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1、隔震结构设计指南隔震结构设计指南隔震结构概述隔震结构概述一、一、 隔震结构的原理隔震结构的原理 隔震结构是一种将房屋部分作为上部结构、隔震层及地基作为下部结构的二重结构; 隔震层由叠层橡胶隔震支座和阻尼器构成; 叠层橡胶隔震支座构成了一个柔软的水平弹簧，阻尼器能够吸收所有地震输入的能量; 上部结构的刚度比隔震层大很多，整个隔震结构形成了单质点振动系统 。下图为隔震结构的模型图 由模型图可知,建筑物利用隔震器支承竖向荷载,利用阻尼器支承水平荷载。当地震动作用时,建筑物受到的最大水平力是我们所关注的。在以建筑物的自振周期为横轴,最大水平力为竖轴的坐标系中绘出该点,改变周期,同样可以得到一个点,这样
2、进行下去,再 选 择 不 同 的 地 震 动 , 就 可 以 得 到 下 图 。二、隔震结构的优越性 当遭遇大地震时,隔震结构可以减小上部结构的地震作用力、楼面的反应加速度和上部结构的层间变形。与传统结构相比,隔震结构具有以下的优越性:提高了地震时结构的安全性;设计自由度增大;防止内部物品的振动、移动、翻倒(防止次生灾害);防止非结构构件的破损;抑制了振动时不适感(提高了安定感和居住性);可以保持机械、器具的功能。 因此,隔震结构适用于医院、广播、学校等震后恢复中心的建筑物,也适用于博物馆、计算机中心等内部财产价值很高的建筑物,以及建筑物本身价值很高的历史建筑物,对其他用途的建筑物也同样可以发
3、挥很好效果。 上图为隔震建筑和传统结构在遭遇地震时的比较效果图,隔震结构的优越性由此可见一斑。三、隔震结构的设计思路序言对隔震建筑进行抗震设计总的原则是尽可能减小上部结构的地震作用，并将隔震支座的变形控制在允许极限范围内。 一般而言，传统建筑抗震设计使建筑增加了对地震作用的抵抗能力，但在隔震建筑中，地震以外的荷载决定着整个设计。 从这个意义上来说，对隔震建筑必须更加慎重地设计地震以外的荷载，并且要确保施工的精度。原则上由设计者决定设计地震动输入的大小,且应充分考虑建筑物的重要性以及社会要求等因素。 下面给出隔震结构的设计流程: 以下为隔震结构初步设计阶段所应考虑的项目,对隔震结构基本方案非常重
4、要。 软弱地基上的隔震建筑 在软弱场地上的建筑物,无论采用隔震与否,地震输入能量都会很大。设计人员在确定适当地震输入的基础上,对隔震构件的变形能力、能量吸收能力、上部结构的承载力水平等都应有一定的富余。 隔震结构与上下震动 一般来说,设计中很少验算上下地震动产生的作用。这是因为与结构物的自重(即长期荷载)相比,地震产生的上下惯性力较小,由上下地震动引起的地震损坏几乎未见。 隔震层的位置 隔震层的位置如上页图所示,分为设置在建筑物最下层的基础隔震和设置在建筑物中间层的中间层隔震。按与距地面位置的关系,分为(a)(b)4种类型。在应用时要根据建筑物的用途、性能、造价等进行综合判断确定合适的隔震层位
5、置。 下图所示的是人工隔震地基: 人工隔震地基,是将隔震构件应用于较大范围若干栋中低层住宅的底下部分,其空间可作为设备用房、停车场和公共管沟,这样可有效利用城市空间。如果一栋建筑物的重量非常小时,可以通过地下结构,使若干栋建筑物共用一个隔震结构,提高隔震效果。 上部结构的类型与水平刚度 降低隔震层水平刚度的结构方案 多层橡胶层不产生拉力的结构方案 净空间距 隔震构件的配置 隔震构件的置换 传统抗震结构分析中的不确定因素，对隔震结构来说明显减少了。但影响设计隔震建筑的参数还是很多，所以应该充分考虑到这些参数的变动范围，从多个角度研究隔震建筑在地震中的状态。四、橡胶支座的构造和特征 隔震器是指将建
6、筑物与地基隔离的装置和机构。它必须具有能承受建筑物重量的强度和刚度,而在水平方向则具有充分的柔度。多层橡胶可以满足上述工程上所要求隔震器的性能,且经济上也是可行的。 下图所示为多层橡胶隔震器,它是由橡胶胶片与钢板交错叠放数层而成。 橡胶支座的基本构造如下图所示,由橡胶胶片与钢板相互交错叠置数层,上下有翼缘。平面形状多采用圆形,因为圆形与方向无关。叠层橡胶支座的构造要求如下: 设置铅芯或粘性材料芯或采用高阻尼的橡胶材料,使夹层 橡胶垫具有足够的阻尼比; 夹层钢板(厚ts)和橡胶层(厚tr)紧密粘结,以确保钢板 对橡胶的变形约束,使橡胶具有较高的竖向受压承载力 和一定的抗拉能力,较大的水平变形能力
7、和耐反复荷载 疲劳的能力; 设置侧向保护层,使橡胶垫具有更高的耐老化特性(耐 高低温老化,耐臭氧老化)、耐水性、耐酸碱腐蚀、耐 火性能等; 有可靠的上下连接板,使橡胶垫与上下结构(构件)可靠 联接。叠层橡胶支座的特征: 因为橡胶的弹性模量很小，近似具有非压缩性，把橡胶做成薄层，用钢板来约束轴向压力产生的横向膨胀，则轴向的变形变小，并且会产生很强的抗压能力。 叠层橡胶支座若受到水平方向的作用力，会根据自身的弹性模量变形（表面上的剪切变形）。这样就形成了一种轴向坚固，水平柔软的支座。 下图为多层橡胶的结构特征,比较了采用中间钢板加强和无加强的多层橡胶的压缩特性和剪切特性。 五、橡胶支座的力学性能评
8、价 目前有关性能评价方法仍没有确立，因此需要根据使用的橡胶支座产品和设计条件来确定相应的检查方法。不应是单纯确认100%剪切应变时的水平刚度和竖向刚度，而是应该从确认产品的质量这一观点出发来计划试验的内容。对橡胶支座抽样进行界限性能试验，确保橡胶支座质量的稳定性也是非常重要的。 橡胶支座的承载机构 下图为多层橡胶5007-14的三维有限元分析得到的 剪应变为300%时的主压应力分布。 根据这一分析结果,表示叠层橡胶支座的应力分布和其内部压力状态的受荷机构示意图如下所示: 叠层橡胶支座的反力分布 下面分别讨论天然、高阻尼和铅芯橡胶系列叠层橡胶支座的水平特性以及叠层橡胶支座的竖向特性和耐久性： 天
9、然橡胶系列叠层橡胶支座的水平特性 影响橡胶支座压缩剪切性能的主要因素有压应力、剪 切变形量、加载频率、温度、反复循环次数等。天然 橡胶支座与剪切变形量和频率的相关性较小，在此只 对压应力相关性和极限特性加以说明。 压缩剪切试验的滞回特性（5003.7526） 左图表示不同压应力下的压缩剪切试验测到的水平荷载水平位移的关系、以及竖向沉降量水平位移的关系。 下图是根据滞回曲线得到的水平刚度与压应力的关系。 橡胶支座的形状如下表记：直径（中心孔直径） 单层橡胶厚度橡胶层数，单位为mm。 天然橡胶支座水平刚度的压应力相关性 以上讨论的是支座的基本特性,下面讨论其极限特性。下图分别是破坏试验荷载变形的关
10、系和试件在受压时的剪切变形状态: 压缩破坏试验(500-714)500-3.7526试验体 压缩破坏试验情形(500-3.7526试验体) 高阻尼橡胶系列叠层橡胶支座的水平特性 概要 高阻尼橡胶系列叠层橡胶支座在混合了天然橡胶和合 成橡胶的橡胶聚合体中加入了填充剂、补强剂、可塑 剂、硫化剂等配合剂，除了具有隔震支座的水平和竖 向弹簧功能之外，还具有阻尼功能。因此，高阻尼橡 胶支座在设计上的主要力学性能是刚度和阻尼特性。 滞回特性和剪切应变相关性初期加载时的滞回特性 经历大变形后的滞回特性 上页左图表示的是高阻尼橡胶支座压缩剪切试验的滞回曲线。各剪切应变水平(以下用计)重复加载3次，图中表示的是
11、第3循环的情况。 上页右图中表示了经历了一次=250%的变形后，再次进行=300%的加载试验的结果。从图中可以看出，经历过大变形后，小变形时的滞回曲线包容在所经历的最大变形的滞回环中，称为经历应变相关性。 为了用滞回环描绘高阻尼橡胶支座的荷载变形关系，刚度采用变形量除以各应变水平最大变形时的荷载得出的等效刚度来评价，阻尼采用应变能量W除以滞回环的面积（吸收能量W）所得出的等效阻尼比来评价。如下页图所示: 高阻尼橡胶支座特性的评价方法 其他的各种相关性 除了剪切应变以外，对水平方向力学特性有较大影响 的因素还有压应力、第1形状系数S1和第2形状系数S2。 高阻尼橡胶支座的等效剪切弹性模量以及等效
12、阻尼比和压应力有关，压应力越高，等效刚度越小，等效阻尼比越大。相关的程度因橡胶的材料特性以及橡胶支座的第1形状系数S1、第2形状系数S2的不同而存在差异，S1、S2越大，相关程度越小。 从下图可以看出压应力对滞回特性的影响程度。滞回特性与压应力的相关性 铅芯橡胶支座的水平特性 评价支座特性时采用下图中所示的屈服后刚Kd，等效 刚度Ke的弹簧要素、屈服荷载Qd和等效阻尼Heq的阻 尼要素来表示各种相关性。 铅芯橡胶支座的特性评价 滞回特性 如下左图表示铅芯橡胶支座在压应力为10N/mm2时， 在剪切应变达到250%之前都表现出稳定的双线性恢复 力特性。 右图表示压应力为30 N/mm2时的情况。
13、滞回曲线(压应力10 N/mm2 ) 滞回曲线(压应力30 N/ mm2 ) 叠层橡胶支座的竖向特性和耐久性 (1) 竖向特性 a) 压缩特性 左图显示了压应力为300 kg/cm2 29.4MPa的压缩试 验的滞回特性，右图为动力压缩破坏试验。 压缩试验的滞回特性 压缩破坏试验（500714试件）b）拉伸特性 左下图显示的是对天然橡胶支座500-3.7526施加200%的剪切变形后，在该状态下进行单调拉伸加载时的滞回特性。 右下图显示的是天然橡胶支座的拉伸变形状态。 天然橡胶支座拉伸特性 天然橡胶支座的拉伸变形状态 （2）叠层橡胶支座的耐久性和耐火性 叠层橡胶支座通常在受光和热影响较小的环境
14、中 使用，因此特别要注意的是橡胶的氧化反应和徐 变。下图是叠层橡胶支座的徐变试验结果。 通过试验和研究结果可知，叠层橡胶作为结构构件，其耐久性完全满足要求。 叠层橡胶支座的耐火性能方面因为橡胶具有可燃性，因而要加耐火保护层。有了耐火保护层，就可以把橡胶的上升温度控制在不会引起橡胶性能变化的范围之内。 六、阻尼器的种类和性能评价1、分类 与隔震支座组合使用的阻尼器，从工作原理方面可以 分为以下几类： 滞回衰减型：钢棒阻尼器，铅阻尼器，摩擦阻尼器 等，主要利用变形滞回消耗能量。 粘性衰减型：粘弹性阻尼器，油阻尼器等，主要利 用与速度有关的粘性体的抵抗作用。2、工作机理 滞回衰减型利用钢材或铅的塑性
15、变形，可以通过比较 简单的机构来获取必要的阻尼力。恢复力特性根据材 料的特性而变化，使用软钢阻尼器的滞回形态呈平滑 的钫锤型。摩擦阻尼器是利用圆形弹簧等，在接触摩擦面施加一定的作用力，一边支持着建筑物的荷载，一边通过摩擦吸收能量（例如弹性滑动支承）。它们的恢复力特性与完全刚塑性型相近。这类阻尼器摩擦面的耐久性和摩擦力（摩擦系数）的相关性必须要加以注意。3、下面介绍各种阻尼器的构造特征和恢复力特性。U180型铅阻尼器的形状（单位mm） U180型铅阻尼器（1）铅阻尼器铅阻尼器的恢复力特性（2）环状钢棒阻尼器 环状钢棒阻尼器钢材阻尼器的恢复力特性（3）摩擦阻尼器摩擦阻尼器（4）油阻尼器油阻尼器的构
16、造油阻尼器油阻尼器的恢复力特性（5）粘滞阻尼器粘滞阻尼器粘滞阻尼器的机构粘滞阻尼器的恢复力特性（6）滑动阻尼器滑动阻尼隔震装置滑动阻尼隔震装置的滞回曲线4、阻尼器的性能评价（）能量吸收性能（反复循环稳定性） 在静力加载、动力加载及偏心加载等各种条件下，进行了原型和缩小模型试件的各种试验。下图所示为能量吸收量和累积塑性变形量的关系图。 能量吸收量和累积塑性变形量的关系图（）变形性能（大变形追随性） 为调查阻尼器的大变形追随性能，进行了静力大变形试验和偏心动力实验。由静力大变形试验得到的滞回曲线如下图所示。 静力大变形试验的荷载变形关系 （P方向加振） 静力大变形试验的荷载变形关系 （O方向加振）
17、 （） 屈服力 动力分析模型通常使用与变形速度和振幅无关的双向型模型。但是为了正确把握中小地震时建筑物的位移反应量和加速度反应，有必要参照地震等级大小把屈服力减小。（） 耐久性 根据选用的阻尼器的种类不同，其耐久性也有差异。但是，阻尼器所选用的材料其化学性质都比较稳定，所以，在正常的使用条件下，阻尼器在耐久性方面不存在问题。（） 温度相关性 除了前面所说的速度相关性和振幅相关性，阻尼器的屈服力还有少许温度相关性。但是，根据阻尼器种类的不同，温度相关性也有很大的差异。比如粘弹性体和粘性体的粘性抵抗的阻尼器其温度相关性很大，而铅阻尼器的温度相关性就不是很大。 七、七、 输入地震动和能量谱输入地震动
18、和能量谱输入地震动输入地震动 (概述）设计建筑结构物时，一般需假定对建设地点产生很大影响、且在不久的将来有可能发生地震，针对因此而引起的地震动进行建筑物的安全性评价。另一方面建筑物不仅应具备安全性，还应具备关系到结构自身或内部财产的安全性、使用性，（功能性居住性）等多方面的性能。因此，设计输入地震动时必须结合这些性能，不能只考虑最大级地震动，而应考虑幅值和其发生频率等内容，即对应于结构物的安全性修复性使用性等，考虑地震动强度（幅值）的发生频率（再现期限）来设定设计目标。 一般认为水平向地震动对结构物的安全性和修复性的影响较大，大地震时隔震结构与普通建筑相比，水平方向的加速度反应会大幅减少，因此
19、上述性能有显著的提高。由于竖向地震动的地震输入与普通建筑相同，因此必须要加以留意。u结合场地情况选用常用的分析用地震动记录结合场地情况选用常用的分析用地震动记录 进行建筑结构的动力反应分析时，在结构物的振动模型中输入地震动波形来计算出结构的反应。输入地震动波形可利用计算出的模拟地震波或真实地震波记录等，多数采用的真实地震波如下： 1）1940年Imperial Valley地震时的EL Centro记录2）1952年Kern County地震时的Taft记录3）1968年十胜冲地震时的八户记录 最近有：4）1995年兵库县南部地震时神户海洋气象台的记录 也被采用。 这些记录的特性受地震特性、安
20、放测量仪器的场地和基础条件、观测仪器的特性等影响。因此，利用这些记录时，最好事先了解各记录是在什么条件下观测到的。 u地震动与地基模型的相关性地震动与地基模型的相关性序序1995年日本兵库县南部地震时在受害严重地区观测到非常大的地震动，给许多从事抗震工程学相关工作的人带来了很大的冲击。结果使在对重要结构进行抗震设计时，要考虑震源附近的地震动认识得到了加深。于是，震源附近的地震动强度会达到何种程度就成为被关注的问题。 震源附近的最大加速度、最大速度 通过对国内外多次记录到的强地震动数据进行分析, 得出结论如下: 最大加速度几乎不受地震规模的影响,而最大速度是随地震规模而变化的。下面的图形是记录的震源附近的最大加速度和速度: 震源附近观测到的 震源附近观测到的 水平最大加速度 水平最大速度 水平地震动和竖向地震动的强度比较 根据地震受害者的亲身体验以及数据分析可以得出: 水平地震动的大小平均是竖向地震动的2倍左右,这与人们的传统认识有很大的差别,即地
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