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1、1(97),第4章 结构隔震、消能和减震控制,2(97),4.1.1 结构减震控制的减震机理,结构减震控制，是指在建筑结构的特定部位，装设某种装置（如隔震支座），或某种机构（如消能支撑,消能剪力墙,消能节点,消能器等），或装设某种子结构（如调频质量等），或施加外力（外部能量输入），以改变或调整结构的动力特性或动力作用，使工程结构在地震的作用下，其结构的动力反应（加速度、速度、位移）明显减少，并得到合理的控制，确保结构本身及结构中的人、仪器、设备、装修等的安全和处于正常的使用环境状况。这种结构体系，称为“结构减震控制体系”。其相关的理论、技术和方法，统称为“结构控制”。,3(97),结构减震控制
2、的减震机理,结构的动力方程式 :,目的：明显减少结构的动力反应,改变k 改变c 改变m 人为输入F(t),4(97),消能减震 Energy Dissipation,结构减震控制,质量调谐减震 TMD，TLD 等,主动、半主动控制 AMD, AVS，AVSD等,混合控制 Hybrid Control,结构隔震 Seismic Isolation,4.1.2 结构减震控制技术方法分类,5(97),结构减震按能源输入分类,主动、半主动控制 Active，Semi-Comtrol,结构减震控制,结构隔震，消能减震，质量调谐减震,混合控制 Hybrid Control,被动控制 Passive Con
3、trol,主动质量阻尼器，主动拉索或支撑，主动变刚度变阻尼，智能材料自控,混合主动、被动控制,6(97),结构减震按频率相关分类,吸收共振能量,结构减震控制,避开共振频率,频率无关控制,频率相关控制,主动外加控制,消能减震,7(97),4.1.3 结构控制的特点和优越性,有效减震 适用范围广 检测修复方便,4.1.4 结构控制的应用范围及技术成熟性,成熟：被动控制 不太成熟：半主动控制 不成熟：主动控制,8(97),4.2.1 结构隔震体系的基本特性,结构隔震体系是指在结构物底部（或某层间部位）设置隔震装置而形成的结构体系。它包括上部结构，隔震层（由隔震装置或加设阻尼装置等组成）和下部结构三部
4、份。为了达到明显的减震效果，隔震装置及隔震体系必须具备下述的四项基本特性：,9(97),结构隔震体系的基本特性: 1. 承载特性 隔震装置应具有较大的竖向承载能力，在结构物正常使用状况下或地震时，安全地支承着上部结构的所有重量和使用荷载，并具备较大的竖向承载力安全系数。 2隔震特性 隔震装置应具有可变的水平刚度特性（图4.5）。在强风或微小地震时，具有足够的水平刚度，不影响使用要求。,10(97),在中强地震发生时，其水平刚度较小，上部结构水平滑动，使“刚性”的抗震结构体系变为“柔性”的隔震结构系，其结构基本周期大大延长（图4.6），远离上部结构（即传统结构）的自振周期，也远离地面的场地特征周
5、期，从而把地面震动有效地隔开,明显地降低上部结构的地震反应，一般可使上部结构的加速度反应（或地震作用）降低为传统结构加速度反应的1/21/12（图 4.6和4.8）。,11(97),4. 阻尼消能特性 隔震装置应具有足够的阻尼，也即隔震装置的水平荷载与水平位移关系曲线的包络面积较大，具有较大的消能能力。较大的阻尼可使隔震层的水平位移明显减少。,3. 复位特性 隔震装置应具有水平弹性恢复力，使隔震结构体系在地震中具有瞬时自动“复位”功能。地震后，上部结构回复至初始状态，满足正常使用要求。,12(97),传统房屋 地震时 激烈晃动，房屋加速度可放大到原来的 250%，梁柱开裂,内部装饰,设备破坏,
6、隔震房屋 地震时 缓慢平动(长周期) 房屋加速度减少可达到原来的40%，结构弹性(变形集中在柔软支座)，保护结构和内部装饰、设备,13(97),14(97),抗震结构与隔震结构的比较,隔震结构：在建筑物上部结构与基础之间设置滑移层，阻止地震能量向上传递。,抗震结构：利用结构各构件的承载力和变形能力抵御地震作用，吸收地震能量。,立足于“抗”。,立足于“隔”。,15(97),4.2.2 结构隔震体系的减震机理,结构的动力方程式 :,16(97),加速度反应衰减比,式中,17(97),衰减,放大,18(97),4.2.3 结构隔振的优越性,（1）明显有效地减轻结构的地震作用 （2）确保安全 （3）房
7、屋造价增加很少 （4）抗震措施简单明了 （5）震后无需修复 （6）上部结构的设计限制较小,19(97),结构隔震体系主要适用于下列工程: (1)地震区的民用建筑，例如住宅、办公室、教学楼、宿舍楼、剧院、旅馆、大商场等。 (2)地震区的生命线工程，例如:医院、急救中心、指挥中心、水厂、电厂、粮食加工厂、通信中心、交通枢纽、机场等。 (3)地震区的重要建筑结构物，例如:重要历史性建筑、博物馆、重要纪念性建筑物、文物或档案馆、重要图书资料馆、法院、监狱、危险品仓库、有核辐射装置等。 (4)内部有重要仪器设备的建筑结构物，例如，计算机中心、精密仪器中心、实验中心、检测中心等。 (5)桥梁、架空输水渠、
8、雷达站、天文台等重要结构物。,20(97),4.2.4 结构隔震的分类和成熟性,夹层橡胶支座 竖向承载力大 隔震效果明显稳定 稳定的弹性复位功能 构造简单，安装方便 耐久性好,21(97),4.2.5 结构隔震房屋的设计计算,当遭遇到设防烈度时，不需修理仍可继续使用； 当遭遇罕遇烈度时，不发生危及生命安全和丧失使用功能的破坏。,22(97),结构隔震控制目标的确定 常规结构设计 隔震装置选用 结构隔震体系动力参数确定 结构隔震作用计算 隔震结构抗震验算 隔震建筑构造设计,结构隔震房屋的设计计算内容和步骤：,23(97),4.2.6 结构隔震设计要点,24(97),25(97),等效侧力法：周期
9、较短的结构 时程分析法：周期较短的结构,26(97),27(97),28(97),29(97),（4）采用等效侧力法时，隔震房屋结构的地震作用及其分布可按规范进行计算，并参照下列有关规定：,G隔震层以上结构的重力荷载代表值 K隔震层水平有效刚度,30(97),结构层间剪力应按下式计算：,隔震层水平位移可按下列规定计算：,31(97),等效侧力法,计算步骤类似于底部剪力法 计算底部剪力 楼层剪力,底部剪力：,常遇地震：,32(97),33(97),罕遇地震：,34(97),楼层剪力,平动假设：各楼层加速度相同,Fjk j层水平地震作用标准值 Viki层剪力标准值,35(97),隔震层的水平位移,
10、36(97),4.2.7 隔震层的计算要点,（1）隔震支座的受压承载力设计值应符合下列要求： 当形状系数S115、S25时，对于甲类建筑，压应力设计值不宜大于10MPa；对于乙类建筑，压应力设计值不宜大于12MPa；对于丙类建筑，压应力设计值不宜大于15MPa，但对于直径小于300mm的隔震支座，压应力设计值不宜大于10MPa。 当形状系数不满足上述要求时，压应力设计值应适当降低。当5S24时，降低20%；当4S23时，降低40%。,37(97),图4.22 隔震支座内部构造,a.隔震支座的第一形状系数S1 (有效直径与孔洞直径之差d-d0与胶层4倍厚度4tr之比) ，应按下式计算；,圆形截面
11、：,矩形截面：,38(97),b. 隔震支座的第二形状系数S2 (有效直径d与橡胶层总厚度tr之比) ，应按下式计算；,图4.22 隔震支座内部构造,圆形截面：,矩形截面：,39(97),（2）隔震层连接部件（如隔震支座或抗风装置的上、下连接件，连接用预埋件等）应按罕遇地震作用进行强度验算。 （3）抗风装置应按下式要求进行验算：,式中：VRw为抗风装置的水平承载力设计值。当抗风装置是隔震支座的组成部分时，取隔震支座的水平屈服荷载设计值；当抗风装置单独设置时，取抗风装置的水平承载力，可按材料屈服强度设计值确定；gw为风荷载分项系数，采用1.4；Vwk为风荷载作用下隔震层的水平剪力标准值。,40(
12、97),（4）隔震层中各隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移应满足下列要求：,式中：umax为在罕遇地震作用下考虑扭转影响时隔震支座最大水平位移；d为隔震支座直径；tr为隔震支座橡胶层总厚度。 （5）在罕遇地震作用下，隔震支座不宜出现不可恢复变形；隔震支座的拉应力不应大于1Mpa。,41(97),4.2.8 结构隔震房屋的构造设计,1、隔震层和隔震支座的布置原则 （1）隔震层由隔震支座和阻尼装置和抗风装置组成 （2）隔震层刚度中心宜与上部结构的质量中心重合 （3）隔震支座的平面布置宜与上部结构和下部结构中竖向受力构件的平面位置对应 （4）同一房屋尽量选用相同型号隔震支座 （5）支座间距大于安
13、装和更换所需空间尺寸 （6）设置在隔震层的抗风装置宜对称、分散地布置在建筑物的周边 （7）抗震墙下隔震支座的间距不宜大于2.0m,42(97),2、隔震支座与上、下部结构的连接要求 （1）可靠连接 （2）考虑受剪和竖向局部承压 3、上部结构及隔震层部件应与周围固定物脱开 4、楼梯、电梯穿过隔震层 悬吊于上部结构；水平切断 5、穿过隔震层的竖向管线 柔性管材、柔性接头,43(97),4.2.9 隔震支座的技术性能和构造要求,目前，国内外常用的叠层橡胶隔震支座为圆形，直径 300mm1400mm. 一、隔震支座的技术性能型式检验要求 1）在轴压应力设计值作用下的竖向刚度； 2）在轴压应力设计值作用
14、下的竖向变形性能； 3）竖向极限压应力,压应力破坏极限值不应小于90MPa； 4）在水平位移为0.55倍有效直径时的竖向极限压应力； 5）竖向极限拉应力,拉应力屈服极限值不应小于1.5Mpa;,44(97),6）在轴压应力设计值作用下，在水平剪切应变分别为50%、100%、250%，且相应的水平加载频率分别为0.3Hz、0.2Hz、0.1Hz时的有效水平刚度；对有芯型或其他含有阻尼装置的隔震支座，还须提供在轴压应力设计值作用下的水平剪切屈服剪力、屈服前水平刚度和屈服后水平刚度； 7在轴压应力设计值作用下，在水平剪切应变分别为50%、100%、250%，且相应的水平加载频率分别为0.3Hz、0.
15、2Hz、0.1Hz时的有效阻尼比；,45(97),8）在轴压应力设计值作用下的水平极限变形能力； 9）耐久性能，包括老化性能、徐变性能和疲劳性能； 10）各种相关性能，包括在不同的竖向轴压应力、水平剪切应变、水平加载频率、环境温度下的水平刚度和阻尼比的变化率； 11）耐火性能； 12）有特殊要求的性能，如抗腐蚀性、耐水性等。,46(97),二、 隔震支座的技术性能出厂检验要求 每项工程采用的隔震支座的产品性能必须经出厂检验合格，提供下列性能指标： （1）在轴压应力设计值作用下的竖向刚度。 （2）在轴压应力设计值作用下，水平剪切应变分别为50%，100%，250%，且相应的水平加载频率分别为0.
16、3Hz，0.2Hz，0.1Hz时的有效水平刚度；对有芯型或其他含有阻尼装置的隔震支座，或单独设置的阻尼装置或抗风装置，还须提供在轴压应力设计值作用下的水平剪切屈服剪力，屈服前水平刚度和屈服后水平刚度（图4.21）。,47(97),（3）在设计轴压应力作用下，水平剪切应变分别为50%，100%，250%，且相应的水平加载频率分别为0.3Hz，0.2Hz，0.1Hz时的有效阻尼比。 （4）隔震支座产品性能的出厂检验数量，每项工程每种主要规格不少于3个。如发现有不合格产品，应加倍进行抽检；在加倍抽检中如仍出现不合格产品，则必须进行全数检验。 （5）隔震支座的力学性能检验，应在能按不同频率施加反复循环荷载的、符合要求的伺服试验机上图4.21 有芯型隔震支座水平荷载与水平变位关系曲线图4.22 隔震支座内部构造进行。,48(97),三、隔震支座构造要求,隔震支座的形状系数应符合下列要求： a.隔震支座的第一形状系数S1 (有效直径与孔洞直径之差d
