -2026.24kN;

对应支座在罕遇地震下最大的拉应力为:

N/A =2026.24*1000/(2820*100)=7.18MPa

该支座在罕遇地震下最小压应力为7.18MPa,大于0,不出现拉应力,软件输出的拉应力为0,手工校核结果与软件一致。

支座罕遇地震下的最大拉应力验算时,水平地震和竖向地震作用产生的效应取标准值。

由于该结构属于重点设防类建筑,建筑设防类别为乙类,按照隔标对于橡胶支座在罕遇地震下最大压应力限值为1MPa。软件输出T3的限值与规范要求一致,程序自动根据隔标要求确定支座在罕遇地震下最拉压应力的限值。

4.4隔震支座罕遇地震下变形的手工校核

隔震支座在罕遇地震下X,Y两个方向支座的变形输出结果分别如图15所示及图16所示,软件根据支座两个方向的变形量,得到支座的最大变形,输出了支座在罕遇地震作用下的最大的变形结果T4=480.15mm。

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图15 隔震支座在X向罕遇地震作用下的变形

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图16 隔震支座在Y向罕遇地震作用下的变形

按照隔标对于橡胶支座在罕遇地震下水平位移最大限值取0.55D和3Tr二者的较小值。

隔震支座的0.55D=0.55*600=330mm,由于支座参数中无橡胶厚度,软件无法判断3Tr的结果,对支座水平位移限值仅仅输出了0.55D控制要求。

软件输出的支座变形限值与隔标要求一致。

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图17 隔震支座在罕遇地震下的变形验算

5.结论

PKM-GZ软件按照隔标的要求对隔震支座进行了各项验算,包括支座在重力荷载代表值下的长期面压、罕遇地震作用下最大的压应力、罕遇地震下的拉应力及罕遇地震下的变形等验算。支座的各项验算结果及是否能满足限值要求,只需要在对应的大震隔震模型下查看即可。

需要注意以下几点:

1. 软件已经根据支座的相关特性自动进行了支座的各项验算,并输出了支座的各项限值。如果支座验算结果超限,软件中会按红色给出提示。

2. 对于长期面压的计算,软件按照按照重力荷载代表值的标准值进行验算,并没有按照隔标的要求,考虑重力荷载的分项系数进行长期面压计算。

3. 对罕遇地震下支座拉应力的验算,如果支座不出现拉应力,软件并没有输出最小的压应力,直接输出拉应力结果为0。

4. 对隔震支座在罕遇地震下的水平位移限值软件仅仅判断了0.55D的控制要求,并输出相应的限值。

5. 对于长期面压及罕遇地震下短期面压限值的判断,软件要根据“地震参数”下的“建筑抗震设防类别”来判断,因此,设计中需要正确选择“建筑抗震设防类别”。

按照隔标进行手工校核支座的各项验算结果与软件输出的结果完全一致。

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