隔震與減振控制000

1、基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及特征1.基礎(chǔ)隔震簡介 所謂基礎(chǔ)隔震,是在建筑物與基礎(chǔ)之間設(shè)置一層具有足夠可靠性的隔震層,控制地面運動向上部結(jié)構(gòu)的傳遞。 建筑隔震屬于結(jié)構(gòu)被動控制的范疇,其本質(zhì)思想是通過增加能夠提供柔性和適當(dāng)耗能裝置(阻尼)的隔震層(系統(tǒng)),使隔震系統(tǒng)以上的結(jié)構(gòu)和(或)構(gòu)件與可能引起破壞的地震地面運動或支座運動分離開來,從而減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震可靠性。2.基礎(chǔ)隔震原理 基礎(chǔ)隔震技術(shù)是通過設(shè)置在結(jié)構(gòu)物底部與基礎(chǔ)頂面之間的隔震消能裝置,來增加結(jié)構(gòu)的變形能力和滯變阻尼。變形能力的增加,可以使得結(jié)構(gòu)在地震作用下保持不倒,而阻尼的增大可以吸收更多的地震能量,從而大大減小地震作用。同

2、時,結(jié)構(gòu)變形能力的增大導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的第一振型周期變長,這與增大的阻尼相結(jié)合,就可以大大降低地震影響系數(shù),并且結(jié)構(gòu)物底部有足夠的橫向變形能力和滯變阻尼,使得結(jié)構(gòu)底部的應(yīng)力分布較為均勻,避免了常見的結(jié)構(gòu)底部首先破壞的可能性。 下面用建筑物的地震反應(yīng)譜說明基礎(chǔ)隔震原理。圖1給出了普通建筑物的加速度反應(yīng)譜和位移反應(yīng)譜。一般中低層鋼筋混凝土建筑物剛性大、周期短,所以進入建筑物的加速度大,而位移反應(yīng)小,如圖中A點所示?，F(xiàn)在延長建筑物周期,而保持阻尼不變,從而加速度反應(yīng)被大大降低,位移反應(yīng)卻有所增加,如圖中B點所示。再加大結(jié)構(gòu)的阻尼,加速度反應(yīng)繼續(xù)減弱,位移反應(yīng)得到明顯控制,這就是圖中的C點。2.基礎(chǔ)隔震

3、原理 綜上分析,延長結(jié)構(gòu)周期、給予適當(dāng)阻尼（增大）可使結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)大大減弱。同時,讓結(jié)構(gòu)的大位移主要由結(jié)構(gòu)物底部與地基之間的隔震系統(tǒng)提供,而不是由結(jié)構(gòu)自身的相對位移承擔(dān),這樣,結(jié)構(gòu)在地震過程中發(fā)生的變形非常小,甚至像剛體那樣作輕微平動,從而為結(jié)構(gòu)的地震防護提供更加良好的安全保障。2.基礎(chǔ)隔震原理隔震層在減震功能上均應(yīng)滿足下列四個基本要求:（1） 要在側(cè)移變形前后穩(wěn)定地支承建筑物的自重（2） 要能有效減少上部結(jié)構(gòu)的地震作用（3） 要減小隔震層位移幅值（4） 要防止隔震層的水平位移變形在地震作用下向某一方向畸形發(fā)展,亦即減少殘留位移。3. 建筑基礎(chǔ)隔震體系的動力反應(yīng)分析方法3.1 結(jié)構(gòu)體系的基

4、本假設(shè)：結(jié)構(gòu)體系的基本假設(shè)： 對上部結(jié)構(gòu)及隔震層等整個結(jié)構(gòu)體系的分析均基于下述假設(shè):（1）上部結(jié)構(gòu)考慮線性地震反應(yīng),對隔震層考慮非線性地震反應(yīng) (2)每個結(jié)構(gòu)層均可凝聚為相對于質(zhì)心的3個自由度: 2個水平自由度和1個轉(zhuǎn)動自由度。 (3)所有隔震支座頂部的隔震層樓板在平面內(nèi)具有無限大剛性,隔震層樓板也同樣具有3個自由度：2個水平自由度和1個轉(zhuǎn)動自由度,并都相對于隔震層質(zhì)心。 (4)要求上部結(jié)構(gòu)在縮減振型時其保留振型數(shù)目應(yīng)為3的倍數(shù),且不得小于3。 (5)所有的子結(jié)構(gòu)都通過隔震層樓板連接在一起。3.2 基礎(chǔ)隔震的計算模型1) 單質(zhì)點模型2) 雙質(zhì)點模型3) 多質(zhì)點模型4) 無限質(zhì)點模型5) 其他模

5、型1) 單質(zhì)點模型 夾層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系隔震層剛度一般遠(yuǎn)小于上部結(jié)構(gòu)的層剛度, 在地震作用下, 上部結(jié)構(gòu)可視為整體平動, 研究隔震層剪力和位移可采用如圖3所示的單質(zhì)點模型. 圖3 基礎(chǔ)隔震體系單質(zhì)點模型2) 雙質(zhì)點模型 如圖4所示的雙質(zhì)點模型也是隔震體系地震反應(yīng)分析的基本模型之一. 利用該模型可分析隔震體系上部結(jié)構(gòu)與隔震層間的相互作用, 研究與單質(zhì)點模型地震反應(yīng)的異同.圖4 基礎(chǔ)隔震體系雙質(zhì)點模型3) 多質(zhì)點模型 單質(zhì)點和雙質(zhì)點模型可以給出隔震結(jié)構(gòu)某些地震反應(yīng)的很好近似, 然而, 對另外一些反應(yīng)特性則必須將結(jié)構(gòu)按如圖5所示多質(zhì)點模型研究, 如隔震結(jié)構(gòu)層間剪力及其分布、層間位移、樓板譜、上部結(jié)

6、構(gòu)高階振型反應(yīng)、非線性結(jié)構(gòu)中各振型能量的傳遞、基礎(chǔ)的提離與傾覆等問題。圖5 基礎(chǔ)隔震體系多質(zhì)點模型4) 無限質(zhì)點模型 一種更復(fù)雜的隔震分析模型是如圖6所示的無限質(zhì)點模型. 該模型將上部結(jié)構(gòu)視為無限自由度均勻連續(xù)的豎向剪切梁結(jié)構(gòu). 采用該模型可利用解析方法更系統(tǒng)地研究結(jié)構(gòu)參數(shù)和隔震系統(tǒng)參數(shù)在更大范圍內(nèi)變化時, 隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特點. 上部結(jié)構(gòu)均勻或某些特殊光滑變化的質(zhì)量分布和剛度分布結(jié)構(gòu)也適用該模型進行分析。圖6 基礎(chǔ)隔震體系無限質(zhì)點模型5) 其他模型 除以上分析模型, 針對不同情況隔震結(jié)構(gòu)計算和研究還會采用其他分析模型, 如考慮結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度偏心的多質(zhì)點扭轉(zhuǎn)模型; 考慮隔震結(jié)構(gòu)空間相互作用和

7、隔震支座相互影響的空間隔震結(jié)構(gòu)分析模型. 3.3 隔震層的滯回特性 隔震層的滯回特性由隔震支座決定, 其簡化的滯回曲線有以下幾種： 1) 線彈性滯回曲線 2) 粘滯型滯回曲線 3) 雙線性滯回曲線 4) 庫侖摩擦滯回曲線 5) 其他類型滯回曲線1) 1) 線彈性滯回曲線線彈性滯回曲線 彈性曲線是最簡單的滯回曲線, 線性隔震結(jié)構(gòu)隔震效果好, 且高階反應(yīng)小, 但由于無阻尼參與, 隔震層位移較大, 一般不宜單獨采用. 普通橡膠墊支座的滯回曲線為線彈性2) 粘滯型滯回曲線粘滯型滯回曲線 在線彈性隔震層附以粘滯阻尼器, 隔震層滯回曲線為粘滯型滯回曲線. 阻尼器布置多, 滯回曲線越飽滿, 結(jié)構(gòu)的高階反應(yīng)變

8、的越顯著3) 3) 雙線性滯回曲線雙線性滯回曲線 在線彈性隔震層附以鉛擠壓阻尼器、滑移摩擦阻尼器或鋼阻尼器, 隔震層滯回曲線可簡化為雙線性滯回曲線. 阻尼器的數(shù)量可決定滯回曲線的屈服系數(shù)和非線性系數(shù). 該滯回曲線模型最常用4) 4) 庫侖摩擦滯回曲線庫侖摩擦滯回曲線 滑移隔震支座的滯回曲線可視為庫侖摩擦滯回曲線. 該曲線無恢復(fù)力特性, 結(jié)構(gòu)殘留位移可能較大, 由于該曲線的強非線性, 結(jié)構(gòu)的高階反應(yīng)較大. 該類型隔震層一般應(yīng)附以恢復(fù)力裝置.5) 5) 其他類型滯回曲線其他類型滯回曲線 普通夾層橡膠支座附以特定阻尼器還會形成其他類型恢復(fù)力曲線: 如Ramberg-Osgood型、剛度硬化型、I型阻

9、尼器型等滯回曲線. 這些滯回曲線在隔震分析中較少用到.4.隔震層分析模型 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的性能主要取決于隔震層動力性能的設(shè)計，即隔震層滯回關(guān)系和參數(shù)的設(shè)計。 目前，模擬隔震層實際的剪力-位移滯回關(guān)系曲線的主要模型有：線性和雙線性模型。 圖7 有阻尼線性隔震系統(tǒng)動力模型圖8 雙線性隔震系統(tǒng)動力模型（1）有阻尼線性隔震系統(tǒng) 右圖所示為由線性彈簧和粘滯阻尼器組成的線性隔震系統(tǒng)，其力-位移滯回曲線有一有效斜率Kb，代表隔震系統(tǒng)的抗切剛度（1.1）有阻尼線性隔震系統(tǒng)參數(shù)抗切剛度Kb粘滯速度阻尼Cb自振周期Tb速度阻尼系數(shù)b（1.2）線性隔震系統(tǒng)動力方程 采用線性隔震系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，其動力方程為：其

10、中，阻尼矩陣和剛度矩陣可分別表示為：下標(biāo)0表示基底無約束的自由-自由結(jié)構(gòu)矩陣，即基底隔震器具有零水平剛度和阻尼的結(jié)構(gòu)。Kb和Cb分別為隔震器的恢復(fù)剛度和阻尼系數(shù)。（2）雙線性隔震系統(tǒng) 右圖所示為一雙線性隔震系統(tǒng)，該模型中有兩個線性彈簧，其中一個與一庫倫阻尼相串聯(lián)，其滯回曲線是雙線性的，有兩個斜率，分別代表初始剛度和屈服剛度，對應(yīng)于隔震層的彈性變形和塑性變形。（2.1）雙線性隔震系統(tǒng)參數(shù) 滑動剛度Kb1（初始剛度或彈性剛度） 滑動或屈服時有較小剛度Kb2（屈服后剛度或塑性剛度）（2.1）.雙線性隔震系統(tǒng)參數(shù) 雙線性模型的另一個重要參數(shù)為屈服比QY/W,即隔震層的屈服力QY與結(jié)構(gòu)重量W之比。隔震層

11、屈服位移為Xy，由QY和Kb1確定。（2.1）雙線性隔震系統(tǒng)參數(shù) 研究表明，利用等效周期TB和等效阻尼B可以有效地描述雙線性隔震系統(tǒng)的力學(xué)性能。上述等效值可以由圖b）所示雙線性模型剪力-位移滯回曲線得到。其中，等效剛度、等效周期分別為：（2.2）雙線性隔震系統(tǒng)動力方程 右圖為一固定在雙線性隔震系統(tǒng)上的剪切型結(jié)構(gòu)。庫倫阻尼器用一滑動器表示，其屈服力為QY，屈服后將使系統(tǒng)剛度改變；Cb是隔震器的速度阻尼系數(shù)，雙線性隔震系統(tǒng)的動力方程為 5 .問題及討論 1）隔震理論與技術(shù)雖取得了長足的進步, 但問題仍然不少. 我國抗震規(guī)范中, 隔震層等效剛度和等效阻尼按規(guī)范指定加載幅值與頻率的試驗確定, 根據(jù)試驗

12、確定的參數(shù)對隔震結(jié)構(gòu)進行分析, 進而得出隔震層位移與剪力. 但由此得出的隔震層位移與頻率并不一定與試驗條件一致. 這表明, 由于沒有考慮隔震層的非線性, 導(dǎo)致規(guī)范本身的非自恰性.3）反應(yīng)譜法是隔震結(jié)構(gòu)計算設(shè)計的另一簡便方法. 但該方法簡單地采用了等效周期和等效阻尼的概念, 并采用統(tǒng)一的以等效阻尼為參數(shù)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)降低系數(shù)公式, 其應(yīng)用隔震參數(shù)范圍和精度值得進一步研究. 2）日本的簡易分析法將隔震層簡化為雙線性模型, 由內(nèi)含的統(tǒng)計關(guān)系式保證了規(guī)范自身的自恰性. 但該方法首先要確定地震輸入總能量, 且不說輸入能力本身就難以確定, 實際結(jié)構(gòu)最大反應(yīng)未必與輸入總能量總是相關(guān)的. 有研究表明, 結(jié)構(gòu)最大反

13、應(yīng)與地震輸入瞬時能量有較大的相關(guān)性, 而這方面的研究還很不夠.4）結(jié)構(gòu)滑移隔震主要問題在于, 由于無位移恢復(fù)能力, 隔震層位移不宜控制. 在規(guī)范化方面與現(xiàn)行計算設(shè)計方法銜接困難. 研究表明: 滑移隔震體系參數(shù)較少, 應(yīng)用反應(yīng)譜法比較方便; 對在卓越周期反應(yīng)較大的結(jié)構(gòu), 滑移隔震能顯著降低其地震作用, 其最大反應(yīng)由摩擦系數(shù)決定,故滑移隔震體系采用反應(yīng)譜分析方法, 表現(xiàn)出比一般結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜計算更高的可靠性. 因此, 反應(yīng)譜法可成為滑移隔震體系計算和設(shè)計的一種簡易方法.5）對于豎向隔震體系 在技術(shù)方面, 豎向隔震的障礙在于, 難于在提供有效豎向支承的前提下,大幅提高隔震結(jié)構(gòu)豎向名義周期. 研究表明,

14、隔震參數(shù)設(shè)計不合理反而會導(dǎo)致負(fù)作用, 豎向基礎(chǔ)隔震不能簡單采用未經(jīng)設(shè)計的隔震裝置. 在應(yīng)用方面,由于豎向地震作用對高聳、大跨結(jié)構(gòu)影響比較顯著, 而對一般宜采用隔震的底層普通建筑結(jié)構(gòu)影響不顯著, 豎向基礎(chǔ)隔震還沒有應(yīng)用到普通建筑結(jié)構(gòu)中.6.前景 基礎(chǔ)隔震技術(shù)可在兩個方向進行研究. 一個方向是, 簡化基礎(chǔ)隔震措施, 提高結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震的可靠度, 降低隔震層造價和上部結(jié)構(gòu)造價,在中低烈度區(qū)一般建筑結(jié)構(gòu)中推廣使用隔震技術(shù);另一個方向是, 不必考慮或較少考慮隔震成本, 最大程度完善和優(yōu)化包括結(jié)構(gòu)豎向基礎(chǔ)隔震在內(nèi)的基礎(chǔ)隔震理論和技術(shù), 確保有特殊要求或重要建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的最大安全性和可靠性. 隔震體系

15、隔震層以上部分一般為層數(shù)不多、剛度較大的結(jié)構(gòu), 在較大地震作用下也處于彈性反應(yīng)狀態(tài), 因此可以簡化為常見的多自由度剪切模型; 并聯(lián)隔震體系隔震層滯回模型, 在保證一定精度的前提下, 可簡化為如圖1所示的雙線性滯回模型, 其中初始剛度為無窮大, 屈服后回復(fù)剛度為kr , 屈服剪力為nG, 其中G為隔震層( 含隔震層) 以上結(jié)構(gòu)自重, n為隔震層屈服剪力系數(shù)。 并聯(lián)基礎(chǔ)隔震體系隔震層滯回模型3.并聯(lián)基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)地震反應(yīng)特征與隔震層參數(shù)的優(yōu)選 建筑物橡膠墊基礎(chǔ)隔震和滑移基礎(chǔ)隔震是國內(nèi)外常見的基礎(chǔ)隔震體系，兩者有著不同的隔震策略、隔震效果和適用性，將兩者并列設(shè)置, 共同承受上部結(jié)構(gòu)的重力荷載形成并聯(lián)基礎(chǔ)隔震體系，該隔震系統(tǒng)中, 滑移支座起到阻尼器的作用, 橡膠墊支座可采用普通夾層橡膠墊。經(jīng)過合理的參數(shù)選擇和設(shè)計，通?？梢允盏礁玫慕?jīng)濟技術(shù)效果。 并聯(lián)基礎(chǔ)隔震體系簡圖 在并聯(lián)基礎(chǔ)隔震體系力學(xué)模型中, 需確定兩個隔震層參數(shù): 回復(fù)剛度kr 和屈服剪力系數(shù)G。 在并聯(lián)隔震體系中, 隔震層回復(fù)剛度有重要的作用, 但不可過大, 否則過大的最