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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 导入案例导入案例 北北京京故故宫宫博博物物院院是是明明成成祖祖永永乐乐帝帝从从1406年年起起历历时时14年年建建造造的的一一座座皇皇城城，城城内内数数百百个个大大小小不不同同的的建建筑筑物物排排列列成成一一个个巨巨大大的的建建筑筑群群。这这座座现现存存的的中中世世纪纪木木结结构构建建筑筑群群虽虽然然在在地地震震区区内内，但但受受到到的的地地震震灾灾害害却却很很少少。为为什什么么呢呢？在在1975年年开开始始的的故故宫宫设设备备配配
2、管管工工程程中中，从从中中枢枢部部位位地地下下5-6m处处挖挖掘掘出出略略带带粘粘性性的的物物质质，检检查查结结果果是是一一层层煮煮过过的的糯糯米拌石灰米拌石灰。 故故宫宫的的主主要要建建筑筑都都建建在在大大理理石石高高台台之之上上，下下面面有有这这样样一一层层柔柔软软的的糯糯米米层层，就就能能够够在在一一定定程程度度上上把把建建筑筑物物与与地地震震隔离开来，使建筑物免遭震害。隔离开来，使建筑物免遭震害。8.18.1概概 述述 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
3、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“延性结构体系延性结构体系”是适宜的，对抗震是有利的。刚性结构刚性结构柔性结构柔性结构延性结构延性结构 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），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调谐质量
4、阻尼器” TMD （Tuned Mass Damper）调谐液体阻尼器调谐液体阻尼器”TLD（Tuned Liquid Damper） 作动器拖动附加质量阻作动器拖动附加质量阻尼器尼器AMD (Active Mass Damper) TMD被动控制体系被动控制体系 AMD主动控制体系主动控制体系 隔震结构体系隔震结构体系消能减震体系消能减震体系 8.2 结构隔震设计原理及方法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设计原理 结结构构隔隔震震是是工工程程结结构构减减震震控控制制技技术术之之一一。结结构构隔隔震震设设计计的的基基本本思思想想是是在在结结构构的的底底部部设设置置隔隔
5、震震层层，使使之之与与上上部部结结构构分分离离开开，从从而而限限制地震动向结构的传递制地震动向结构的传递 位移反应ABCT0T1周期（s）小阻尼大阻尼加速度反应ABCT0T1周期（s）小阻尼大阻尼隔震前结构周期隔震前结构周期隔震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、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。宿舍楼、剧院、旅馆、大商场等。(2)地震区的生命线工程，例如地震区的生命线工程，例如:医院、急救中心、指挥中医院、急救中心、指挥中 心、水厂、电厂、粮食加工厂、通信
6、中心、交通枢纽、心、水厂、电厂、粮食加工厂、通信中心、交通枢纽、 机场等。机场等。(3)地震区的重要建筑结构物，例如地震区的重要建筑结构物，例如:重要历史性建筑、博重要历史性建筑、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。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。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
7、结构物。桥梁、架空输水渠、雷达站、天文台等重要结构物。8.2.2常用隔震方法常用隔震方法 1.橡胶垫隔震橡胶垫隔震 夹层橡胶垫是最常见的隔震装置，基本构造如图夹层橡胶垫是最常见的隔震装置，基本构造如图8.12所示，由所示，由薄橡胶片与钢板分层交替叠合，经高温硫化粘结而成。薄钢板可限薄橡胶片与钢板分层交替叠合，经高温硫化粘结而成。薄钢板可限制橡胶片的横向变形，但对橡胶片的剪切变形影响很小，因此，支制橡胶片的横向变形，但对橡胶片的剪切变形影响很小，因此，支座的竖向刚度很大，而水平刚度却很小。座的竖向刚度很大，而水平刚度却很小。 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
8、尼增大阻尼2.滑移隔震滑移隔震 这种隔震方法是在房屋基础顶面设置滑移层。风载或这种隔震方法是在房屋基础顶面设置滑移层。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墨、砂料、涂层垫层及聚四氟乙烯等 3.滚珠及
9、滚轴隔震滚珠及滚轴隔震 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。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
10、隔开，具有明显的隔震效果全部隔开，具有明显的隔震效果8.2.3 基础隔震结构设计基础隔震结构设计建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范对隔震设计提出了对隔震设计提出了分部设计法分部设计法和和水平减震系水平减震系数数的概念。分部设计方法是把整个基础隔震结构体系分成的概念。分部设计方法是把整个基础隔震结构体系分成上部结构上部结构(隔震层以上结构隔震层以上结构)、隔震层隔震层、隔震层以下结构隔震层以下结构和和基础基础四部分，分别四部分，分别进行设计。进行设计。 水平减震系数水平减震系数表表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
11、水平向减震系数水平向减震系数 0.45 0.45设防烈度设防烈度(设计基本加速度设计基本加速度)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)7 (0.10g) 7(0.10g) 6(0.05g)8.2.3 基础隔震结构设计基础隔震结构设计1.动力分析模型动力分析模型 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
12、，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mnmn-1m2m1khzeq图8.16隔震结构 计算简图8.2.3 基础隔震结构设计基础隔震结构设计水减震系数水减震系数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 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。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所示的剪切型结构所示的剪切型结构模型。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，
13、但应对反应谱曲线的水平地震影响系数最大值进可采用矩形分布，但应对反应谱曲线的水平地震影响系数最大值进行折减，即乘以行折减，即乘以“水平向减震系数水平向减震系数”。3.隔震层的设计与计算隔震层的设计与计算(1)设计要求设计要求 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的规定，且在罕遇地震作用下 不宜出现拉应力
14、。不宜出现拉应力。8.2.3 基础隔震结构设计基础隔震结构设计 (3) 隔震支座在罕遇地震作用下的水平位移验算。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，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期相当的结构，可按简化式计算。对砌体结构及与其基本周期相当的结构，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，震
15、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，应釆用罕遇地震下应釆用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩水平力和力矩进行计算。进行计算。5.竖向地震作用的计算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由于目前的橡胶隔震支座对竖向地震几乎没有减震效果几乎没有减震效果，因此，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。震层设计中考虑这一因素。8.2.4 隔震结构构造要求隔震结构构造要求 (1) 隔震层隔震层应提供必要的竖向承载力、侧向刚度和阻尼；穿
16、过隔震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。震层的罕遇地震水平位移。 (2)隔震层以上结构隔震层以上结构的隔震措施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
17、小于250mm等。 8.3 8.3 消能减震设计原理及方法消能减震设计原理及方法8.3.1 消能减震原理消能减震原理 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。装有消能装置的结构称为消能减震结构。传统抗震结构传统抗震结构 消能减震结构消能减震结构 8.3.2 消能减震方法消能减震方法1.阻尼器消能减震阻尼器消能减震 阻尼器通常安装在支撑处、框架与剪力墙的连接处、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梁柱连接处以及上部结构与基础连
18、接处等有相对变形或相对位移的地方。对位移的地方。粘弹性材料钢板1钢板2摩擦阻尼器摩擦阻尼器 金属屈服型阻尼器金属屈服型阻尼器 粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器滞回曲线滞回曲线粘滞阻尼器粘滞阻尼器滞回曲线滞回曲线2.消能部件消能部件 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。式构成消能部件。消能交叉支撑消能交叉支撑 摩擦消能支撑摩擦消能支撑 消能偏心支撑消能偏心支撑消能隅撑消能隅撑 3.消能墙减震消能墙减震消能墙实质上是将阻尼器或消能材料用
19、于墙体所形成的消能构件或消能子结构。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
20、的振动反应，从而保护结构以及结构内部的设备、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。 本章小结本章小结本本章章主主要要介介绍绍了了基基础础隔隔震震、消消能能减减震震体体系系的的减减震震机机理理、工工作作特特性性和和适适用用范范围围，基基础础隔隔震震设设计计的的水水平平向向减减震震系系数数确确定定方方法法和和构构造造措措施施，还还介介绍绍了了消消能减震结构的设计要点和设计步骤。能减震结构的设计要点和设计步骤。
