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1、 隔震与消能减震设计简介隔震与消能减震设计简介抗震结构抗震结构一一. .抗震结构抗震结构 利用结构各构件的承载力和变形能力抵御地震作用，利用结构各构件的承载力和变形能力抵御地震作用，吸收地震能量。吸收地震能量。隔震结构隔震结构消能减震结构消能减震结构 立足于立足于“抗抗”。二二. .隔震结构隔震结构 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。震能量向上传递。 立足于立足于“隔隔”。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）隔震系统的柔性层使结构的振动周期
2、）隔震系统的柔性层使结构的振动周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。）增大了结构体系的阻尼。 基础隔震技术和层间隔震技术是建筑结构基础隔震技术和层间隔震技术是建筑结构减震防灾的有效手段。减震防灾的有效手段。 为达到明显减震效果，通常基础隔震系统需具备以下四种特性：为达到明显减震效果，通常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以支撑上部结构的重量；承载特性：具有足够的竖向强度和刚度以支撑上部结构的重量；(2)(2)隔震特性：具有足够的水平初始刚度，在风载和小震作用下，体系能保持隔震特性：具有足够的水平初始
3、刚度，在风载和小震作用下，体系能保持 在弹性范围内，满足正常使用的要求，而中强地震时，其水平在弹性范围内，满足正常使用的要求，而中强地震时，其水平 刚度较小，结构为柔性隔震结构体系；刚度较小，结构为柔性隔震结构体系；(3)(3)复位特性：地震后，上部结构能回复到初始状态，满足正常的使用要求。复位特性：地震后，上部结构能回复到初始状态，满足正常的使用要求。(4)(4)耗能特性：隔震系统本身具有较大的阻尼，地震时能耗散足够的能量，从耗能特性：隔震系统本身具有较大的阻尼，地震时能耗散足够的能量，从 而降低上部结构所吸收的地震能量。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 基础隔震的概
4、念早在基础隔震的概念早在1919世纪已有人提过，广义的隔震方案则更是世纪已有人提过，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基础隔震理论和实践开始于上世纪7070年代，基础隔震方案很多，下面年代，基础隔震方案很多，下面作简单介绍作简单介绍1.早期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“地震时地震时不受大震动的结构不受大震动的结构”。其隔震思路是在。其隔震思路是在地基上并排铺设了数层圆木，并且把建地基上并排铺
6、ry building) 柔性层结构隔震概念由Martel在1929年提出，由Green(1935年)和Jacobasen(1938年)进一步加以研究与完善；下图是真岛健三郎于1934年的柔性层结构。地震时，柔性层进入塑性，结构的刚度变小，结构的基本周期延长，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多种滚动支撑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，但由于其隔震是
7、有向性的类隔震系统，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，这些类型的隔震系统均未能推广应用。，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。 2.最新隔震技术隔震橡胶支座隔震橡胶支座( (The laminated rThe laminated rubber bearing) )隔震系统。隔震系统。 南加州大学医院南加州大学医院( (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
8、加速度只，而顶层加速度只有有0.21g, 加速度折减系数为加速度折减系数为1.8。而抗震结构橄榄景医院。而抗震结构橄榄景医院(The Olive View Hospital)的底层加速度为的底层加速度为 0.82g，而顶层加速度为，而顶层加速度为2.31g, 加速度放大系数为加速度放大系数为2.8，由此可见橡胶支座隔震系统的优越性。，由此可见橡胶支座隔震系统的优越性。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（橄榄景医院（抗震结构）抗震结构） 19941994年年1 1月月1717日，美国圣菲尔南多发生洛杉矶地震，震级日，美国圣菲尔南多发生洛杉矶地震，震级M=6.7M=
9、6.7，直下，直下型地震，死亡型地震，死亡5656人，伤人，伤73007300人，损失很大。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。震中附近有两座医院，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：3300033000平方米；占地：平方米；占地：41004100平米；平米；最高高度：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其后的余震中，中南加州大学医院在这次地震及
10、其其后的余震中，6-86-8英尺高的花瓶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。持，成为防灾中心，起到十分重要的作用。橄榄景医院（橄榄景医院（抗震结构）抗震结构） 橄榄景医院在橄榄景医院在19711971年圣费尔年圣费尔南多地震中受到较大损害，南多地震中受到较大损害，1010年年后重建，并增加了抗震强度。后重建，并增加了抗震强度。 在此次地震中，剪力墙产生在此次地震中，剪力墙产生剪切裂缝，设备机器、医疗机械剪切裂缝，设备机器、医疗机械及家具等翻倒，病历等资料掉下
11、、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，散乱。而且水管破裂，各层浸水，建筑物不能使用，完全丧失了医建筑物不能使用，完全丧失了医院的功能。院的功能。 一九九四年九月十六日，台湾海峡发生了一九九四年九月十六日，台湾海峡发生了7.3级地震，震源距离级地震，震源距离汕头市约汕头市约200公里，汕头市烈度为公里，汕头市烈度为6度，各类房屋摇晃厉害，居民惊度，各类房屋摇晃厉害，居民惊惶失措，水桶里的水溅出了惶失措，水桶里的水溅出了1/3左右左右而陵海路隔震楼上的人并没而陵海路隔震楼上的人并没有感到晃动，听到毗邻楼房和邻街喧闹声后下楼才知道发生了地震。有感到晃动，听到毗邻楼房和邻街喧闹
12、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 一九九五年一月十七日发生了日本阪神大地震。震级一九九五年一月十七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记录。从这在这次地震中，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震效果，证实了隔震结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。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，是日本最大层，是日本最大的隔震建筑。该建筑距震源东北
13、的隔震建筑。该建筑距震源东北35公里，在基础、公里，在基础、l层和层和6层进行了地层进行了地震记录观测。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，高阻尼橡胶隔震橡胶支座包括天然夹层橡胶支座、铅芯橡胶支座，高阻尼橡胶支座等支座等 。天然夹层隔震橡胶支座天然夹层隔震橡胶支座 天然夹层橡胶支座构造如图所示。天天然夹层橡胶支座构造如图所示。天然夹层橡胶支座具有较大的竖向刚度，承然夹层橡胶支座具有较大的竖向刚度，承受建筑物的重量时竖向变形小，而水平刚受建筑物的
14、重量时竖向变形小，而水平刚度较小，且线性性能好。由于天然夹层橡度较小，且线性性能好。由于天然夹层橡胶支座的阻尼很小，不具备足够的耗能能胶支座的阻尼很小，不具备足够的耗能能力，所以在结构使用中一般同其它阻尼器力，所以在结构使用中一般同其它阻尼器或耗能设备联合使用。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 芯 隔 震 橡 胶 支 座 由 新 西 兰 的铅 芯 隔 震 橡 胶 支 座 由 新 西 兰 的ROBINSON及其公司最早研制开发，以后及其公司最早研制开发，以后在中国、日本、美国、意大利等国家都得在中国、日本、美国、意大利等国家都得到了较大的发展与应用。到了较大的发展与应用
15、。 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受到广泛欢迎。中受到广泛欢迎。 下图分别是世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建筑下图分别是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座和世界上使用铅芯橡胶支座中基底面积最大的建筑中基底面积最大的建筑(日本日本)。 日本日本19971997年度
16、评定的隔震建筑中，采用铅芯橡胶支座隔震房屋占总年度评定的隔震建筑中，采用铅芯橡胶支座隔震房屋占总数的数的40%40%，美国在，美国在19851985年以后兴建的隔震房屋中，完全或部分采用铅芯年以后兴建的隔震房屋中，完全或部分采用铅芯橡胶支座的隔震房屋占总数的橡胶支座的隔震房屋占总数的60.7%60.7%，我国在已建成的隔震房屋中，完，我国在已建成的隔震房屋中，完全或部分采用铅芯橡胶支座的隔震房屋占总数的全或部分采用铅芯橡胶支座的隔震房屋占总数的60%60%。耗能减震耗能减震 结构耗能减震技术结构耗能减震技术是在结构物某些部位（如支撑、剪力墙、是在结构物某些部位（如支撑、剪力墙、连接缝或连接件）
17、设置耗能（阻尼）装置（或元件），通过该装连接缝或连接件）设置耗能（阻尼）装置（或元件），通过该装置产生摩擦，弯曲（或剪切、扭转）弹塑性（或粘弹性）滞回变置产生摩擦，弯曲（或剪切、扭转）弹塑性（或粘弹性）滞回变形来耗散或吸收地震输入结构的能量，以减小主体结构的地震反形来耗散或吸收地震输入结构的能量，以减小主体结构的地震反应，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。 基本原理基本原理：在消能减震结构体系中，消能：在消能减震结构体系中，消能( (阻尼阻尼) )装置或元件装置或元件在主体结构进入非弹性状态前率先进入耗能工作状态，充分发挥在主体
18、结构进入非弹性状态前率先进入耗能工作状态，充分发挥耗能作用，消耗掉输入结构体系的大量地震能量，使结构本身需耗能作用，消耗掉输入结构体系的大量地震能量，使结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。护了主体结构，使其不再受到损伤或破坏。 由于消能减震结构具有减震机理明确、减震效果显著、安全由于消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、适用范围广等特点，目前已被成功用于工程结可靠、经济合理、适用范围广等特点，目前已被成功用于工程结构的减震控制中。构的减震控制中。
19、耗能元件耗能元件 耗能元件大体上可以分为三类：耗能元件大体上可以分为三类： （1）速度相关型耗能元件速度相关型耗能元件，如线性粘滞或粘弹性阻，如线性粘滞或粘弹性阻尼器；尼器； （2）位移相关型耗能元件位移相关型耗能元件，如金属屈服型或摩擦型，如金属屈服型或摩擦型阻尼器；阻尼器； （3）调谐吸震型耗能元件调谐吸震型耗能元件，如调谐质量阻尼器，如调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)或调谐液体阻尼器或调谐液体阻尼器(Tuned Liquid Damper，TLD)。耗能元件耗能元件金属阻尼器金属阻尼器 金属屈服阻尼器是用软钢或其他软金属材料做成的各种形金属屈服阻尼器是用软钢或
20、其他软金属材料做成的各种形式的阻尼耗能器。式的阻尼耗能器。它对结构进行振动控制的机理是将结构振动它对结构进行振动控制的机理是将结构振动的部分能量通过金属的屈服滞回耗能耗散掉，从而达到减小结的部分能量通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构反应的目的。金属屈服后具有良好的滞回性能，。金属屈服后具有良好的滞回性能，20世纪世纪70年年代初，代初，Kelly等美国学者开始研究利用金属的这种性能来控制结等美国学者开始研究利用金属的这种性能来控制结构的动力反应，并提出了扭转梁、弯曲梁、构的动力反应，并提出了扭转梁、弯曲梁、U形条耗能器等金形条耗能器等金属阻尼器。随后，其他学者又相继提出
21、许多形式各异的金属屈属阻尼器。随后，其他学者又相继提出许多形式各异的金属屈服阻尼器，比较典型的有服阻尼器，比较典型的有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 摩擦阻尼器由受有预紧力的金属或其他固体元摩擦阻尼器由受有预紧力的金属或其他固体元件构成，这些元件之间能够相互滑动并且产生摩擦件构成，这些元件之间能够相互滑动并且产生摩擦力，力，其减震机理是通过摩擦耗能耗散结构的振动能其减震机理是通过摩擦耗能耗散结构的振动能量量。摩擦阻尼器的发展始于。摩擦阻尼器的发展始于20世纪世纪70年代后期，目年代后期，目前国内外学者已陆续研制开发了多种摩擦阻尼器，前国内外
22、学者已陆续研制开发了多种摩擦阻尼器，如如Pall摩擦阻尼器、筒式滑块摩擦阻尼器、钢丝绳摩擦阻尼器、筒式滑块摩擦阻尼器、钢丝绳摩擦阻尼器、摩擦滑动螺栓节点及摩擦剪切饺阻尼摩擦阻尼器、摩擦滑动螺栓节点及摩擦剪切饺阻尼器等。摩擦阻尼器一般安装在结构支撑上，形成摩器等。摩擦阻尼器一般安装在结构支撑上，形成摩擦耗能支撑。擦耗能支撑。耗能元件耗能元件摩擦阻尼器摩擦阻尼器 下图为由下图为由Pall和和Marsh提出的十字形双向摩擦阻尼器，它提出的十字形双向摩擦阻尼器，它是一靠滑动而改变形状的机构。机构带有摩擦制动板，机构的是一靠滑动而改变形状的机构。机构带有摩擦制动板，机构的滑移受板间摩擦力控制，而摩擦力取
23、决于板间的挤压力，可以滑移受板间摩擦力控制，而摩擦力取决于板间的挤压力，可以通过松紧节点板的高强螺栓来调节。该装置按正常使用荷载及通过松紧节点板的高强螺栓来调节。该装置按正常使用荷载及小震作用下不发生滑动设计，而在强烈地震作用下，在主要结小震作用下不发生滑动设计，而在强烈地震作用下，在主要结构构件尚未发生屈服时，装置即产生滑移以摩擦功耗散地震能构构件尚未发生屈服时，装置即产生滑移以摩擦功耗散地震能量，并改变了结构的自振频率，从而使结构在强震中改变动力量，并改变了结构的自振频率，从而使结构在强震中改变动力特性，达到减震目的。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 铅挤压阻尼
24、器由外筒、可动轴和铅组成铅挤压阻尼器由外筒、可动轴和铅组成，如下图所示，如下图所示，这种阻尼器由新西兰的这种阻尼器由新西兰的Robinson等首先提出，由于铅是一种结等首先提出，由于铅是一种结晶金属，当发生塑性变形时，其晶格被拉长并错动、此时一部晶金属，当发生塑性变形时，其晶格被拉长并错动、此时一部分能量将转化为热能，另一部分能量为促进再结晶而消耗，使分能量将转化为热能，另一部分能量为促进再结晶而消耗，使金属返回非变状态。结晶易在常温下进行，所耗时间极短且无金属返回非变状态。结晶易在常温下进行，所耗时间极短且无疲劳现象，具备稳定的耗能能力。当结构变位使外壁筒与可动疲劳现象，具备稳定的耗能能力。
25、当结构变位使外壁筒与可动轴发生相对位移时，铅发生塑性流动，起到耗能阻尼的作用。轴发生相对位移时，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 粘弹性阻尼器由粘弹性材料和约束钢板组成粘弹性阻尼器由粘弹性材料和约束钢板组成，典型的粘，典型的粘弹性阻尼器下图所示。它由两个弹性阻尼器下图所示。它由两个T形约束钢板夹一块矩形钢板形约束钢板夹一块矩形钢板组成，组成，T形约束钢板与中间钢板之间夹有一层粘弹性阻尼材料形约束钢板与中间钢板之间夹有一层粘弹性阻尼材料(通常用有机硅或其他高分子材料通常用有机硅或其他高分子材料)。在反复轴向力作用下，约。在反复轴向力作用下，约束束T形钢
26、板与中间钢板产生相对运动，使粘弹性材料产生往复形钢板与中间钢板产生相对运动，使粘弹性材料产生往复剪切滞回变形，以吸收和耗散能量。剪切滞回变形，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 粘滞阻尼器一般由缸体、活塞和粘性液体所组成，粘滞阻尼器一般由缸体、活塞和粘性液体所组成，如图下图所示。缸体简内装有粘性液体，液体常为硅油如图下图所示。缸体简内装有粘性液体，液体常为硅油或其他粘性流体，活塞上开有小孔。当活塞在缸体简内或其他粘性流体，活塞上开有小孔。当活塞在缸体简内做往复运动时，液体从活塞上的小孔通过，对活塞和缸做往复运动时，液体从活塞上的小孔通过，对活塞和缸体的相对运动产生阻尼，从而
27、消耗振动能量。粘性阻尼体的相对运动产生阻尼，从而消耗振动能量。粘性阻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 调谐减震控制体系，由结构和附加在主结构上的子结调谐减震控制体系，由结构和附加在主结构上的子结构组成。附加的子结构具有质量、刚度和阻尼，因而可以构组成。附加的子结构具有质量、刚度和阻尼，因而可以调整子结构的自振频率，使其尽量接近主结构的基本频率调整子结构的自振频率，使其尽量接近主结构的基本频率或激振频率或激振频率。这样，当主结构受激励而振动时，子结构就。这样，当主结构受激励而振动时，子结构就会产生一个与结构振动方向相反的惯性力作用在主结构上，会产生一个与结构振动方向相反的惯性力作用在主结构上，使主结构的振动反应衰减并受到控制。由于这种减震控制使主结构的振动反应衰减并受到控制。由于这种减震控制不是通过提供外部能量，只是通过调整结构的频率特性来不是通过提供
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