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1、隔震、隔震、 减震、减震、 制振制振被动、主动控制被动、主动控制抗震抗震疏震：疏震： 9 9 结构隔震、减震与制振结构隔震、减震与制振古有：古有：兵来将挡、水来土掩兵来将挡、水来土掩又有：又有：将计就计、既堵又疏将计就计、既堵又疏还有：还有：诱敌深入、分割包围、围而歼之诱敌深入、分割包围、围而歼之 如何疏震如何疏震？二、隔震结构二、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。量向上传递。 立足于立足于“隔隔”。 9 9 结构隔震、减震与制振结构隔震、减震与制振一、抗震结构一、抗震结构传统结构依靠自身的强度、刚度和延性来抗御
2、地震作用。传统结构依靠自身的强度、刚度和延性来抗御地震作用。 消极消极“抗抗”震震隔振（隔震）隔振（隔震）隔振（隔震）隔振（隔震）隔震在中国隔震在中国一、二千年以前一、二千年以前q柱基隔震，西安大柱基隔震，西安大雁塔雁塔隔振（隔震）隔振（隔震）糯米拌石灰隔震层糯米拌石灰隔震层上部结构上部结构大理石高坛大理石高坛隔振（隔震）隔振（隔震） 隔震包括基础隔震和层间隔震。隔震包括基础隔震和层间隔震。 隔震技术的原理隔震技术的原理： （1）隔隔震震系系统统的的柔柔性性层层使使结结构构的的振振动动周周期期加大并远离地震动的卓越周期；加大并远离地震动的卓越周期； （2）增大了结构体系的阻尼。）增大了结构体系
3、的阻尼。 基基础础隔隔震震技技术术和和层层间间隔隔震震技技术术是是建建筑筑结结构构减震防灾的有效手段。减震防灾的有效手段。 基础隔震系统需具备以下四种特性：基础隔震系统需具备以下四种特性：(1)(1)承载特性：具有足够的竖向强度和刚度支撑上部结构；承载特性：具有足够的竖向强度和刚度支撑上部结构；(2)(2)隔隔震震特特性性：具具有有足足够够的的水水平平初初始始刚刚度度，体体系系能能保保持持在在弹弹性性范范围围内内的的正正常常使使用用要要求求，但但水水平平刚刚度度较较小小，结结构构为为柔柔性性隔隔震结构体系；震结构体系；(3)(3)复复位位特特性性：地地震震后后，上上部部结结构构能能回回复复到到
4、初初始始状状态态，满满足足正常的使用要求。正常的使用要求。(4)(4)耗耗能能特特性性：隔隔震震系系统统本本身身具具有有较较大大的的阻阻尼尼，地地震震时时能能耗耗散足够的能量，从而降低上部结构所吸收的地震能量。散足够的能量，从而降低上部结构所吸收的地震能量。隔震系统回顾隔震系统回顾 现代的基础隔震理论和实践开始于上世纪现代的基础隔震理论和实践开始于上世纪7070年代，基年代，基础隔震方案很多：础隔震方案很多：1.国外隔震技术河合浩藏的“地震时不受大震动的结构” 右图是右图是18911891年河合浩藏的年河合浩藏的“地震时不受大震动的结构地震时不受大震动的结构”。其隔震思路是在地基上并排。其隔震
5、思路是在地基上并排铺设了数层圆木，并且把建筑铺设了数层圆木，并且把建筑物周围挖空，从而地震时可对物周围挖空，从而地震时可对上部建筑起到隔震上部建筑起到隔震J.A.Calantarients提提出出的的隔隔震震结结构构 右右 图图 是是 J.A.Calantarients于于1909年年 提提 出出 的的 隔隔 震震 结结 构构 (Base-isolated building )方方案案。这这种种隔隔震震结结构构在在建建筑筑物物结结构构与与基基础础之之间间用用滑滑石石层层隔隔开开，地地震震时时建建筑筑物物可可以以滑动。滑动。中村太郎的隔震结构中村太郎的隔震结构 右图是中村太郎于右图是中村太郎于1
6、927年提出年提出的隔震结构方案。在这种隔震系统的隔震结构方案。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，建筑物可以水平端采用铰接构造，建筑物可以水平自由移动。自由移动。 柔性层隔震柔性层隔震结构结构(Flexible first-story building) 柔柔性性层层结结构构隔隔震震概概念念由由Martel在在1929年年提提出出，由由Green(1935年年)和和Jacobasen(1938年年)进进一一步步加加以以研研究究与与完完善善；下下图图是是真真岛岛健健三三郎郎于于19
7、34年年的的柔柔性性层层结结构构。地地震震时时，柔柔性性层层进进入入塑塑性性，结结构构的的刚刚度度变变小小，结结构构的的基基本本周周期期延延长，从而导致上部结构所受的地震作用减小。长，从而导致上部结构所受的地震作用减小。 滚动支撑类隔震系统滚动支撑类隔震系统（Roller bearing systemRoller bearing system） 为克服柔性层结构所带来的缺陷，科学家们相继提出了为克服柔性层结构所带来的缺陷，科学家们相继提出了多种滚动支撑类隔震系统，工作元件有球形和椭圆形等多种，多种滚动支撑类隔震系统，工作元件有球形和椭圆形等多种，但由于其隔震是有向性的，而地震是具有无向性，这些
8、类型但由于其隔震是有向性的，而地震是具有无向性，这些类型的隔震系统均未能推广应用。的隔震系统均未能推广应用。 2.最新隔震技术隔震橡胶支座隔震橡胶支座( (The laminated rubber bearing) )隔震系统。隔震系统。 南南加加州州大大学学医医院院是是橡橡胶胶支支座座隔隔震震系系统统，这这栋栋八八层层医医院院基基础础加加速速度度为为 0.49g，而而顶顶层层加加速速度度只只有有0.21g, 加加速速度度折折减减系系数数为为1.8。而而抗抗震震结结构构橄橄榄榄景景医医院院的的底底层层加加速速度度为为 0.82g，而而顶顶层层加加速速度度为为2.31g, 加加速速度度放放大大系
9、系数数为为2.8，由由此此可可见见橡橡胶胶支支座座隔隔震震系系统统的的优优越性。越性。中南加州大学医院（隔震结构）中南加州大学医院（隔震结构）橄榄景医院（抗震结构）橄榄景医院（抗震结构） 1994 1994年年1 1月月1717日，美国圣菲尔南多地震，日，美国圣菲尔南多地震，M6.7M6.7，直下型地，直下型地震，死亡震，死亡5656人，伤人，伤73007300人，损失很大。震中附近有两座医院，人，损失很大。震中附近有两座医院，一座为隔震结构，另一座为抗震结构。一座为隔震结构，另一座为抗震结构。中南加州大学医院中南加州大学医院地下一层，地上地下一层，地上7 7层，建筑面积：层，建筑面积：330
10、0033000平方米；占地：平方米；占地：41004100平米；最高高度：平米；最高高度：3636。0m0m；铅芯多层橡胶隔震器；铅芯多层橡胶隔震器6868个，多层橡胶隔震器个，多层橡胶隔震器8181个。个。中南加州大学医院在这次地震及其后的余震中，中南加州大学医院在这次地震及其后的余震中，6-86-8英尺高的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，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。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（抗震结构） 橄榄景医院橄榄景医院101
11、0年后重年后重建，并增加了抗震强度。建，并增加了抗震强度。 在此次地震中，剪力墙在此次地震中，剪力墙产生剪切裂缝，设备机器、产生剪切裂缝，设备机器、医疗机械及家具等翻倒，病医疗机械及家具等翻倒，病历等资料掉下、散乱。而且历等资料掉下、散乱。而且水管破裂，各层浸水，建筑水管破裂，各层浸水，建筑物不能使用，完全丧失了医物不能使用，完全丧失了医院的功能。院的功能。一一九九九九四四年年九九月月十十六六日日，台台湾湾海海峡峡发发生生了了7.3级级地地震震，震震源源距距离离汕汕头头市市约约200公公里里，汕汕头头市市烈烈度度为为6度度，各各类类房房屋屋摇摇晃晃厉厉害害，居居民民惊惊惶惶失失措措，水水桶桶里
12、里的的水水溅溅出出了了1/3左左右右而而陵陵海海路路隔隔震震楼楼上上的的人人并并没没有有感感到到晃晃动动，听听到到毗毗邻邻楼房和邻街喧闹声后下楼才知道发生了地震。楼房和邻街喧闹声后下楼才知道发生了地震。日本阪神大地震日本阪神大地震 1995.1.17日发生了日本阪神大地震。震级日发生了日本阪神大地震。震级7.2级，是日级，是日本战后最大地震灾害。本战后最大地震灾害。在这次地震中，有二幢隔震结构建筑得到了地震观测在这次地震中，有二幢隔震结构建筑得到了地震观测记录。从这些记录可以看到隔震房屋在大地震中发挥了隔记录。从这些记录可以看到隔震房屋在大地震中发挥了隔震效果，证实了隔震结构的有效性。震效果，
13、证实了隔震结构的有效性。WEST大厦大厦(西部邮政大楼西部邮政大楼)建筑面积建筑面积46000m2，6层，层，是日本最大的隔震建筑。该建筑距震源东北是日本最大的隔震建筑。该建筑距震源东北35公里，在基公里，在基础、础、l层和层和6层进行了地震记录观测。层进行了地震记录观测。213263300基础基础193571061层层377751036层层上下上下南北南北东西东西地震观测地震观测位置位置方向方向隔震橡胶支座包括天然夹层橡胶支座、铅芯橡胶支座，高阻尼隔震橡胶支座包括天然夹层橡胶支座、铅芯橡胶支座，高阻尼橡胶支座等橡胶支座等 。天然夹层隔震橡胶支座天然夹层隔震橡胶支座天天然然夹夹层层橡橡胶胶支支
14、座座具具有有较较大大的的竖竖向向刚刚度度，承承受受建建筑筑物物的的重重量量时时竖竖向向变变形形小小，而而水水平平刚刚度度较较小小，且且线线性性性性能能好好。由由于于天天然然夹夹层层橡橡胶胶支支座座的的阻阻尼尼很很小小，不不具具备备足足够够的的耗耗能能能能力力，所所以以在在结结构构使使用用中中一一般般同同其其它它阻阻尼尼器或耗能设备联合使用。器或耗能设备联合使用。 铅芯隔震橡胶支座铅芯隔震橡胶支座 铅铅 芯芯 隔隔 震震 橡橡 胶胶 支支 座座 由由 新新 西西 兰兰 的的ROBINSON及及其其公公司司最最早早研研制制开开发发，以以后后在在中中国国、日日本本、美美国国、意意大大利利等等国国家家
15、都都得得到了较大的发展与应用。到了较大的发展与应用。 铅芯橡胶支座构造如图所示。因为铅芯橡胶支座不但具有较理想的竖向铅芯橡胶支座构造如图所示。因为铅芯橡胶支座不但具有较理想的竖向刚度，而且本身具有消耗地震能量的能力，故铅芯橡胶支座在结构使用中刚度，而且本身具有消耗地震能量的能力，故铅芯橡胶支座在结构使用中受到广泛欢迎。受到广泛欢迎。 世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建筑世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建筑(The William Clayton Building, New Zealand)和世界上使用铅芯橡胶支和世界上使用铅芯橡胶支座中基底面积最大的建筑座中基底面积最大的建筑(日本日本)。
16、 日日本本19971997年年度度评评定定的的隔隔震震建建筑筑中中，采采用用铅铅芯芯橡橡胶胶支支座座隔隔震震房房屋屋占占总总数数的的40%40%，美美国国在在19851985年年以以后后兴兴建建的的隔隔震震房房屋屋中中，完完全全或或部部分分采采用用铅铅芯芯橡橡胶胶支支座座的的隔隔震震房房屋屋占占总总数数的的60.7%60.7%，我我国国在在已已建建成成的的隔隔震震房房屋屋中中，完完全全或或部部分分采采用用铅铅芯芯橡橡胶胶支支座的隔震房屋占总数的座的隔震房屋占总数的60%60%。耗能减震耗能减震 结结构构耗耗能能减减震震技技术术是是在在结结构构物物某某些些部部位位（如如支支撑撑、剪剪力力墙墙、连
17、连接接缝缝或或连连接接件件）设设置置耗耗能能（阻阻尼尼）装装置置（或或元元件件），通通过过该该装装置置产产生生摩摩擦擦，弯弯曲曲（或或剪剪切切、扭扭转转）弹弹塑塑性性（或或粘粘弹弹性性）滞滞回回变变形形来来耗耗散散或或吸吸收收地地震震输输入入结结构构的的能能量量，以以减减小小主主体体结结构构的的地地震震反反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震控制的目的。应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震控制的目的。 基基本本原原理理：在在消消能能减减震震结结构构体体系系中中，消消能能( (阻阻尼尼) )装装置置或或元元件件在在主主体体结结构构进进入入非非弹弹性性状状态态前前率率先先进进入入耗耗能能工
18、工作作状状态态，充充分分发发挥挥耗耗能能作作用用，消消耗耗掉掉输输入入结结构构体体系系的的大大量量地地震震能能量量，使使结结构构本本身身需需消消耗耗的的能能量量很很少少，这这意意味味着着结结构构反反应应将将大大大大减减小小，从从而而有有效效地地保保护了主体结构，使其不再受到损伤或破坏。护了主体结构，使其不再受到损伤或破坏。 由由于于消消能能减减震震结结构构具具有有减减震震机机理理明明确确、减减震震效效果果显显著著、安安全全可可靠靠、经经济济合合理理、适适用用范范围围广广等等特特点点，目目前前已已被被成成功功用用于于工工程程结结构构的的减震控制中。减震控制中。耗能元件耗能元件 耗能元件大体上可以
19、分为三类：耗能元件大体上可以分为三类： （1）速速度度相相关关型型耗耗能能元元件件，如如线线性性粘粘滞滞或或粘粘弹弹性性阻阻尼尼器；器； （2）位位移移相相关关型型耗耗能能元元件件，如如金金属属屈屈服服型型或或摩摩擦擦型型阻阻尼器；尼器； （3）调调谐谐吸吸震震型型耗耗能能元元件件，如如调调谐谐质质量量阻阻尼尼器器(Tuned Mass Damper，TMD)或或调调谐谐液液体体阻阻尼尼器器(Tuned Liquid Damper，TLD)。耗能元件耗能元件金属阻尼器金属阻尼器 金金属属屈屈服服阻阻尼尼器器是是用用软软钢钢或或其其他他软软金金属属材材料料做做成成的的各各种种形形式式的阻尼耗能器
20、。的阻尼耗能器。 它它对对结结构构进进行行振振动动控控制制的的机机理理是是将将结结构构振振动动的的部部分分能能量量通通过过金属的屈服滞回耗能耗散掉，从而达到减小结构反应的目的金属的屈服滞回耗能耗散掉，从而达到减小结构反应的目的。 20世世纪纪70年年代代初初，Kelly等等美美国国学学者者开开始始研研究究利利用用金金属属的的这这种种性性能能来来控控制制结结构构的的动动力力反反应应，并并提提出出了了扭扭转转梁梁、弯弯曲曲梁梁、U形形条条耗耗能能器器等等金金属属阻阻尼尼器器。随随后后，其其他他学学者者又又相相继继提提出出许许多多形形式式各异的金属屈服阻尼器，比较典型的有各异的金属屈服阻尼器，比较典
21、型的有x形板和三角形板阻尼器。形板和三角形板阻尼器。 耗能元件耗能元件摩擦阻尼器摩擦阻尼器 摩摩擦擦阻阻尼尼器器由由受受有有预预紧紧力力的的金金属属或或其其他他固固体体元元件件构构成成，这这些些元元件件之之间间能能够够相相互互滑滑动动并并且且产产生生摩摩擦擦力力，其减震机理是通过摩擦耗能耗散结构的振动能量其减震机理是通过摩擦耗能耗散结构的振动能量。 摩摩擦擦阻阻尼尼器器的的发发展展始始于于20世世纪纪70年年代代后后期期，目目前前国国内内外外学学者者已已陆陆续续研研制制开开发发了了多多种种摩摩擦擦阻阻尼尼器器，如如Pall摩摩擦擦阻阻尼尼器器、筒筒式式滑滑块块摩摩擦擦阻阻尼尼器器、钢钢丝丝绳绳
22、摩摩擦擦阻阻尼尼器器、摩摩擦擦滑滑动动螺螺栓栓节节点点及及摩摩擦擦剪剪切切饺饺阻阻尼尼器器等等。摩摩擦擦阻阻尼尼器器一一般般安安装装在在结结构构支支撑撑上上，形形成成摩摩擦擦耗能支撑。耗能支撑。耗能元件耗能元件摩擦阻尼器摩擦阻尼器 由由Pall和和Marsh提提出出的的十十字字形形双双向向摩摩擦擦阻阻尼尼器器，它它是是靠靠滑滑动动而而改改变变形形状状的的机机构构。机机构构带带有有摩摩擦擦制制动动板板，机机构构的的滑滑移移受受板板间间摩摩擦擦力力控控制制，而而摩摩擦擦力力取取决决于于板板间间的的挤挤压压力力，可可以以通通过过松松紧紧节节点点板板的的高高强强螺螺栓栓来来调调节节。该该装装置置按按正
23、正常常使使用用荷荷载载及及小小震震作作用用下下不不发发生生滑滑动动设设计计，而而在在强强烈烈地地震震作作用用下下，在在主主要要结结构构构构件件尚尚未未发发生生屈屈服服时时，装装置置即即产产生生滑滑移移以以摩摩擦擦功功耗耗散散地地震震能能量量，并并改改变变了了结结构构的的自自振振频频率率，从从而而使使结结构构在在强强震震中中改改变变动力特性，达到减震目的。动力特性，达到减震目的。耗能元件耗能元件铅挤压阻尼器铅挤压阻尼器 铅铅挤挤压压阻阻尼尼器器由由外外筒筒、可可动动轴轴和和铅铅组组成成，这这种种阻阻尼尼器器由由新新西西兰兰的的Robinson等等首首先先提提出出，由由于于铅铅是是一一种种结结晶晶
24、金金属属，当当发发生生塑塑性性变变形形时时，其其晶晶格格被被拉拉长长并并错错动动、此此时时一一部部分分能能量量将将转转化化为为热热能能，另另一一部部分分能能量量为为促促进进再再结结晶晶而而消消耗耗，使使金金属属返返回回非非变变状状态态。结结晶晶易易在在常常温温下下进进行行，所所耗耗时时间间极极短短且且无无疲疲劳劳现现象象，具具备备稳稳定定的的耗耗能能能能力力。当当结结构构变变位位使使外外壁壁筒筒与与可可动动轴轴发发生生相相对对位位移移时时，铅发生塑性流动，起到耗能阻尼的作用。铅发生塑性流动，起到耗能阻尼的作用。耗能元件耗能元件粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器 粘粘弹弹性性阻阻尼尼器器由由粘粘弹弹性性材
25、材料料和和约约束束钢钢板板组组成成，典典型型的的粘粘弹弹性性阻阻尼尼器器由由两两个个T形形约约束束钢钢板板夹夹一一块块矩矩形形钢钢板板组组成成，T形形约约束束钢钢板板与与中中间间钢钢板板之之间间夹夹有有一一层层粘粘弹弹性性阻阻尼尼材材料料(通通常常用用有有机机硅硅或或其其他他高高分分子子材材料料)。在在反反复复轴轴向向力力作作用用下下，约约束束T形形钢钢板板与与中中间间钢钢板板产产生生相相对对运运动动，使使粘粘弹弹性性材材料料产产生生往往复复剪剪切切滞滞回回变形，以吸收和耗散能量。变形，以吸收和耗散能量。耗能元件耗能元件粘滞阻尼器粘滞阻尼器 粘粘滞滞阻阻尼尼器器一一般般由由缸缸体体、活活塞塞和
26、和粘粘性性液液体体所所组组成成，如如图图下下图图所所示示。缸缸体体简简内内装装有有粘粘性性液液体体，液液体体常常为为硅硅油油或或其其他他粘粘性性流流体体，活活塞塞上上开开有有小小孔孔。当当活活塞塞在在缸缸体体简简内内做做往往复复运运动动时时，液液体体从从活活塞塞上上的的小小孔孔通通过过，对对活活塞塞和和缸缸体体的的相相对对运运动动产产生生阻阻尼尼，从从而而消消耗耗振振动动能能量量。粘粘性性阻阻尼尼器为速度相关型耗能器。器为速度相关型耗能器。调谐减震控制体系调谐减震控制体系 调调谐谐减减震震控控制制体体系系，由由结结构构和和附附加加在在主主结结构构上上的的子子结结构构组组成成。附附加加的的子子结
27、结构构具具有有质质量量、刚刚度度和和阻阻尼尼，因因而而可可以以调调整整子子结结构构的的自自振振频频率率，使使其其尽尽量量接接近近主主结结构构的的基基本本频频率率或或激激振振频频率率。这这样样，当当主主结结构构受受激激励励而而振振动动时时，子子结结构构就就会会产产生生一一个个与与结结构构振振动动方方向向相相反反的的惯惯性性力力作作用用在在主主结结构构上上，使使主主结结构构的的振振动动反反应应衰衰减减并并受受到到控控制制。由由于于这这种种减减震震控控制制不不是是通通过过提提供供外外部部能能量量，只只是是通通过过调调整整结结构构的的频频率率特特性性来来实实现现的的，故故称称为为“被被动动调调谐谐减减
28、震震控控制制”。由由于于它它是是利利用用调调整整结结构构的的动动力力特特性性来来消消减减结结构构的的振振动动反反应应，故故也也称称为为“动动力力消消震震”。目目前前常常用用的的被被动动调调谐谐减减震震控控制制装装置置有有调调谐谐质质量量阻尼器阻尼器和和调谐液体阻尼器调谐液体阻尼器。调谐质量阻尼器（调谐质量阻尼器（TMD） 调调谐谐质质量量阻阻尼尼器器(TMD)为为一一附附属属于于结结构构的的振振动动系系统统，由由质质量量块块、弹弹簧簧和和阻阻尼尼器器组组成成，如如下下图图所所示示。它它对对结结构构进进行行减减震震控控制制的的机机理理是是：将将结结构构振振动动的的部部分分能能量量吸吸收收到到自自
29、己己身身上上，转转化化成成自自身身的的动动能能和和阻阻尼尼耗耗能能，从从而而达达到到减减小小结结构构反反应应的的目目的的。采采用用TMD减减震震时时，一一般般将将TMD的的频频率率调调整整到到结结构构的的振振动动频频率率附附近近，当当结结构构在在外外激激励励下下发发生生振振动动时时，引引发发TMD的的共共振振，而而TMD质质量量块块的的振振动动惯惯性性对对原原结结构构产产生生反反方方向向的的作作用用力力，其其阻阻尼尼也也发发挥挥耗耗能能作作用用，从从而而使使原原结结构构的的振振动动响响应应明明显显降降低低。TMD是是目目前前应应用用较较为为成成熟熟的的一一种种阻阻尼尼器器，TMD的的减减震震效效果果主主要要取取决决于于主主次次结结构构的质量比、频率比和阻尼比。的质量比、频率比和阻尼比。调谐液体阻尼器（调谐液体阻尼器（TLD） 调调谐谐液液体体阻阻尼尼器器是是利利用用容容器器中中液液体体的的晃晃动动而而减减震震的的子子结结构构振振动动系系统统，它它一一般般固固定定在在结结构构上上的的某某一一部部位位，结结构构振振动动时时带带动动阻阻尼尼器器中中的的液液体体晃晃动动，通通过过结结构构与与阻阻尼器之间的相互作用实现减震作用。尼器之间的相互作用实现减震作用。
