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1、第九章隔震与消能减震设计,第一节基本概述 第二节隔震与消能减震建筑结构设计的一般规定 第三节隔震房屋设计要点 第四节消能减震房屋设计要点,返回,第一节基本概述,由震源产生的地震波，通过一定的途径传播到建筑物所在场地，从而引起结构的地震反应。一般而言，建筑物的地震反应沿高度从下而上逐级加大，而地震对建筑物产生的内力则自上而下逐级增加。当建筑物结构受到的地震作用超过该构件所能承担的抵抗力时，结构将产生破坏。 在结构设计的早期，人们曾企图将结构物设计为“刚性结构体系”，这种体系的结构在地震发生时接近地面地震运动，一般不会发生结构强烈破坏。但这样做的结果，必然导致材料的浪费。与之相对立的一面，人们还设
2、想过“柔性结构体系”，即通过大大减少结构的刚性来避免结构与地面运动发生共振，从而减轻地震作用。,下一页,返回,第一节基本概述,但是，这种结构体系在地震动作用下结构位移过大，在较小的地震时即可能影响结构的正常使用。同时，将各类工程结构设计成柔性结构也存在实践上的困难。长期的抗震工程实践表明:将一般结构物设计成“延性结构”是适宜的。通过适当控制结构的刚度与强度，使结构构件在强烈地震时进入非弹性状态后仍具有较大的延性，从而可以通过塑性变形消耗地震能量，使结构至少达到“坏而不倒”的目标。因此，在当今世界各国的抗震设计中，实现延性结构体系是抗震工作的基本目标。 然而，设计成延性结构的体系，仍然是被动地抵
3、御地震作用的。对于一般性建筑物，当遭遇基本烈度的地震时，结构即可能进入非弹性破坏的状态，从而导致建筑物装修、内部设备以及其他非结构构件的破坏，造成巨大的破坏。,上一页,下一页,返回,第一节基本概述,对于某些重要建筑物(如电力、通信等部门)，这种破坏是不允许的，所造成的损失更是难以估量。因此，随着现代化社会的发展，各类建筑的使用要求在不断提高，延性结构体系的应用也有了一定的局限性。因此，以主动防御为特点的隔震、消能减震技术正在不断地发展和在实践中不断被验证其可靠性。 隔震技术是在房屋基础、底部或下部结构与上部结构之间设置由橡胶隔震支座或阻尼装置等部件组成具有整体复位功能的隔震层，以延长整个结构体
4、系的自振周期、增大阻尼、减小输人上部结构的地震能量，达到预期的防震要求，如图9-1所示。,上一页,下一页,返回,第一节基本概述,隔震技术是通过设置隔震支座或阻尼装置来达到减小水平地震作用的目的，从目前隔震技术的现状来看，竖向地震作用的隔震技术正在研究的过程中，还没用达到实用阶段。图9-2为某工程中应用的隔震支座，图9-3为基础中安装的隔震支座，图9-4为试验中经受水平作用的隔震支座变形图。 消能减震是通过在结构物某些部位(如支撑、剪力墙、节点、连接缝或连接件、主附结构件等)设置消能部件(由消能器、连接支撑等组成)，通过消能装置产生摩擦弯曲(或剪切、扭转)等变形，来消散或吸收地震输入结构中的能量
5、，以消耗输入到上部结构的地震能量、减小主体结构的地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到预期的防震要求，工作原理如图9-5所示。图9-6为某些工程中应用的消能减震装置。,上一页,下一页,返回,第一节基本概述,众所周知，日本是一个多地震国家，又是发展抗震技术最快的国家之一，全国已超过百余项实际工程均采用了不同的消能装置或控制技术。早在20世纪90年代中期，建筑隔震橡胶支座就表现出了出色的隔震性能。1995年1月17日，日本阪神地区发生里氏7. 2级地震，造成了令人震惊的惨重损失。在这次地震中，距离震中35 km的西部邮政大楼中采用的基础隔震技术发挥了很好的隔震、减震效果，其所处场地的地震危害程
6、度达到了震度7度(相当于我国地震烈度的9-10)，地震中及地震后整幢大楼一切照常运转。,上一页,下一页,返回,第一节基本概述,1994年1月17日，美国洛杉矶北岭的地震中，采用基础隔震技术的南加利福尼大学校立医院表现同样出色，震后不仅不影响营业，还在震后救灾中发挥了出色的救援作用，而位于街对面的洛杉矶乡村医院则遭到了严重破坏。基础隔震技术至今被国内许多生命线工程所采用，基础隔震技术被称为面向21世纪的抗震新技术;同时，隔震橡胶支座等其他隔震支座也成为新世纪的抗震新产品。 目前，隔震、消能减震技术已进入实用阶段。我国现行抗震规范指出:可用于对抗震安全性和使用功能有较高要求或专门要求的建筑。实际设
7、计或施工中，可依据专门的规范、规程以及构造图集，如建筑结构隔震构造详图( 03 5G610-1)等进行。,上一页,下一页,返回,第一节基本概述,随着我国经济建设的不断深入及对隔震、消能减震技术认识的不断提高，相信不久的将来，两类技术就会大量地应用到我们周围的建筑物中。 最后，需要说明的是:在我国目前的建设中，隔震、消能减震技术的主要使用范围是可增加投资来提高抗震安全的建筑，除了重要机关、医院等地震时不能中断使用的建筑外，一般建筑经方案论证后也可使用，即可用于投资方愿意通过投资来提高安全要求的建筑。,上一页,返回,第二节隔震与消能减震建筑结构设计的一般规定,建筑结构隔震设计和消能减震设计确定设计
8、方案时，除应符合现行抗震规范对一般建筑物抗震设防要求的规定外，尚应与采用抗震设计的方案进行对比分析。 建筑结构采用隔震设计时应符合下列各项要求: (1)结构高宽比宜小于4，且不应大于相关规范、规程对非隔震结构的具体规定，其变形特征接近剪切变形，最大高度应满足抗震规范非隔震结构的要求;高宽比大于4或非隔震结构相关规定的结构采用隔震设计时，应进行专门研究。 (2)建筑场地宜为I、II、IQ类，并应选用稳定性较好的基础类型。,下一页,返回,第二节隔震与消能减震建筑结构设计的一般规定,(3)风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%。 (4)隔震层应提供必要的竖向承
9、载力、侧向刚度和阻尼;穿过隔震层的设备配管、配线，应采用柔性连接或其他有效措施，以适应隔震层的罕遇地震水平位移。 (5)消能减震设计可用于钢、钢筋混凝土、钢一混凝土混合等结构类型的房屋。消能部件应对结构提供足够的附加阻尼，尚应根据其结构类型，分别符合本书第四章的设计要求。 (6)隔震和消能减震设计时，隔震装置和消能部件应符合下列要求:,上一页,下一页,返回,第二节隔震与消能减震建筑结构设计的一般规定,隔震装置和消能部件的性能参数，应经试验确定; 隔震装置和消能部件的设置部位，应采取便于检查和替换的措施; 设计文件上应注明对隔震装置和消能部件的性能要求，安装前应按规定进行检测，确保性能符合要求。
10、 建筑结构的隔震设计和消能减震设计，尚应符合相关专门标准的规定;也可按抗震性能目标的要求，进行性能化设计。,上一页,返回,第三节隔震房屋设计要点,世界各国的隔震技术应用中，隔震支座的种类较多。目前，应用最多的是橡胶隔震支座，包括天然橡胶隔震支座、铅芯橡胶隔震支座、高阻尼橡胶隔震支座等。 天然橡胶支座具有较大的竖向刚度，承受建筑物的重量时竖向变形小、水平刚度较小，并且线性性能较好。由于天然夹层橡胶支座的阻尼很小，不具备足够的耗能能力，所以一般与其他隔震支座配合使用。 铅芯橡胶隔震支座不仅具有较好的竖向刚度，且本身具有消耗地震能量的能力，故在实践中得到广泛应用，如图9-7所示。,下一页,返回,第三
11、节隔震房屋设计要点,高阻尼橡胶隔震支座是在天然橡胶中加入各种配合剂，借以提高橡胶的阻尼性能。不仅保持天然橡胶支座的良好力学性能，而且具有较高的阻尼比，在地震中可以有效吸收地震能量，减轻地震影响，如 图9-8所示。 图9-9为我国某地实际工程中隔震支座的安装施工图(局部)。 一、隔震技术设计要求 隔震设计应根据预期的竖向承载力、水平向减震系数和位移控制要求，选择适当的隔震装置及抗风装置组成结构的隔震层。隔震支座应进行竖向承载力验算和罕遇地震下水平位移验算。,上一页,下一页,返回,第三节隔震房屋设计要点,隔震层以上结构的水平地震作用应根据水平向减震系数确定;其竖向地震作用标准值，5度(0. 208
12、) , 5度(0. 308)和9度时分别不应小于隔震层以上结构总重力荷载代表值的20、30%和40%。 建筑结构隔震设计的计算分析，应符合下列规定: (1)隔震体系的计算简图，应增加由隔震支座及其顶部梁板组成的质点;对变形特征为剪切型的结构，可采用剪切模型，如图9-10所示;当隔震层以上结构的质心与隔震层刚度图9-10隔震结构计算简图中心不重合时，应计人扭转效应的影响。隔震层顶部的梁板结构，应作为其上部结构的一部分进行计算和设计。,上一页,下一页,返回,第三节隔震房屋设计要点,(2)一般情况下，宜采用时程分析法进行计算;输人地震波的反应谱特性和数量，应符合本书第四章对地震作用的基本规定，计算结
13、果宜取其包络值;当处于发震断层10 km以内时，输人地震波应考虑近场影响系数;5 km以内，宜取1.5; 5 km以外，可取不小于1. 25。 (3)隔震层的橡胶隔震支座应符合下列要求: 隔震支座在表9-1所列的压应力下的极限水平变位，应大于其有效直径的o. 55倍和支座内部橡胶总厚度3倍中的较大值; 在经历相应设计基准期的耐久试验后，隔震支座刚度、阻尼特性变化不超过初期值的120;徐变量不超过支座内部橡胶总厚度的5%;,上一页,下一页,返回,第三节隔震房屋设计要点,橡胶隔震支座在重力荷载代表值作用下的竖向压应力，不应超过表9-1的规定。 (4)隔震层的布置、竖向承载力、侧向刚度和阻尼，应符合
14、下列规定: 隔震层宜设置在结构的底部或下部，其橡胶隔震支座应设置在受力较大的位置，间距不宜过大，其规格、数量和分布应根据竖向承载力、侧向刚度和阻尼的要求，通过计算确定。隔震层在罕遇地震下应保持稳定，不宜出现不可恢复的变形;其橡胶支座在罕遇地震的 水平和竖向地震同时作用下，拉应力不应大于1 MPa 隔震层的水平动刚度和等效茹滞阻尼比，可按下列公式确定:,上一页,下一页,返回,第三节隔震房屋设计要点,式中 eq-隔震层等效茹滞阻尼比; Kh-隔震层水平动刚度; j-隔震支座由试验确定的等效茹滞阻尼比;单独设置阻尼器时，应包括该阻尼器的相应阻尼比; Kj-隔震支座(含阻尼器)由试验确定的水平动刚度，
15、当试验发现动刚度与加载频率有关时，宜取相应于隔震体系基本自振周期的动刚度值。 (5)隔震层以上结构的地震作用计算，应符合下列规定: 对多层结构，水平地震作用沿高度可按重力荷载代表值分配; 隔震后水平地震作用计算的水平地震影响系数可按本书第四章的有关内容确定。,上一页,下一页,返回,第三节隔震房屋设计要点,其中，水平地震影响系数最大值可按式(9-3)计算: 式中a max1隔震后的水平地震影响系数最大值; a max非隔震的水平地震影响系数最大值，按第四章中的相应内容采用; 水平向减震系数;对于多层建筑，为按弹性计算所得的隔震与非隔震各层层间剪力的最大比值。对高层建筑结构，尚应计算隔震与非隔震各
16、层倾覆力矩的最大比值，并与层间剪力的最大比值相比较，取两者的较大值; 调整系数;一般橡胶支座，取0. 80;支座剪切性能偏差为S-A类，取0. 85 ;隔震装置带有阻尼器时，相应减少0.05,上一页,下一页,返回,第三节隔震房屋设计要点,隔震支座的水平剪力，应根据隔震层在罕遇地震下的水平剪力，按各隔震支座的水平等效刚度分配;当按扭转藕联计算时，尚应计及隔震层的扭转刚度。 隔震支座对应于罕遇地震水平剪力的水平位移，应符合下列要求: 式中ui罕遇地震作用下，第L个隔震支座考虑扭转的水平位移; ui第i个隔震支座的水平位移限值;对橡胶隔震支座，不应超过该支座有效直径的0. 55倍和支座内部橡胶总厚度3.0倍两者的较小值; uc罕遇地震下隔震层质心处或不考虑扭转的水平位移;,上一页,下一页,返回,第三节隔震房屋设计要点,i第i个隔震支座的扭转影响系数，应取考虑扭转和不考虑扭转时主支座计算位移的比值;当隔震层以上结构的质心与隔震层刚度中心在两个主轴方向均无偏心时，边支座的扭转影响系数不应小于1. 15 (6)隔震层以下的
