隔震與減震技術(shù)介紹

1、隔震與減震一、概述二、基底隔震三、懸掛隔震 四、耗能減震五、沖擊減震 六、吸振減震七、主動控制減震、概述?地震引起結(jié)構(gòu)振動的全過程是：由震源產(chǎn)生地震動，通過傳播途徑傳遞 到結(jié)構(gòu)上，從而引起結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)。?通過在不同部分采取振動控制措施，就成為不同的積極的抗震方法。1、消震通過減弱震源振動強度達到減小結(jié)構(gòu)振動的方法。2、隔震通過某種裝置，將地震動與結(jié)構(gòu)隔開，減弱或改變地震動對結(jié)構(gòu)作用的 強度或方式，達到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。隔震方法：基底隔震懸掛隔震3、被動減震通過采用一定的措施或附加子結(jié)構(gòu)，吸收或消耗地震傳遞給主結(jié)構(gòu)的能 量，達到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。被動減震方法：耗能減震沖擊減震 吸震減震4、

2、主動減震根據(jù)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，通過自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機，主動給結(jié)構(gòu)施加控 制力，達到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。?兩大類減震方法：(1)被動控制方法。這種方法無外部能源供給，也稱無源控制技術(shù)。包括隔 震技術(shù)和被動減震技術(shù)。(2)主動控制方法。這種方法有外部能源供給，也稱有源控制技術(shù)。?與傳統(tǒng)的消極抗震方法相比，減震方法優(yōu)點：(1)減小地震作用，降低結(jié)構(gòu)造價，提高結(jié)構(gòu)抗震可靠度。隔震方法能夠控 制傳到結(jié)構(gòu)上的地震力，克服確定荷載的困難。(2)減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形，保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不破壞，減小震后維修費用，對現(xiàn)代建筑，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的造價占總造價的80%以上。(3)隔震、減震裝置的更換或維修比更換、維修結(jié)構(gòu)

3、構(gòu)件方便、經(jīng)濟。(4)精密加工設(shè)備、核工業(yè)設(shè)備等結(jié)構(gòu)物，只能用隔震、減震的方法滿足 嚴格的抗震要求-基底隔震1、原理?基底隔震是在結(jié)構(gòu)物地面以上部分的底部設(shè)置隔震層，限制地震動向結(jié) 構(gòu)物的傳遞。?基底隔震，主要用于隔離水平地震作用。隔震層的水平剛度顯著低于上 部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。此時可近似為上部結(jié)構(gòu)是一個剛體，如圖8.18所示。 設(shè)結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為m絕對水平位移為y,地震動的水平位移為xg,隔震 層的水平剛度為k,阻尼系數(shù)為c,則底部隔震系統(tǒng)的運動平衡方程為：?my cy ky = cxgkxg?上部結(jié)構(gòu)絕對位移(加速度)振幅與地震動位移(加速度)振幅的比值R為y y1 4 2 2q _ y ma

4、x _ y max _ rR1vzi .2x2. 2 ： 2 2xg maxxg max (1)4? R稱為絕對隔震傳遞率。R值越小，表明隔震效果越好。?地震動與隔震結(jié)構(gòu)的頻率比B大于時，隔震系統(tǒng)才有隔震能力。而且頻 率比越大，隔震能力越強?；赘粽鸾Y(jié)構(gòu)設(shè)計的一般原則：? 在滿足必要的豎向承載力的的同時，隔震裝置的水平剛度應(yīng)盡量小，以 降低隔震結(jié)構(gòu)的自振頻率，使之低于地震動的優(yōu)勢頻率范圍，保證結(jié)構(gòu) 地震反應(yīng)的衰減較大。? 在風(fēng)荷載作用下，隔震結(jié)構(gòu)不能有太大的位移不能太大。因此，結(jié)構(gòu)底部隔震系統(tǒng)常需安放風(fēng)穩(wěn)定裝置，使得在小于設(shè)計風(fēng)載的風(fēng)力作用下，隔震層幾乎不產(chǎn)生變形；而在超過設(shè)計風(fēng)載的地震力作用

5、下，風(fēng)穩(wěn)定裝置退出工作，隔震裝置開始工作。1、方法 （具體原理和應(yīng)用見P255 P260）（ 1）滾子隔震? 主要有滾軸隔震和滾珠（球）隔震兩種。（ 2）橡膠墊塊隔震（ 3）懸掛基礎(chǔ)隔震（ 4）搖擺支座隔震（ 5）滑動支座隔震疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程（CECS126:2001）三、懸掛隔震1、方法? 懸掛隔震是將結(jié)構(gòu)的全部或大部分質(zhì)量懸掛起來，使地面運動傳遞不到主體質(zhì)量，產(chǎn)生不了慣性力，從而起到隔震作用。具體原理見圖8.35 和P261。2、應(yīng)用? 懸掛結(jié)構(gòu)在橋梁、房屋建筑、火電廠鍋爐架等方面有大量應(yīng)用。著名的43 層香港匯豐銀行新大樓，采用的就是懸掛結(jié)構(gòu)。? 懸掛結(jié)構(gòu)懸桿受力大，需采用高強鋼

6、。而高強鋼韌性差，在豎向地震作用下易拉斷。為減小豎向地震作用，可在吊點設(shè)減震彈簧，并配合使用阻尼器。四、耗能減震1、方法? 耗能減震是通過采用附加子結(jié)構(gòu)或一定措施，消耗地震傳遞給結(jié)構(gòu)的能量。?地震時，結(jié)構(gòu)在任意時刻的能量方程為： Et=Es+ Ef式中， Et 為輸入結(jié)構(gòu)的能量，Es 為主體結(jié)構(gòu)的耗能；Ef 為附 加子結(jié)構(gòu)的耗能。? 主結(jié)構(gòu)耗能組成：Es = Ev+ Ec+ Ee+ Ey式中，Ev為結(jié)構(gòu)振動動能；Ee為結(jié)構(gòu)振動勢能；Ec為結(jié)構(gòu)粘 滯阻尼耗能；Ey為結(jié)構(gòu)塑性變形耗能。? 耗能減震原理：從能量的觀點，地震輸入結(jié)構(gòu)的能量是一定的，通過耗能裝置消耗掉一部分能量，則結(jié)構(gòu)本身需消耗掉的能量

7、減小，意味著結(jié)構(gòu)反應(yīng)減小。從動力學(xué)的觀點出發(fā)，耗能裝置的作用，相當(dāng)于增大結(jié)構(gòu)阻尼，從而使結(jié)構(gòu)反應(yīng)減小。2、耗能裝置? 耗能裝置可以是安放在結(jié)構(gòu)物能產(chǎn)生相對位移的阻尼器，也可以是由結(jié)構(gòu)物的某些非承重構(gòu)件設(shè)計成的耗能構(gòu)件。? 這些耗能裝置在風(fēng)或小震作用下應(yīng)具有較大的剛度。但強烈地震發(fā)生時，耗能裝置應(yīng)率先進入非彈性狀態(tài)，產(chǎn)生較大的阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量。? 試驗表明，耗能裝置可消耗地震輸入能量的90以上。? 工程結(jié)構(gòu)抗震采用的耗能裝置? 阻尼器：軟鋼阻尼器、擠壓鉛阻尼器、摩擦阻尼器、粘彈性阻尼器? 耗能支撐：耗能交叉支撐、摩擦耗能支撐、耗能偏心支撐、耗能隅撐? 耗能墻 ：帶豎縫剪力墻、周邊

8、耗能墻、水平縫摩擦墻、阻尼器剪力墻（具體原理和應(yīng)用見P263 P268。 ）五、沖擊減震1、 原理? 沖擊減震是依靠附加活動質(zhì)量與結(jié)構(gòu)之間的非完全彈性碰撞達到交換動量和耗散動能而實現(xiàn)減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的技術(shù)。具體工作原理見P268P271。? S.F.Masri 研究平穩(wěn)隨機振動的沖擊減震問題，獲得以下結(jié)論：（ 1）沖擊減震器能夠減輕平穩(wěn)隨機振動，但減震效果不如抑制簡諧振動的效果。（ 2）沖擊減震器的最優(yōu)活動間隙與安裝部位的位移有關(guān)。（ 3）主振結(jié)構(gòu)阻尼越小，沖擊減震效果越好。（ 4）如沖擊減震系統(tǒng)的激勵是高斯過程，它的響應(yīng)仍然接近高斯過程。2、 1 應(yīng)用（見P272）六、吸振減震? 吸振是通過

9、附加子結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)的振動發(fā)生轉(zhuǎn)移，即使結(jié)構(gòu)的振動能量 在原結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)之間重新分配，從而達到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。? 目前工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用的吸振裝置主要有三種，它們是：被動調(diào)頻質(zhì)量阻尼器、質(zhì)量泵和質(zhì)量放大器。? 具體的工作原理和形式見P272 P277。七、主動控制減震1、概念? 主動控制減震體系是利用外部能源，在結(jié)構(gòu)受地震激勵振動過程中，瞬時改變結(jié)構(gòu)動力特性和施加控制力，以減少結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的自動控制體系。（ 1）傳感器。安裝在結(jié)構(gòu)上，測量結(jié)構(gòu)所受外部激勵和結(jié)構(gòu)反應(yīng)或兩者，將測得的信息傳遞給控制器的處理器。（ 2）處理器。處理測得的信息，根據(jù)給定的控制算法，計算所需的控制力，并將控制信息傳遞給控制器

10、的致動器。（ 3）致動器。根據(jù)控制信息，由外部供給能源產(chǎn)生所需的控制力，從而減少結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)。? 主動控制體系中的控制器由三部分組成：（ 1）開環(huán)控制。根據(jù)外部激勵信息調(diào)整控制力。（ 2）閉環(huán)控制。根據(jù)結(jié)構(gòu)反應(yīng)信息調(diào)整控制力。（ 3）開閉環(huán)控制。根據(jù)外部激勵和結(jié)構(gòu)反應(yīng)的綜合信息調(diào)整控制力。? 主動控制已廣泛用于電子工程、機械工程、航天航空工程等領(lǐng)域，但在土木工程中應(yīng)用該方法尚是新的研究方向。（具體原理和形式見P278P280）基礎(chǔ)隔震適用范圍建筑抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定隔震和消能減震設(shè)計，主要應(yīng)用于使用功能有特殊要求的建筑及抗震設(shè)防烈度為8、9 度的建筑。對于一些重要建筑，為了實現(xiàn)對使用功能的特殊要求

11、，適當(dāng)增加投資是必要的，因而都可采用隔震和消能減震設(shè)備。所謂使用功能有特殊要求的，例如：要求地震時不中斷使用功能（ 首腦、指揮機關(guān)、消防、公安、醫(yī)院） ；要求地震時不損壞信息系統(tǒng)和重要設(shè)備（ 銀行、保險、通訊 ） ；要求減輕次生災(zāi)害（ 存放有毒、爆炸等物品的建筑） ；要求地震時生命安全有更大保證（ 幼兒園、小學(xué)、醫(yī)院病房等地震時人群不便疏散的建筑） ；要求用“隔震和消能減震”技術(shù)彌補某些類型結(jié)構(gòu)在抗震方面的不足或滿足其抗震設(shè)計要求等。對于多層砌體、一般框架和抗震墻房屋，規(guī)范強調(diào)隔震和消能減震設(shè)計主要用于8、9 度區(qū)。這是因為試設(shè)計和試點工程表明，在6、7 度區(qū)建造隔震房屋雖可提高房屋的抗震安全

12、度，但建設(shè)投資常有增加，現(xiàn)階段尚不易為一般業(yè)主接受。建筑隔震是在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間加設(shè)一隔震層，隔震層對整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)起兩大作用：1 、由于隔震層的剛度很小，使整個隔震結(jié)構(gòu)體系的自振周期大大增長，上 部結(jié)構(gòu)的地震加速度反應(yīng)大大減??；2 、隔震層采用高阻尼的元件組成，使整個隔震結(jié)構(gòu)體系的阻尼加大，有效 地吸收地震波輸入上部結(jié)構(gòu)的能量，大減小地震對上部結(jié)構(gòu)的打擊力。這兩項作用，可使上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)一般僅相當(dāng)于不隔震情況下的 1/41/8 ,不僅達到了減輕地震對上部結(jié)構(gòu)損壞的目的，而且一般使建筑物的裝修及室內(nèi)設(shè)備也得到有效的保護，乃至不影響室內(nèi)設(shè)備的正常運行，地震時人員 可照常停留在室內(nèi)?；A(chǔ)隔震

13、技術(shù)的出現(xiàn)，可使抗震設(shè)防 超越“小震不壞，大震不倒”的設(shè)計思 想，達到更高的抗震安全可靠度水準，使建筑物在強烈地震中不發(fā)生較嚴重的損 傷；另外由于強震地面運動固有的復(fù)雜性的預(yù)測工作的高難度，使人們逐漸認識到在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中以人為確定的地面運動強度和譜特性為目標(biāo)的傳統(tǒng)抗震設(shè) 計方法包含著由于地面運動不確定性可能引起的風(fēng)險，為了減低這種風(fēng)險，除了應(yīng)加強設(shè)計地震的研究以外，更為現(xiàn)實的途徑是使結(jié)構(gòu)具有抗御不同地面運動特 性的能力，使類似于共振的現(xiàn)象在地震中不可能出現(xiàn)， 隔震技術(shù)即可滿足這種要 求。多層房屋夾層橡膠墊隔震技術(shù)該項目創(chuàng)立了一種嶄新的隔震建筑新概念、新理論、新體系、新的設(shè)計方法 和建造技術(shù)。

14、應(yīng)用該技術(shù)建成的隔震房屋，采用設(shè)于房屋底部的夾層橡膠墊進行 隔震，在風(fēng)荷載下，夾層橡膠墊具有足夠的水平剛度，房屋位移很少，與一般房 屋無異，而在強地震發(fā)生時，夾層橡膠墊產(chǎn)生水平柔性變形，地面震動被隔開， 能將房屋的地震加速度反應(yīng)減少至l /4 - l /12,確保房屋在任何突發(fā)強地震 中不損壞、不倒塌，確保安全，并保護房屋內(nèi)所有裝修、物品、設(shè)備或儀器不受 損壞。1993年9月建成了我國第一棟采用夾層橡膠墊的隔震房屋，也是當(dāng)年世界 上采用夾層橡膠墊隔震的最高、最大的住宅樓。該技術(shù)目前已開始推廣應(yīng)用，現(xiàn) 已建成或即將建成的19幢多層建筑，面積約7. 4萬平方米。隔震結(jié)構(gòu)房屋的土 建造價比傳統(tǒng)防震結(jié)構(gòu)房屋節(jié)省7%,施工安裝方便。使用壽命可達70年以上， 具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。隔震減震建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造(03SG610-1)2、通過快速老化對比試驗，揭示了橡膠隔震支座的耐久性機理，從理論上確認 了支座優(yōu)良的耐久性。支座耐久性曾經(jīng)是本技術(shù)應(yīng)用中的重要障礙1)單片橡膠在20c環(huán)境溫度下，10年后基本性能降低到不能繼續(xù)使用的狀態(tài)。 (2)橡膠支