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1、第6章 隔震与耗能减震房屋设计 华南理工大学 土木工程系,传统的结构抗震是通过增强结构本身的抗震性能（强度、刚度、延性）来抵御地震作用的，即由结构本身的塑性变形消耗地震能量，这是被动消极的抗震对策。 另一个合理有效的抗震途径是在结构上设置控制装置（系统），由控制装置与结构共同承受地震作用，即共同储存和耗散地震能量，以调协和减轻结构的地震反应。这种结构抗震途径称为结构减震控制。,6.1 概 述,当地基本烈度地震,建筑物,进入非弹性破坏状态,装修与内部设备破坏,延性结构体系的结构,被动抵御地震作用,作用,巨大经济损失,某些生命线工程损失更是难以估量，延性结构体系的应用也有一定的局限性,隔震、减震、
2、制震技术,结构减震控制根据是否需要外部能源输入可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。 （1）被动控制-不需要外部能源输入提供控制力，控制过程不依赖于结构反应和外界干扰信息的控制方法。 （2）主动控制-需要外部能源输入提供控制力，控制过程依赖于结构反应信息或外界干扰信息的控制方法。 主动控制系统由传感器、运算器和施力作动器三部分组成。主动控制是将现代控制理论和自动控制技术应用于结构抗震的高新技术。,(3)半自动控制-不需要外部能源输入直接提供控制力，控制过程依赖于结构反应信息或外界干扰信息的控制方法。 (4)混合控制-不同控制方式相结合的控制方法。,隔震系统回顾,基础隔震的概念早在19
3、世纪已有人提过，广义的隔震方案则更是源渊流长，如北京故宫就设有糯米加石灰的柔性减震支座层；现代的基础隔震理论和实践开始于上世纪70年代。,河合浩藏的“地震时不受大震动的结构” 右图是1891年河合浩藏的“地震时不受大震动的结构”。其隔震思路是在地基上并排铺设了数层圆木，并且把建筑物周围挖空，从而地震时可对上部建筑起到隔震,J.A.Calantarients提出的隔震结构 右图是J.A.Calantarients于1909年提出的隔震结构(Base-isolated building )方案。这种隔震结构在建筑物结构与基础之间用滑石层隔开，地震时建筑物可以滑动。,中村太郎的隔震结构 右图是中村太
4、郎于1927年提出的隔震结构方案。在这种隔震系统中已使用阻尼泵来耗散地震动的能量，并且在该建筑地下层柱的上下端采用铰接构造，建筑物可以水平自由移动。,6. 隔震结构设计,结构隔震的原理与隔震结构的特点 结构隔震的概念与原理 结构隔震的概念 房屋基础隔震：在建筑物基础与上部结构之间设置隔震装置（或系统）形成隔震层，把房屋结构与基础隔离开来，利用隔震装置来隔离或耗散地震能量以避免或减少地震能量向上部结构传输，以减少建筑物的地震反应，实现地震时建筑物只发生轻微运动和变形，从而使建筑物在地震作用下不损坏或倒塌。,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。,隔震系统一般由隔震器、阻尼器
5、等所构成，它具有竖向刚度大、水平刚度小，能提供较大阻尼的特点。 结构隔震的原理 基础隔震的原理就是通过设置隔震装置系统形成隔震层，延长结构的周期，适当增加结构的阻尼，使结构的加速度反应大大减少，同时使结构的位移集中于隔震层，上部结构像刚体一样，自身相对位移很小，结构基本上处于弹性工作状态，从而建筑物不产生破坏或倒塌。,隔震结构的特点 提高了地震时结构的安全性； 上部结构设计更加灵活，抗震措施简单明了； 防止内部物品的振动、移动、翻倒，减少了次生灾害； 防止非结构构件的损坏； 抑制了振动时的不舒适感，提高了安全感和居住性； 可以保持机械、仪表、器具的功能；,震后无需修复，具有明显的社会和经济效益
6、； 经合理设计，可以降低工程造价。,( a ）传统抗震房屋、强烈晃动； ( b ）隔震房屋、轻微晃动；,隔震结构适用范围 医院、银行、通讯、警察、消防、电力等重要建筑； 首脑机关、指挥中心以及放置贵重设备、物品的房屋； 图书馆和纪念性建筑； 一般工业与民用建筑。,( c ）传统房屋的地震反应； ( d ）隔震房屋的地震反应,隔震系统的组成与类型 隔震系统的组成 隔震系统一般由隔震器、阻尼器、地基微震动与风反应控制装置等部分组成。 隔震器 主要作用：一方面在竖向支撑建筑物的重量，另一方面在水平方向具有弹性，能提供一定的水平刚度，延长建筑物的基本周期，以避开地震动的卓越周期，降低建筑物的地震反应，
7、能提供较大的变形能力和自复位能力。 常用的隔震器有叠层橡胶支座、螺旋弹簧支座、摩擦滑移支座等。,南加州大学医院(The University of Southern California Teaching Hospital)是橡胶支座隔震系统，这栋八层医院基础加速度为 0.49g，而顶层加速度只有0.21g, 加速度折减系数为1.8。而传统抗震结构橄榄景医院(The Olive View Hospital)的底层加速度为 0.82g，而顶层加速度为2.31g, 加速度放大系数为2.8，由此可见橡胶支座隔震系统的优越性。,1994年1月17日，美国圣菲尔南多发生洛杉矶地震，震级M=6.7，直下型
8、地震，死亡56人，伤7300人，损失很大。 震中附近有两座医院，一座为隔震结构，另一座为传统抗震结构。,南加州大学医院（隔震结构）,橄榄景医院（抗震结构）,南加州大学医院地下一层，地上7层，建筑面积：33000平方米；占地：4100平米；最高高度：36。0m；铅芯多层橡胶隔震器68个，多层橡胶隔震器81个。,南加州大学医院在这次地震及其后的余震中，6-8英尺高的花瓶等没有一个掉下来，建筑物内的各种机器等均未损坏，医院功能得到维持，成为防灾中心，起到十分重要的作用。,橄榄景医院（抗震结构）,橄榄景医院在1971年圣费尔南多地震中受到较大损害，10年后重建，并增加了抗震强度。,在此次地震中，剪力墙
9、产生剪切裂缝，设备机器、医疗机械及家具等翻倒，病历等资料掉下、散乱。而且水管破裂，各层浸水，建筑物不能使用，完全丧失了医院的功能。,在汕头市陵海路38号，建有世界第一幢橡胶支座隔震住宅楼、全国第一幢隔震房屋，该抗震楼建成于1993年，是一座8层住宅楼，有56间房间。次年5月，联合国工业发展组织权威专家将这个隔震居民楼的建成誉为“世界建筑隔震技术发展的第三个里程碑”。,阻尼器 主要作用：吸收或耗散地震能量，抑制结构产生大的位移反应，同时在地震终了时帮助隔震器迅速复位。 常用的阻尼器有弹塑性阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、摩擦阻尼器等。 地基微震动与风反应控制装置 主要作用：增加隔震系统的初期刚
10、度，使建筑物在风荷载或轻微地震作用下保持稳定。 常用的隔震系统主要有叠层橡胶支座隔震系统、摩擦滑移加阻尼器隔震系统、摩擦滑移摆隔震系统等。,隔震结构的设计要求 隔震结构方案的选择 隔震建筑方案的采用，应根据建筑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求，进行技术、经济可行性综合比较分析后确定。 隔震层的设置 隔震层宜设置在结构第一层以下的部位。当隔震层位于第一层及以上时，结构体系的特点与普通隔震结构可能有较大差异，隔震层以下的结构设计计算也更复杂，需作专门研究。 上部结构的地震作用和抗震措施,隔震结构的抗震计算 隔震结构的抗震计算可采用底部剪力法和时程分析法。 隔震结构的构造
11、措施 隔震层的构造要求 隔震层应由隔震支座、阻尼器和为地基微震动与风荷载提供初刚度的部件组成。阻尼器可与隔震支座为一体，亦可单独设计。必要时，宜设置防风锁定装置。隔震支座和阻尼器的连接构造，应符合有关要求。,隔震层顶部梁板体系的构造要求 为了保证隔震层能够整体协调工作，隔震层顶部应设置平面内刚度足够大的梁板体系。 隔震支座附近的梁柱受力状态复杂，地震时还会受冲切，因此，应考虑冲切和局部承压，应加密箍筋并根据需要配置网状钢筋。,6.3 耗能减震结构设计,结构耗能减震原理与耗能减震结构特点 结构耗能减震 在结构物某些部位（如支撑、剪力墙、节点、连接缝或连接件、楼层空间、相邻建筑间、主附结构间等）设
12、置耗能（阻尼）装置（或元件），通过耗能（阻尼）装置产生摩擦，弯曲（或剪切、扭转）弹塑（或粘弹）性滞回变形耗能来耗散或吸收地震输人结构中的能量， 以减小主体结构地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震控震的目的。,耗能减震结构：装有耗能（阻尼）装置的结构。 在传统的抗震结构中，主要依靠结构体系的滞回耗能消耗输人结构的地震能量，但因结构构件在利用其自身弹塑性变形消耗地震能量的同时，构件本身将遭到损伤甚至破坏，某一结构构件耗能越多，则其破坏越严重。 在耗能减震结构体系中，耗能（阻尼）装置或元件在主体结构进人非弹性状态前率先进人耗能工作状态，充分发挥耗能作用，耗散大量输入结构体系的地震能量，则结
13、构本身需消耗的能量很少，这意味着结构反应将大大减小，从而有效地保护了主体结构，使其不再受到损伤或破坏。,耗能减震结构具有减震机理明确，减震效果显著，安全可靠，经济合理，技术先进，适用范围广等特点。,( a ）地震输入； ( b ）传统抗震结构； ( c ）消能减震结构,耗能减震装置的类型 根据耗能机制的不同分：摩擦耗能器、钢弹塑性耗能器、铅挤压阻尼器、粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器等； 根据耗能器耗能的依赖性分：速度相关型（如粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器）和位移相关型（如摩擦耗能器、钢弹塑性耗能器和铅挤压阻尼器）等。,广州猎德大桥的阻尼器,同济大学土木大楼防屈曲耗能阻尼偏心支撑,耗能减震结构的设计要求
14、耗能部件的设置 耗能减震结构应根据罕遇地震作用下的预期结构位移控制要求，设置适当的耗能部件，耗能部件可由耗能器及斜支撑、填充墙、梁或节点等组成。 耗能减震结构中的耗能部件应沿结构的两个主轴方向分别设置，耗能部件宜设置在层间变形较大的位置，其数量和分布应通过综合分析合理确定。,耗能部件的性能要求 耗能器应具有足够的吸收和耗散地震能量的能力和恰当的阻尼；耗能部件附加给结构的有效阻尼比宜大于 10 % ，超过 20时宜按 20计算。 耗能部件应具有足够的初始刚度，并满足有关要求。 耗能器应具有优良的耐久性能，能长期保持其初始性能； 耗能器构造应简单，施工方便，易维护； 耗能器与斜支撑、填充墙、梁或节
15、点的连接，应符合钢构件连接或钢与钢筋混凝土构件连接的构造要求，并能承担耗能器施加给连接节点的最大作用力。,耗能器附加给结构的有效阻尼比和有效刚度 当采用底部剪力法、振型分解反应谱法和静力非线性法时，耗能部件附加给结构的有效阻尼比可按下式估算 Wc 所有消能部件在结构预期位移下往复一周所消耗的能量 Ws 设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能 当耗能器的阻尼系数和有效刚度与结构振动周期有关时，可取相应于耗能减震结构基本自振周期的值。,当采用非线性时程分析法时，耗能器附加给结构的有效阻尼比和有效刚度宜根据耗能器的恢复力模型确定。 耗能减震结构体系的抗震计算分析 耗能减震结构体系的抗震计算分析，一
16、般情况下，宜采用静力非线性分析或非线性时程分析方法。当耗能减震体系的主要结构构件基本处于弹性工作阶段时，可采取线性分析方法作简化估算，并根据结构的变形特征和高度等，分别采用底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。,分析时： 耗能减震结构的总刚度应为结构刚度和耗能部件有效刚度的总和； 耗能减震结构的总阻尼比应为结构阻尼比和耗能部件附加给结构的有效阻尼比的总和； 耗能部件有效刚度和有效阻尼比，应通过试验确定。,调频质量阻尼装置（Tuned Mass Dampers,简称TMD） 由质量、弹性元件和阻尼器构成的振动系统，将其安装在结构上，结构振动时引起该系统的共振，由此产生的惯性力反作用于结构，起到减小结构振动反应的作用。,TMD是一个小的振动系统，由质量、弹簧和阻尼器组成。它是Frahmn在1909年发明的。它主要被用于机械工业系统中。由于土木工程中抗风抗的需要，现被用于抗震抗风结构之中。这种机构主要依赖它与结构作相对运动，凭惯性对结构产生作用力来抵消干扰力，以达到减振的作用。其工作原理如图6-7所示。,取值在20%左右时
