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1、第第8 8章章 结构隔震及减震设计结构隔震及减震设计 本章教学目标与要求 了解结构减震控制技术的基本概念 了解结构隔震设计原理和方法 了解结构消能减震设计原理和方法 导入案例 北京故宫博物院是明成祖永乐帝从1406年起历时14 年建造的一座皇城，城内数百个大小不同的建筑物排列成 一个巨大的建筑群。这座现存的中世纪木结构建筑群虽然 在地震区内，但受到的地震灾害却很少。为什么呢？在 1975年开始的故宫设备配管工程中，从中枢部位地下5- 6m处挖掘出略带粘性的物质，检查结果是一层煮过的糯 米拌石灰。 故宫的主要建筑都建在大理石高台之上，下面有这样 一层柔软的糯米层，就能够在一定程度上把建筑物与地震
2、 隔离开来，使建筑物免遭震害。 8.1概 述 在抗震设计的早期，人们曾试图将建筑结构设 计为“刚性结构体系”，要求其不发生强度破坏。但 该种结构体系不经济，且较难实现；人们还设想了 “柔性结构体系”，即通过减小结构的刚性来避免结 构与地面运动发生共振，从而减小地震作用。但该 种结构体系层间位移较大，在很多情况下不能满足 设计和使用要求。 震害表明，将建筑结构设计为“延性结构体系” 是适宜的，对抗震是有利的。 刚性结构柔性结构延性结构 工程结构减震控制是指在工程结构的特定部位 ，装设某种装置（如隔震垫等），或某种机构（如 消能支撑；消能剪力墙；消能节点；消能器等）， 或某种子结构（如调频质量等）
3、，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。 工程结构减震控制按技术方法分类： 隔震技术； 质量调谐减震技术； 消能减震技术； 主动控制技术； 混合控制技术 调谐质量阻尼器” TMD （Tuned Mass Damper） 调谐液体阻尼器”TLD（ Tuned Liquid Damper） 作动器拖动附加质量阻 尼器AMD (Active Mass Damper) TMD被动控制体系 AMD主动控制体系 隔震结构体系 消能减震体系 8.2 结构隔震设计原理及方法 8.2.1 结构隔震设计原理 结构隔震是工程结构减震控制技术之一。结构隔震设计的基本 思想是在结构的底部
4、设置隔震层，使之与上部结构分离开，从而限 制地震动向结构的传递 位 移 反 应 A B C T0 T1 周期（s） 小阻尼 大阻尼 加 速 度 反 应 A B C T0 T1 周期（s） 小阻尼 大阻尼 隔震前结构周期 隔震结构周期 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
5、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、雷达站、天文台等重要结构物。 8.2.2常用隔震方法 1.橡胶垫垫隔震 夹层夹层 橡胶垫垫是最常见见的隔震装置，基本构造如图图8.12所示， 由薄橡胶片与钢钢板分层层交替叠合，经经高温硫化粘结结而成。薄钢钢板 可限制橡胶片的横向变变形，但对对橡胶片的剪切变变形影响很小，因此 ，支座的竖竖向刚刚度很大，而水平刚刚度却很小。 ds 立面图断面图 保护橡胶 中间钢板 橡胶层 翼缘 直径D 橡胶板铅芯 钢板 增大阻尼 2.滑移隔震 这种隔震方法是在房屋基础顶面设
6、置滑移层。风载或 小地震时，静摩擦力使结构固结于基础之上，大震时，静 摩擦力被克服，结构水平滑动，地震作用减小，滑移层间 摩擦阻尼同时消耗地震能量。为控制滑移层间的摩擦力以 满足隔震要求，通常采用的滑移层材料为钢摩擦滑板、石 墨、砂料、涂层垫层及聚四氟乙烯等 3.滚珠及滚轴隔震 用高强合金制成的滚珠或滚轴涂以防锈或润滑涂层后置于上部 结构与基础之间，地震作用下，滚珠或滚轴滚动而达到隔震目的。 滚珠隔震可以将滚珠做成圆形置于平板或凹板上，也可将滚珠做成 椭圆形以形成恢复力；而滚轴隔震通常做成上、下两层彼此垂直的 滚轴，以保证能在两个方向上滑动。滚珠或滚轴能把地面运动几乎 全部隔开，具有明显的隔震
7、效果 8.2.3 基础隔震结构设计 建筑抗震设计规范对隔震设计提出了分部设计法和水平减震系 数的概念。分部设计方法是把整个基础隔震结构体系分成上部结构 (隔震层以上结构)、隔震层、隔震层以下结构和基础四部分，分别 进行设计。 水平减震系数 表12.2.7 隔震层以上结构抗震措施要求与水平向减震系数的对应关系 水平向减震系数 0.45 0.45 设防烈度 (设计基本加速度) 9 (0.40g) 9(0.40g) 8(0.20g) 8 (0.30g) 8(0.30g) 7(0.15g) 8 (0.20g) 8(0.20g) 7(0.10g) 7 (0.15g) 7(0.15g) 7(0.10g)
8、7 (0.10g) 7(0.10g) 6(0.05g) 8.2.3 基础隔震结构设计 1.动力分析模型 隔震建筑系统的动力分析模型可根据具体情况选用单质 点模型、多质点模型，甚至空间分析模型。当上部结构侧移 刚度远大于隔震层的水平刚度时，可以近似认为上部结构是 一个刚体，从而将隔震结构简化为单质点模型进行分析，其 动力平衡方程形式为 mn mn-1 m2 m1 kh zeq 图8.16 隔震结构 计算简图 8.2.3 基础隔震结构设计 水减震系数 2.隔震层上部结构的抗震计算 隔震层上部结构的抗震计算可采用底部剪力法或时程分析法。 采用时程分析法计算时，计算简图可采用图8.16所示的剪切型结构
9、 模型。 采用底部剪力法时，隔震层以上结构的水平地震作用，沿高度 可采用矩形分布，但应对反应谱曲线的水平地震影响系数最大值进 行折减，即乘以“水平向减震系数”。 3.隔震层的设计与计算 (1)设计要求 隔震支座应进行竖向承载力的验算和罕遇地震下水平位移的 验算。 (2)橡胶隔震支座平均压应力限值和拉应力 规定橡胶隔震支座在永久荷载和可变荷载作用下组合的竖向平 均压应力设计值，不应超过表8-2的规定，且在罕遇地震作用下 不宜出现拉应力。 8.2.3 基础隔震结构设计 (3) 隔震支座在罕遇地震作用下的水平位移验算。 罕遇地震下的隔震层刚度中心水平位移宜采用时程分析法计算 ，对砌体结构及与其基本周
10、期相当的结构，可按简化式计算。 4.基础及隔震层以下结构的设计 基础设计时不考虑隔震产生的减震效应，按原设防烈度进行抗 震设计。当隔震层以下有墙、柱等结构时，其地震作用和抗震验算 ，应釆用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩进行计 算。 5.竖向地震作用的计算 由于目前的橡胶隔震支座对竖向地震几乎没有减震效果，因此 ，须在隔震建筑设计时考虑这一因素。主要是在隔震层以上结构和 隔震层设计中考虑这一因素。 8.2.4 隔震结构构造要求 (1) 隔震层应提供必要的竖向承载力、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适应隔 震层的罕遇地震水平位移。 (2)隔震
11、层以上结构的隔震措施 隔震层以上结构应采取不阻碍隔震层在罕遇地震下发生大变形； 隔震层顶部应设置梁板式楼盖，隔震层与上部结构的连接，隔震 层顶部梁板的刚度和承载力，宜大于一般楼面梁板的刚度和承载力 ； 隔震墙下隔震支座的间距不宜大于2.0m； 外露的预埋件应有可靠的防锈措施。预埋件的锚固钢筋应与钢板 牢固连接，锚固钢筋的锚固长度宜大于20倍锚固钢筋直径，且不应 小于250mm等。 8.3 消能减震设计原理及方法 8.3.1 消能减震原理 结构消能减震技术的实质是在结构的某些部位设置消 能装置（或构件），通过消能装置（或构件）来大量消散 或吸收地震输入结构中的能量，有效减小主体结构的地震 反应。
12、装有消能装置的结构称为消能减震结构。 传统抗震结构 消能减震结构 8.3.2 消能减震方法 1.阻尼器消能减震 阻尼器通常安装在支撑处、框架与剪力墙的连接处、 梁柱连接处以及上部结构与基础连接处等有相对变形或相 对位移的地方。 粘弹性材料 钢板1 钢板2 摩擦阻尼器 金属屈服型阻尼器 粘弹性阻尼器 滞回曲线 粘滞阻尼器 滞回曲线 2.消能部件 消能部件是由消能装置及结构中的支撑、墙体、梁或 节点等构件组成的消能减震系统。在设计中可采用如下方 式构成消能部件。 消能交叉支撑 摩擦消能支撑 消能偏心支撑 消能隅撑 3.消能墙减震 消能墙实质上是将阻尼器或消能材料用于墙体所形成的消能 构件或消能子结
13、构。 图.30 周边消能墙 (1) 周边消能墙。(2) 摩擦消能墙。 8.3.3消能减震结构设计要点 消能减震结构设计采用两阶段设计方法：(1)多遇地展作用 下的弹性阶段验算，进行承载力计算和弹性变形验算；(2)罕 遇地展作用下的变形验算，鉴于此阶段消能器可大量耗散地 震能量，降低结构的地震反应。其他参见教材。 8.4背景知识 工程结构减震控制包括隔震、消能减震和各种被动控制、主动 控制、混合控制等内容。传统的抗震结构体系是通过“加强结构”的 途径来提高结构的抗震能力，但结构减震控制体系则是通过调整结 构动力特性的途径，大大减小了结构在地震（或强风）中的振动反 应，从而保护结构以及结构内部的设
14、备、仪器、网络和装饰物等不 受任何损害。这是一种采用新概念、新机理的新结构体系、新理论 和新技术方法。在很多情况下，它更加安全和经济，它为工程结构 的地震防护、减振抗风提供了一条崭新的途径，日益引起国内外学 术界、工程界的兴趣和重视。目前，这个新领域仍处于不断发展和 完善的阶段，随着技术的成熟和现代化社会的发展，工程结构减震 控制技术将会越来越广泛地被应用，将取得显著的社会效益和经济 效益。 本章小结 本章主要介绍了基础隔震、消能减震体系的减震 机理、工作特性和适用范围，基础隔震设计的水 平向减震系数确定方法和构造措施，还介绍了消 能减震结构的设计要点和设计步骤。 知识回顾知识回顾 Knowledge Knowledge ReviewReview
